輻射吊頂供冷與不同新風(fēng)系統(tǒng)復(fù)合時(shí)的性能研究

于志浩，金梧鳳，劉艷超

(1-天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134；2-天津泰達(dá)建設(shè)集團(tuán)，天津 300134)

0 引言

近年來，隨著公眾對(duì)建筑物內(nèi)空調(diào)供暖制冷方式的舒適性的關(guān)注及節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)今后空調(diào)行業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求。而輻射空調(diào)系統(tǒng)，作為一種節(jié)能綠色空調(diào)系統(tǒng)，可以很好地與低能耗或綠色建筑相結(jié)合，有著良好的應(yīng)用前景[1]。如果能作為采暖、制冷的雙功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，既可以充分利用現(xiàn)有的輻射系統(tǒng)資源，也可以降低初投資和運(yùn)行費(fèi)用[2]。且當(dāng)供暖和制冷共用一套系統(tǒng)放置于頂板時(shí)，由于輻射面基本沒有裝飾遮擋，更加保證了輻射效果，因此，對(duì)頂板輻射供冷應(yīng)加強(qiáng)研究。單獨(dú)的輻射供冷系統(tǒng)存在制冷能力較低、無法消除室內(nèi)潛熱負(fù)荷和輻射板表面易結(jié)露的缺點(diǎn)[3]。輻射吊頂與置換通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)用是目前比較熱門的一種空調(diào)形式[4]。為了保證輻射板表面不結(jié)露，輻射板表面溫度須高于空氣露點(diǎn)溫度2oC，但利用貼附射流[5]時(shí)，將冷輻射板與輻射供冷房間的熱濕空氣分隔開，因此冷輻射板表面的溫度只要高于射流空氣露點(diǎn)溫度就不會(huì)結(jié)露，此時(shí)，輻射板表面溫度與空氣露點(diǎn)溫度的差值可以進(jìn)一步縮小。目前的多數(shù)研究方法過多依賴于計(jì)算機(jī)模擬的手段，對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究的情況很少提及。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及其原理

該實(shí)驗(yàn)房間尺寸為 5 m×3 m×2.3 m，體積為34.5 m3，各向的墻壁以及屋頂采用厚50 mm的聚苯彩鋼板。冷水分成2部分，一部分進(jìn)入板式熱交換器與小室中的毛細(xì)管吊頂進(jìn)行換熱，利用冷源側(cè)安裝的三通調(diào)節(jié)閥將提供給吊頂?shù)睦渌疁囟瓤刂圃?5℃～17℃；另一部分供應(yīng)空氣處理單元（普通空調(diào)機(jī)組）的冷水可以直接利用熱泵冷水機(jī)組的供水（5℃～8℃），各測試空間的流量利用流量計(jì)、流量平衡閥進(jìn)行調(diào)節(jié)[6-7]。

1.1 實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

本次實(shí)驗(yàn)小室，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖 1。房間有一南外墻(尺寸為 3 m×2.3 m)，墻上有一外窗(尺寸為 3 m×1.45 m)，室內(nèi)地面中心處為置換風(fēng)口(尺寸為 300 mm×600 mm)，置換風(fēng)口北側(cè)為模擬人體坐姿的熱源(直徑300 mm，高1.2 m)，置換風(fēng)口南側(cè)為 Swema舒適儀，儀器上設(shè)有三個(gè)速度探頭、一個(gè)相對(duì)濕度探頭和一個(gè)黑球溫度探頭。左右側(cè)貼附射流風(fēng)口(尺寸為 200 mm×200 mm)上邊緣距地面1.8 m。

圖1 實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

房間頂部吊裝毛細(xì)管網(wǎng)金屬模塊吊頂輻射板（單個(gè)尺寸1500 mm×800 mm，共9塊，毛細(xì)管席規(guī)格為 u20，毛細(xì)管席進(jìn)、出水口在同側(cè)，左側(cè)為回水口，右側(cè)為進(jìn)水口），吊裝后房間凈高為2 m，其中輻射板布置圖如圖2所示，左、右側(cè)距離東墻30 cm，距離南側(cè)外墻350 mm，距離北墻150 mm，板1、2、3，板4、5、6和板7、8、9之間為并聯(lián)，板1、2、3為串聯(lián)。

1.2 控制方案

應(yīng)用LabVIEW語言編寫了數(shù)據(jù)采集和控制程序，集成溫度、濕度、壓力、二氧化碳等熱工參數(shù)的采集及顯示。

首先，通過普通空調(diào)機(jī)組提供新風(fēng)（同時(shí)開啟全熱交換器），將普通空調(diào)機(jī)組的供水閥門開度調(diào)為 100%，調(diào)節(jié)風(fēng)閥將風(fēng)量調(diào)為最小新風(fēng)量的 1.3倍。當(dāng)室內(nèi)設(shè)定溫度與室內(nèi)溫度差值的絕對(duì)值小于0.2℃且室內(nèi)露點(diǎn)溫度不大于設(shè)定露點(diǎn)溫度時(shí)，開啟吊頂輻射系統(tǒng)，同時(shí)將普通空調(diào)機(jī)組供水閥門開度調(diào)為50%，新風(fēng)量調(diào)為最小新風(fēng)量；反之則輻射吊頂關(guān)閉，新風(fēng)量維持不變。輻射吊頂系統(tǒng)開啟一段時(shí)間后判斷室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的情況，當(dāng)兩者差值的絕對(duì)值在0.2℃以內(nèi)時(shí)，則關(guān)閉輻射吊頂系統(tǒng)。而當(dāng)室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的差值大于 0.5℃時(shí)，為了迅速達(dá)到設(shè)定溫度，將普通空調(diào)供水閥門開度調(diào)為 100%，如果吊頂輻射板表面溫度與室內(nèi)露點(diǎn)溫度的差值不在安全范圍(設(shè)定板 1管入口吊頂表面溫度高于露點(diǎn)溫度 2℃以上為安全范圍內(nèi)）則關(guān)閉輻射吊頂系統(tǒng)進(jìn)行重新判斷。

圖2 輻射板平面布置圖（俯視圖，單位：mm）

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)用的毛細(xì)管網(wǎng)金屬輻射吊頂板為自主開發(fā)產(chǎn)品，產(chǎn)品模型如圖3所示。該輻射板已采用德國DIN EN 14240標(biāo)準(zhǔn)[8]進(jìn)行了輻射制冷量的測試。其中，輻射板材質(zhì)為鋁鎂合金板，具有很好的抗腐蝕性，厚度為2 mm，表面噴涂白色環(huán)氧樹脂粉末，同時(shí)有直排沖孔，直徑3.5 mm，沖孔率為8%，孔的覆蓋率為83%。背板以發(fā)泡塑料保溫層覆蓋，背板厚3 mm，保溫棉厚8 mm。

圖3 輻射板產(chǎn)品模型示意圖（單位：mm）

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

負(fù)荷計(jì)算參數(shù)設(shè)定：4個(gè)人，輕度勞動(dòng)，顯熱：60 W/人，潛熱75 g/人/小時(shí)，衣服熱阻為0.7 clo，照明36 W。熱源采用白熾燈，濕源采用超聲波加濕器。室內(nèi)設(shè)定溫度：22℃，濕度60%；板式換熱器設(shè)定供水溫度：16℃；實(shí)驗(yàn)時(shí)間：早9:00～晚18:00；12:00～13:00之間，人員一般外出就餐，將熱源和濕源大小調(diào)整為原來的1/2。

2.2 實(shí)驗(yàn)測試

當(dāng)兩種送風(fēng)方式分別與該吊頂板復(fù)合時(shí)，測試吊頂板表面的溫度分布分析不同的送風(fēng)方式下，比較兩者的貢獻(xiàn)率；當(dāng)兩種送風(fēng)方式分別與該吊頂板復(fù)合時(shí)，比較室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)，房間的溫度梯度分布和舒適度測試。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 不同送風(fēng)方式下毛細(xì)管網(wǎng)金屬模塊吊頂輻射系統(tǒng)的性能研究

3.1.1 貼附射流送風(fēng)方式下毛細(xì)管網(wǎng)金屬模塊吊頂輻射系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率

早晨8:00，直接送入室外新風(fēng)，9:00應(yīng)用所述的控制程序進(jìn)行控制，室外溫度 18℃～27℃，設(shè)定室內(nèi)溫度為23℃，相對(duì)濕度為60%，供水溫度設(shè)定為16℃，開啟貼附射流送風(fēng)方式，實(shí)時(shí)采集室內(nèi)的溫濕度參數(shù)和各圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度。應(yīng)用ASHARE中公式計(jì)算出新風(fēng)系統(tǒng)和輻射吊頂在消除房間負(fù)荷方面所占的比例。最不利情況時(shí)，貼附射流的風(fēng)量為156 m3/h，送風(fēng)溫度為21℃；達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，貼附射流的風(fēng)量為120 m3/h，送風(fēng)溫度為22.5℃。

圖4 貼附射流和輻射板在消除負(fù)荷方面的貢獻(xiàn)率

其中，最不利情況下，尚有38%負(fù)荷部分不能及時(shí)消除。由于當(dāng)天輻射板供水溫度并沒有因室內(nèi)設(shè)定溫度的降低而降低，表面溫度與室內(nèi)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的差值過小，輻射系統(tǒng)并沒有發(fā)揮出應(yīng)有的效果。為了證明這一想法，于次日進(jìn)行調(diào)試，在13:50將供水溫度由原設(shè)定的 16℃調(diào)整為 14℃，由于此時(shí)室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度較小，吊頂輻射板并沒有發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。計(jì)算所得的消除負(fù)荷比例如圖5所示。

圖5 供水溫度改變情況下，達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)各部分消除負(fù)荷比例

此時(shí)輻射板的制冷貢獻(xiàn)率得到提升，由于室內(nèi)設(shè)定溫度改變進(jìn)而露點(diǎn)溫度也隨之改變，此時(shí)應(yīng)該隨之調(diào)節(jié)供水溫度，進(jìn)而發(fā)揮輻射板的供冷能力。

3.1.2 置換通風(fēng)送風(fēng)方式下毛細(xì)管網(wǎng)金屬模塊吊頂輻射系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率

與貼附射流采取相同的流程，不同的是將閥門轉(zhuǎn)換為置換通風(fēng)，應(yīng)用 ASHARE中公式結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出新風(fēng)系統(tǒng)和輻射吊頂在消除房間負(fù)荷方面所占的比例。

由圖6可以看出，置換通風(fēng)最不利情況下，尚有31%負(fù)荷部分不能及時(shí)消除。達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)輻射板所占比例92%，低于貼附射流。

圖6 置換通風(fēng)和輻射板在消除負(fù)荷方面的貢獻(xiàn)率

3.2 兩種新風(fēng)方式下人員的舒適度

3.2.1 毛細(xì)管網(wǎng)金屬模塊輻射吊頂系統(tǒng)與兩種送風(fēng)方式復(fù)合的溫度梯度分析

以地面為基準(zhǔn)，分別在距離地面0.1米、1.1米處和輻射板表面的中間部位布置熱電偶，測量其溫度值。其中，北側(cè)起為第一排，依次為第二、三排，各輻射板位置如圖2所示。表1、2為房間溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)的垂直溫度梯度分布情況。

受貼附射流氣流走向的影響，板2的垂直方向，是這種送風(fēng)方式下的最不利位置，在0.1 m處冷氣流出現(xiàn)了下沉，溫度較低，且受貼附射流送風(fēng)范圍的限制，0.6 m和1.1 m的位置受輻射板的影響較大，整體溫度較低，在1.7 m這一高度，送風(fēng)速度較大，氣流分布均勻，與設(shè)定溫度的差值很小。同時(shí)可以看出，輻射板表面的溫度，中間輻射板的溫度是最低的，這是由于兩側(cè)輻射板與空氣直接接觸，送風(fēng)溫度高于輻射板表面溫度所致。因此，在吊裝時(shí)應(yīng)注意嚴(yán)密的保溫。

置換通風(fēng)時(shí)，由于風(fēng)口位于房間中部，板1板3為送風(fēng)的不利點(diǎn)，溫度較低；但0.1 m與1.1 m處溫差不大于 3℃。第三排溫度相對(duì)于前兩排較高，是由于受到太陽輻射的影響。因此在吊裝時(shí)應(yīng)考慮遮陽。針對(duì)不同的送風(fēng)方式，確定出不同的最不利點(diǎn)對(duì)于后續(xù)的設(shè)計(jì)和控制提供參考。貼附射流在2 m處的溫度平穩(wěn)性優(yōu)于置換通風(fēng)。

表1 貼附射流送風(fēng)方式下不同位置的溫度情況

表2 置換通風(fēng)送風(fēng)方式下不同位置的溫度情況

3.2.2 毛細(xì)管網(wǎng)金屬模塊輻射吊頂系統(tǒng)與兩種送風(fēng)方式復(fù)合的舒適度分析

本文中舒適度數(shù)據(jù)由Swema舒適儀實(shí)時(shí)采集記錄，表3數(shù)據(jù)為達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度后1小時(shí)內(nèi)的舒適度情況，每隔12分鐘取1組數(shù)據(jù)值。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO7730[9]中-0.5≤PMV≤+0.5、PPD≤10%的熱舒適要求，兩種情況下舒適度均滿足要求。置換通風(fēng)的PMV值比貼附射流更接近0，舒適性要優(yōu)于貼附射流。

表3 兩種送風(fēng)方式下不同時(shí)間的舒適度情況

4 結(jié)論

1）該毛細(xì)管網(wǎng)金屬輻射吊頂板為自主開發(fā)產(chǎn)品，已采用德國DIN EN 14240標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了輻射制冷量的測試。當(dāng)達(dá)到測試條件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)條件下該輻射板的制冷量為64.5 W/m2，滿足辦公建筑夏季冷負(fù)荷的70%～90%。

2）貼附射流對(duì)于發(fā)揮輻射板的供冷能力以及提高輻射消除負(fù)荷比例要優(yōu)于置換通風(fēng)。

3）當(dāng)設(shè)定溫度發(fā)生改變，供水溫度應(yīng)根據(jù)室內(nèi)露點(diǎn)溫度的變化而改變，進(jìn)而可以更大的發(fā)揮其輻射板供冷能力。

4）貼附射流加毛細(xì)管網(wǎng)金屬模塊輻射吊頂系統(tǒng)與置換通風(fēng)加毛細(xì)管網(wǎng)金屬模塊輻射吊頂系統(tǒng)均能滿足室內(nèi)舒適性要求。置換通風(fēng)舒適性優(yōu)于貼附射流。

[1] OLESEN B W. Radiant floor heating in theory and practice[J]. ASHRAE Journal, 2002, 44(7): 19-24.

[2] 金梧鳳, 余明錫, 金光宇, 等. 地面輻射供暖系統(tǒng)控制方式研究[J]. 中國建設(shè)信息(供熱制冷專刊), 2005: 68.

[3] 孔祥雷, 張小松, 路詩奎. 輻射供冷空調(diào)結(jié)露問題的研究現(xiàn)狀及其對(duì)策[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2008, 27(1):20-23.

[4] 王智麗, 周孝清. 與獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的冷卻頂板的傳熱機(jī)制分析[J]. 制冷空調(diào)與電力機(jī)械, 2005(2):26-30.

[5] 王海橋, 施式亮. 壓入式受限貼附射流流場特征及參數(shù)計(jì)算[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 11(4): 4-7.

[6] LOVEDAY D L, PARSONS K C, TAKI A H, et al.Displacement ventilation environments with chilled ceilings: thermal comfort design within the context of the BS EN ISO7730 versus adaptive debate[J]. Journal of Energy and Buildings, 2002, 34(6): 573-579.

[7] Zhang Z L. Temperature control strategies for radiant floor heating systems[D]. Concordia University, 2001.

[8] DIN EN 14240: 2004 Ventilation for buildings-Chilled ceilings-Testing and rating[S]. 2004.

[9] 王善聰, 狄育慧. 比較不同熱舒適指標(biāo)對(duì)辦公建筑室內(nèi)熱舒適的評(píng)價(jià)分析[J]. 制冷與空調(diào) (四川), 2012,26(6): 592-596.