毛細管輻射加獨立新風系統供冷性能實驗研究

劉前龍, 傅允準

(上海工程技術大學 機械工程學院, 上海 201620)

毛細管輻射加獨立新風系統供冷性能實驗研究

劉前龍, 傅允準

(上海工程技術大學 機械工程學院, 上海 201620)

通過搭建毛細管輻射供冷加獨立新風系統實驗平臺,測試了毛細管單獨輻射供冷情況下實驗房間室內和圍護結構溫度響應特性和毛細管表面結露特性；在毛細管輻射供冷加獨立新風系統在連續運行情況下,測試了室內空氣溫度和濕度分布均勻性及響應特性。實驗測試結果表明:回水溫度設定為18 ℃、毛細管單獨供冷時,毛細管管壁存在少量結露現象、室內垂直方向存在溫度梯度；毛細管輻射供冷加新風系統時,毛細管管壁不會出現結露現象,室內溫濕度能夠滿足實驗房間的熱濕負荷要求,具有良好的舒適性。

毛細管輻射供冷; 獨立新風; 溫度響應; 溫度梯度; 結露

輻射空調系統較之傳統的全空氣空調系統,或是風機盤管加新風空調系統,其在提高熱舒適性、降低吹風感、簡約美觀性、聲學舒適性等方面具有明顯的優勢。狄洪發等[1]對輻射吊頂供冷性能的測試表明,毛細管冷吊頂輻射供冷實驗房間存在較大溫度梯度。于志浩、金梧鳳等[2]對毛細管輻射供冷與新風耦合的空調形式進行了數值模擬與實驗測試,測試結果是室內工作溫差小于3 ℃,滿足ISO7730舒適性標準。其他學者對毛細管輻射供冷空調的設計應用以及容易出現的結露等問題也進行了相關的研究工作[3-12]。但是毛細管輻射空調系統發展速度緩慢,并沒有被大規模推廣應用。究其原因,除了一直困擾毛細管輻射供冷空調的結露問題外,地區氣候條件的差異使得對房間的濕度控制變得比較困難。本文針對上海地區夏季氣候特點,詳細測試分析了毛細管輻射供冷、毛細管輻射供冷加獨立新風空調系統在連續運行狀況下的工作特性以及供冷房間的溫濕度響應特性,以期為該空調系統的工程設計和應用提供有益的參考和借鑒。

1 實驗系統

1.1 實驗房間

實驗房間位于實驗樓一層,房間尺寸為(長×寬×高)8 300 mm×4 000 mm×3 100 mm,南墻為外墻,其余為內墻。外窗尺寸(寬×高)為3 760 mm×2 400 mm,厚度為5 mm。毛細管冷吊頂鋪設示意圖見圖1。

圖1 毛細管鋪設示意圖

1.2 房間輻射板設計計算

房間維護結構均與正常辦公建筑相似,不具備很好的保溫絕熱和氣密性,室內負荷除了受到室內人員流動以及電腦、電燈等熱源影響外,室外溫度的變化對房間負荷會有一定影響。系統主要設計參數見表1。

表1 系統設計參數

室內毛細管頂棚鋪設最大面積20.52 m2,若取80 W/m2單位換熱量,毛細管承擔1641.6 W室內顯熱負荷,新風需承擔4311.4 W顯熱、潛熱以及新風負荷。

1.3 新風匹配計算

根據ASHRAE推薦的辦公場所新風量標準,實驗房間每人的新風量應不少于30 m3/h,實驗房間圓形出風口直徑為120 mm。

1.4 空調系統

實驗采用兩套完全獨立的空調系統,圖2為毛細管輻射供冷空調系統,圖3為新風空調系統。風冷熱泵機組為毛細管輻射末端提供冷水。毛細管供水溫度由空氣源熱泵機組控制面板進行設定。系統循環水泵為變頻泵,本次實驗設定其流量為2 m3/h。

圖2 毛細管輻射供冷空調系統

圖3 新風系統

地源熱泵機組為新風系統提供冷源水。地源熱泵系統使用4口管徑為25 mm、深度為60 m的單U型埋管,和1口管徑為32 mm、深度為60 m的雙U型埋管。其中新風機組布置在實驗房間隔壁機房內。

1.5 測試儀器選擇

溫度傳感器為熱電偶和Pt100熱電阻。考慮到溫度數據采集量較密集且數據量比較大,采用Agilent的34970A數據采集儀器,并通過RS232接口直接與PC機建立通信連接,將采集到的溫度數據導出為excel文件并保存。實驗中使用的其他測試儀器包括:渦輪流量計,可以現場讀取管道水流量；Testo熱球風速儀,用于測量實驗房間新風機出風口風速。

1.6 室內溫度測點布置

為了盡可能詳細地得到室內不同區域的溫度分布情況,確定室內溫度測點位置布置見圖4。對圖4說明如下:

(1) 外窗以及東、西主墻面1.5 m高度各布置2個測點,共布置6個測點；

(2) 室內水平方向在A、B、C、D、E、F處進行測定,每個測點沿著垂直方向上,分別在地板及0.5、1、1.5、2 m高度處布置溫度測點；

(3)A、B、C毛細管附近絕熱層處布置3個溫度測點,A、B、E、F吊頂下表面處各布置4個溫度測點。

此外,毛細管供水和回水管道口,各布置1個溫度傳感器,數據采集周期為1 min。

圖4 溫度測量點布置

2 實驗測試結果及分析

2.1 毛細管輻射供冷系統性能測試

圖5 室內溫度響應特性

圖6 16 ℃回水溫度結露現象

圖7 18 ℃回水溫度結露現象

通過室內智能控制面板,每次間隔2 ℃設定毛細管回水溫度工況,圖5給出了16、18、20 ℃ 3種回水溫度下房間1.5 m高度處室內溫度響應特性,圖6和圖7為16 ℃和18 ℃回水溫度工況下,毛細管管壁結露情況。實驗過程中發現,當毛細管回水溫度設定為16 ℃時,毛細管表面結露現象嚴重。回水溫度設定值提高后,結露現象明顯減弱。同時,由圖5可看出:當毛細管回水溫度設定為18 ℃時,室內房間溫度維持在26.2 ℃左右,能夠達到輻射空調舒適度要求,且不會出現明顯結露現象。

圖8和圖9給出了毛細管回水溫度設定值為18 ℃時,室內空氣和圍護結構表面的溫度響應特性。由圖8可知,室外溫度在29.8 ℃～35.9 ℃波動時,窗戶表面溫度逐漸上升到30 ℃左右,而地板和東西墻面溫差較小,在系統運行80 min后,其溫度基本穩定在26 ℃左右。由圖9可知,在1、1.5、2 m高度方向上存在溫度梯度分布,0.5 m高度處的溫度因受地面輻射換熱影響而略低于1 m高度處的溫度。

圖8 窗面地板墻面溫度分布

圖9 室內空氣溫度梯度分布

圖10和圖11分別為實驗房間毛細管附近絕熱層處和冷吊頂下表面溫度響應特性。

圖10 毛細管附近絕熱層處溫度分布

圖11 吊頂下表面溫度分布

由圖10可知,各個測點溫度隨著供回水溫度變化而規律波動,其中F和B測點(靠近毛細管進水口側)的溫度比E和A測點略低；B和A測點溫度較F和E略高,主要是因為靠近窗戶受室外工況干擾的原因。由圖11可知,冷吊頂上對稱布置的3個測點溫差較小,主要是因為吊頂附近空氣對流換熱影響較大。

2.2 輻射供冷加新風系統測試

新風可以承擔室內的濕負荷,降低室內空氣濕度。本次實驗新風機組開啟時,設定毛細管回水溫度為18 ℃。

圖12為吊頂下表面溫度和毛細管供回水溫度測試結果,圖13為新風出風口溫度和地源熱泵機組冷凍水供回水溫度變化測試結果。

圖12 吊頂下表面和毛細管供回水溫度分布

圖13 新風干濕球溫度值

由圖12可知,F和E吊頂測定溫度由于靠近新風出風口,溫度比D測點高。由圖13可知，新風機組開機100 min后,新風出風口溫度值17.5～21.5 ℃范圍內波動,濕球溫度值在16.3～20.4 ℃范圍內波動。另外，實驗結果表明，在開新風的情況下,毛細管管壁未出現結露現象。

圖14和圖15為測得的房間維護結構和室內空氣溫度梯度分布曲線。

圖14 地面地板窗戶溫度分布

圖15 室內空氣溫度梯度分布曲線

圖14可知,窗面溫度受室外溫度影響有一定波動,地面以及東西墻面溫差很小。由圖15可知，室內高度方向上溫差很小,白天室內平均溫度維持在24.6°左右,600 min以后溫度值維持在24 ℃左右。測試結果表明,開新風的情況下,室內空氣溫度和壁面溫度非常接近。

3 結論

(1) 毛細管單獨供冷,室內溫度負荷能達到設計要求,但室溫隨供水溫度變化具有較大的滯后性,且室內濕度較大。受冷熱空氣對流影響,室內不同高度方向上存在溫度梯度分布。回水溫度設定為16 ℃時,毛細管管壁大量結露,回水溫度設定為18 ℃時,只有進

水口附近出現少量結露。

(2) 毛細管加獨立新風聯合供冷,設定毛細管回水溫度為18 ℃時,系統連續運行12 h,毛細管表面未出現結露現象。當室外溫度在29.8～35 ℃波動時,系統運行穩定后,實驗房間室內溫度可以維持在24～25 ℃范圍內。

(3) 實驗過程中發現,無論是毛細管輻射供冷系統，還是獨立新風系統,當室內冷濕負荷較小時,地源熱泵機組或空氣源熱泵機組由于供水溫度過低容易引起機組的頻繁啟停,造成供回水溫度及室內溫度波動,造成不必要的能量浪費,影響機組的使用壽命。

References)

[1] 狄洪發,王偉,江億,葛慶昆.輻射吊頂的實驗研究[J].暖通空調,2000,30(4):5-8.

[2] 于志浩，金梧鳳，劉艷超.毛細管網吊頂輻射空調與新風耦合的性能研究[J].綠色科技,2013,11(11):253-257.

[3] Li Qingqing,Chao Chen. Experiment Study of Radiant Ceiling Cooling System Combined with Fresh-air Cooling System[C] //Electric Technology and Civil Engineering. 2011 International Conference Lushan:IEEE,2011:3138-3141.

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[5] Chiang Weihwa,Huang Jiansheng,Huang Yenhsiang. Effect of Inlet Water Temperature and Flow Rate on Cooling Effciency of a Radiant Ceiling System in Taiwan[C] //Energy and Sustainable Development:Issues and Strategies.2010 Proceedings of the International Conference Chiang Mai:IEEE,2010:1-10.

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[7] 何婧,沈晉明,壽青云,等.獨立新風與輻射供冷系統防結露問題探討[J].暖通空調,2008,38(6):159-162.

[8] 傅允準,蔡穎玲,姜小敏.地源熱泵和毛細管吊頂輻射采暖系統啟動過程聯合供熱特性試驗研究[J].制冷與空調,2010,38(12):49-53.

[9] 孟召賢,余躍進,周蓓.地源熱泵和毛細管網輻射系統在別墅中聯合應用的探討[J].制冷與空調,2009,23(5):102-104.

[10] 陶紅髓,翁文兵,劉峰毛細管輻射空調系統簡介及設計要點分析[J].建筑節能,2009,9(37):29-31.

[11] 金梧鳳,余銘錫,金光禹.毛細管網系統供冷性能的實驗研究[J].暖通空調,2010,40(9):102-106.

[12] Miriel J, Serres L,Trombe A. Radiant ceiling panel heating-coling systems:experimental and simulated studyof the performances,thermal comfort and energy consumptions[J].Applied Thermal Engineering,2002,22(16):1861-1873.

Cooling performance experimental study of capillary radiation and dedicated outdoor air system

Liu Qianlong, Fu Yunzhun

(School of Mechanical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620, China)

The experimental platform of the capillary radiation cooling and dedicated outdoor air system is built. In the condition of the capillary alone radiant cooling, the indoor and envelope temperature response of the experimental room is tested. Further, under continuous operating the capillary radiation cooling and dedicated outdoor air system, the distribution uniformity and response characteristic of the indoor air temperature and humidity are tested. The experimental results show that when the return water temperature is set to 18 ℃,in the condition of capillary cooling alone,there is a small amount of condensation in the shell of the capillary and temperature gradient in the vertical direction of the interior; then capillary radiation cooling combined with an dedicated outdoor air, the condensation phenomenon dose not happen in the shell of the capillary, and the indoor air temperature and humidity can meet the heat and moisture load requirements of the experimental room. The capillary radiation cooling and dedicated outdoor air system has a good comfort.

capillary radiation cooling; dedicated outdoor air; temperature response; temperature gradient; condensation

2014- 11- 05 修改日期：2014- 12- 31

上海工程技術大學“十二”五內涵建設項目(nhky-2012-05)；上海工程技術大學學科內涵建設與發展項目(14XKCZ12)

劉前龍(1988—)，男，安徽阜陽，碩士研究生，主要從事溫濕度獨立空調系統研究

E-mail：liuming2049@163.com

傅允準(1978—)，男，浙江平陽，博士，副教授，研究方向為熱泵技術及建筑節能.

E-mail：Fuyunzhun@126.com

TU831.3

A

1002-4956(2015)7- 0058- 05