重力循環柜的供熱性能及室內熱環境實測研究

葛玉簫 梁珍 于英娜

1 東華大學環境與工程學院

2 昆山KST 空調技術有限公司

0 引言

目前，在我國建筑暖通空調系統中，冬季供熱一般采用對流式風機盤管末端和輻射式換熱末端。對于對流式供暖，存在明顯的噪音和氣流擾動，熱響應較快。對于輻射式供暖，是一種衛生和舒適條件較好的暖方式[1]。據此本文研究的重點是毛細管重力循環柜，該設備能夠實現自然對流循環供暖及外輻射板供暖，具備對流供暖和輻射供暖雙重功能[2]。

毛細管重力循環設備作為毛細管輻射系統的一部分，是毛細管網一種新的應用，主要依靠自然對流與室內環境換熱[3]。該設備簡易且集成度高，作為一種典型換熱設備，已有文獻對重力循環柜進行了夏季供冷除濕方面的研究[4]，然而對重力循環柜的供熱性能研究較少，因此本文主要針對該設備的供熱工況進行實測與分析，為設備的推廣奠定研究基礎。本文實驗測試地區選擇在江蘇昆山，屬于夏熱冬冷氣候，測試月份選擇12 月份，為供暖季節。

1 設備的構造及原理

1.1 重力循環柜設備的構造

測試房間中重力循環柜尺寸為2.1 m（高度）×1.1 m（寬度）×0.2 m（厚度），內部換熱部分是由垂直分布的5 排毛細管組成，每排150 根，毛細管材料為外徑4.3 mm，厚度0.8 mm 的PP 管，管道布局為異程下供上回的送回水方式，單管長為180 mm，管間距為5.7 mm，毛細管中流動的介質為熱水，重力循環柜設備的實物圖如圖1 所示。

圖1 重力循環柜實物圖

1.2 重力循環柜運行原理

重力循環柜與室內環境換熱的原理是將懸掛毛細管網置于特殊制作的柜殼中，外表面為鋁板，其他板面做保溫處理，對外面板上下開風口，依靠柜內空氣與室內空氣的密度差，在房間與柜之間形成僅依靠熱壓作用的空氣自然對流循環，達到需求室溫的目的[5]，其自然循環過程中的氣流組織如圖2 所示。

如圖2 所示，即為重力循環柜與室內環境換熱供暖的流程，熱泵提供40～45 ℃熱水，經過分集水器供入到重力循環柜，運行過程中，房間下部低溫空氣經由柜下部進口進入，經過毛細管網換熱形成熱空氣，從柜體的上部出口排出，集聚在房間上部并向下擠壓，與熱源進行換熱，繼而從房間下部進入重力循環柜完成循環過程，其中，外柜面因受柜內熱空氣導熱，對室內環境具備一定的輻射熱[6]。

圖2 冬季重力循環柜運行圖

2 實測方法及儀器

2.1 實驗方法

實驗系統采用Smart aero1 空氣源熱泵來運行重力循環柜，熱泵通過混水中心得到合適溫度的水，供水管道上裝設閥門來控制水流量，從而進一步來滿足室內工況需求。重力循環柜冬季一般供入高溫熱水40～45 ℃，實測過程中，選用40 ℃、42 ℃、44 ℃三種供水溫度，3 L/min、4 L/min、5 L/min 三種供水流量，來探討合適的供水溫度與供水流量，以及這些變量對室內環境的影響程度，從而達到熱舒適目的，實驗測試原理如圖3 所示。

圖3 實驗測試原理圖

2.2 測量儀器

室內溫度測試采用Agilent 34970A 型數據采集儀，并使用多個T 型熱電偶對室內測點同時進行測溫。毛細管壁面溫度采用紅外線溫度計，這主要因為毛細管外徑較小，不適合熱電偶測溫。風口風速的測試采用AR866A 型風速測量儀，主要對重力循環柜上下開口處進行風速測量。供水流量的調節以及測定采用LZB-7 型轉子流量計，量程為0～7 L/min。

為了保證實驗測試數據的準確度，在儀器測量之前，需進行儀器標定，對于熱電偶，是采用恒溫水槽和標準水銀溫度計對熱電偶進行標定，根據標定結果采用最小二乘法曲線擬合出測量值與實際值間的函數關系式，并進行校驗調整。

2.3 測點布置

選取的測試房間尺寸為6.8 m（長度）×3.6 m（寬度）×2.8 m（高度），外窗尺寸為0.7 m（寬度）×1.75 m（高度），房間的圍護結構保溫性能良好。實驗過程中，需要測量的數據包括：供回水溫度、進出口風速、供水流量、室內環境溫度。

考慮到重力循環柜置換送風的功能，室內溫濕度的測點布置如圖4 所示，選擇高度為0.1 m，1.1 m 和1.7 m 的截面為測試截面，每個截面選取9 個點作為測點，共布置27 個測點。通常Z=0.1 m 截面為人體腳踝位置，Z=1.1 m 截面為人體在辦公、學習、休息等靜坐時人體頭部的位置，Z=1.7 m 截面為人體在走路、運動等站立時人體頭部的位置。

圖4 室內測點圖

3 供熱量的計算

3.1 輻射供熱量

重力循環柜的輻射供熱主要來源于外輻射板，輻射板輻射供熱量可用式（1）和式（2）確定[7]。

式中：qr為每平米重力循環柜輻射板換熱量，W/m2；AUST 為室內非供熱表面的加權平均溫度，℃；Tp為外輻射板表面的平均溫度，℃；s 為重力循環柜外輻射板面積，m2；Qr為重力循環柜輻射供熱量，W。

3.2 總供熱量

重力循環柜的供熱量主要由兩部分組成，一部分是供熱量是由外輻射板產生的熱量。另一部分供熱量是由上部出風口對流產生的熱量。總供熱量可利用冷熱量平衡的原理，測量出重力循環柜的進出口水溫度和流量，便可計算出重力循環柜的總供熱量，總供熱量可用式（3）確定[8]。

式中：Q 為重力循環柜供熱量，W；L 為供水水流量，m3/s；c 為水的比熱容，J/(kg·℃)；ρ 為水的密度，kg/m3；tin為毛細管供水溫度，℃；tout為毛細管回水溫度，℃。

4 實測數據分析

4.1 毛細管壁溫升情況

在毛細管壁溫隨供水流量變化的測定過程中，選取高度上每間隔250 mm 的測點確定測溫點，設定供水溫度為42 ℃，得出如圖5 所示的冬季工況下3 L/min、4 L/min、5 L/min 三種不同水流量下的毛細管壁溫分布情況。

圖5 毛細壁溫分布情況

從圖5 可以看出，毛細管壁溫在三種不同供水流量下存在溫度差異，毛細管壁溫隨著毛細管高度的提升而下降，高度越高，壁溫差異逐漸顯現，流量越大，壁溫隨高度變化的斜率絕對值越小。當重力循環柜供水流量從3 L/min 上升到4 L/min、5 L/min 時，相應的供回水溫差從5.8 ℃下降到4.8 ℃、3.9 ℃。

根據圖5 及相關測試數據，得出如表1 的冬季工況下重力循環柜的供水流量與供回水溫差關系表。

表1 毛細管供水流量與供回水溫差關系表

在毛細管壁溫隨供水溫度變化的測定過程中，選取高度上每間隔250 mm 的測點確定測溫點，設定供水流量為4 L/min，得出如圖6 所示的冬季工況下40 ℃、42 ℃、44 ℃三種不同供水溫度下的毛細管壁溫分布情況。

圖6 毛細管壁溫隨供水溫度變化

從圖6 可以看出，毛細管壁溫在三種不同供水溫度下變化趨勢相同，且相同高度的管壁溫差在2 ℃左右，這主要是因為供水流量的設定值相同，故而毛細管供回水的溫差值相似，差異不太明顯。當重力循環柜供水溫度從40 ℃上升到42 ℃、44 ℃時，相應的回水溫度從35.2 ℃上升到37.3 ℃、39.2 ℃。

4.2 室內測點溫度分布情況

測試時冬季室外溫度為6.7 ℃，通過三個不同截面高度的測點溫度數據分析，得出如圖7 所示的室內不同高度的測點溫度分布。

圖7 室內測點溫度分布

從圖7 可以看出，室內溫度不低于19 ℃，測點之間溫度相差不大，水平截面的溫度分布較為均勻，但垂直截面的溫度分層現象明顯。另外，可以看到靠近重力柜附近的7、8、9 測點溫度較高，且不同截面高度間溫差較大，最大溫差值大于3 ℃，可能會對人體帶來熱感覺的不舒適[9]，這是因為這些測點靠近重力柜，上部送風口吹出的熱空氣密度較小，聚集在房間上部，進而向房間底部沉降，使得重力柜附近的上部區域溫度與下部區域溫度存在溫度差值。

4.3 柜進出口參數分析

使用熱線風速儀對重力循環柜進出口進行風速和溫度測量，在數據測量過程中，測點的選取是在風口均勻取5 個點，并通過測量各點數值點求平均值的方法求取實測風速和溫度值，得出如圖8 所示的風口附近溫度和風速分布情況。

圖8 柜進出口附近溫度和速度分布

從圖8 可以看出，對于速度分布，重力循環柜出風口風速一般大于進風口風速，出風口風速衰減較慢于進風口風速衰減的速度，可知重力循環柜出風口帶來的氣流擾動大于進風口帶來的氣流擾動，同時，可以看出進出口的風速范圍在0.2～0.5 m/s 之間，風速擾動范圍較小。對于溫度分布，重力循環柜的進出風口溫度存在較大差值，這是因為溫差是重力柜柜內空氣流動的動力源，使得重力柜與室內環境產生聯系。隨著離柜距離的增加，進出口截面高度之間的溫差減小，并保持穩定。

4.4 供熱性能

重力循環柜的供熱量主要由兩部分組成，一部分是外部輻射板受到內部空氣傳熱影響，具備一定的輻射供熱量。另一部分供熱是由送風口送出的熱風，對流產生的熱量。使用紅外線測溫儀測試重力柜外輻射板表面溫度，便可計算出輻射板供熱量。使用專用儀器測量出重力柜進出口溫度和流量，便可以通過計算得出重力柜的換熱量。通過外輻射板輻射供熱量與重力柜總供熱量對比，得出如圖9 所示的重力柜輻射供熱占比圖。

從圖9 可以看出，在冬季工況下，供水溫度越高，重力循環柜的總供熱量和輻射供熱量越高，但輻射供熱占比情況大致相同，三種供水溫度下的重力柜輻射供熱占比分別為10.6%、10.5%、10.4%。當供水溫度在40～44 ℃范圍時，輻射供熱量在120～140 W 之間，總供熱量在1000～1700 W 之間，輻射供熱量約占總供熱量的10%左右，剩下供熱量主要由出口對流供熱提供。

圖9 重力柜輻射供熱占比

4.5 室內外熱濕環境變化情況

通過對冬季工況下的測試房間室內外溫濕度測試，得到如圖10 和如圖11 所示的室內外溫濕度隨時刻變化情況。

圖10 室內外溫度隨時刻變化圖

圖11 室內外相對濕度隨時刻變化圖

由圖10、11 所示為冬季室內外溫濕度變化圖，由圖中的變化可以看出：室內熱濕響應于45 min 左右達到平衡，25～45 min 之間熱濕響應速度最快，45 min 后熱濕響應曲線趨于平緩。對于室內環境溫度，由于重力柜冬季供暖的功能，使得室內的溫度經過熱響應后，溫度升高明顯，趨于穩定在19～24 ℃范圍內。對于室內環境相對濕度，室內相對濕度受室外相對濕度影響較大，受重力柜供暖的影響，室內的相對濕度穩定在30%～50%范圍內，且低于室外的相對濕度。

5 結論

本文針對冬季工況下重力循環柜的運行性能進行實驗測試，選取江蘇昆山作為夏熱冬冷氣候的代表城市，通過儀器測試溫度、濕度、風速等參數，得出以下相關結論：

1）毛細管壁溫隨高度的變化接近線性關系，不同供水流量下壁溫存在溫差，供水流量越大，壁溫隨高度變化的斜率絕對值越小。不同供水溫度下毛細管壁溫隨高度的變化趨勢相同，供水的溫度越高，回水的溫度越高。

2）通過重力循環柜的外輻射板輻射以及送風口上送熱風，使得房間內水平截面的溫度分布較為均勻，垂直截面的溫度分層現象明顯。其中，重力循環柜附近測點不同截面高度的溫差較大，可能會引起人體熱感覺的不舒適。

3）重力循環柜出風口帶來的氣流擾動大于進風口帶來的氣流擾動，且風速范圍在0.2～0.5 m/s 之間。重力循環柜的進出風口溫差較大，隨著離柜距離的增加，進出口截面高度之間的溫差減小。

4）冬季工況下，當供水溫度在40～44 ℃時，重力循環柜的輻射供熱量在120～140 W 之間，總供熱量在1000～1700 W 之間，輻射供熱占比10%左右。

5）房間熱濕響應時間約為45 min，熱濕響應過程中，室內溫度升高明顯，穩定在19～24 ℃范圍內，室內相對濕度降低明顯，穩定在30%～50%范圍內。