吊裝石墨輻射板熱性能實驗研究及舒適性評價

周婉茹 任豪 袁濤 李禹 劉靖

1 河南理工大學土木工程學院

2 中國建筑科學研究院有限公司

3 江蘇碳元綠色建筑科技有限公司

輻射板供冷（暖）系統在提高室內空氣質量和節能方面獨具優勢，目前國內外對輻射板的研究集中于對輻射板換熱[1-4]及熱舒適性[5-8]影響因素，新型輻射裝置[8-9]的探究。石墨輻射板作為新型的空調末端裝置，勻熱性好、輻射能力強，能夠有效節能并減少安裝面積。但石墨輻射板的應用仍采用估算指標，沒有準確的熱性能參數，容易導致安裝面積過大的問題，這與其節能性及舒適性的理念背道而馳。本文以石墨輻射板為研究對象，在以《輻射供冷及供暖裝置熱性能測試方法JG/T403-2013》搭建的實驗平臺上，按照國家標準測試要求對吊裝石墨輻射板進行夏季供冷和冬季供暖的實驗測試。根據實驗數據對其舒適性及熱工性能進行分析，為石墨輻射板的可持續推廣應用提供數據指導。

1 實驗方案

石墨輻射板的實物圖如圖1 所示，石墨輻射板內部U 型管道材料為銅，外部包裹材料是均熱性好、輻射性能強的石墨層，銅管內部換熱工質采用低溫水。單塊石墨板規格為1220 mm×390 mm，石墨板內部U型金屬管內徑9.5 mm。輻射供冷及供暖末端主要由石墨輻射板和上下模擬結構板組成，通過下部模擬結構板向室內輻射冷量或熱量，達到向房間內供冷或供暖的目的。

圖1 石墨輻射板實物圖

本實驗以16 塊石墨輻射板作為測試對象，采用吊頂安裝方式，進行石墨輻射板的熱工性能實驗。石墨輻射板采用10 mm 普通塑料管連接，每4 塊單板串聯為一組，組與組之間以同程式并聯連接，布置方案如圖2 所示。

圖2 石墨輻射板連接安裝示意圖

石墨輻射板的測試實驗平臺是以《輻射供冷及供暖裝置熱性能測試方法JG/T403-2013》搭建的實驗平臺，位于常州市。該輻射板實驗平臺的測試系統主要由內外小室、冷卻壁面的溫度處理裝置、供給測試樣品能量的冷（熱）媒循環系統和控制用儀表組成。其中外室尺寸為5.2 m×5.2 m×4 m（長×寬×高），其頂板和底板依托建筑的頂面和底面結構（層高4 m），四周圍護結構均采用100 mm 厚的雙面彩鋼聚氨酯板，在其中一面安裝保溫密封門并在門上設置雙層玻璃觀察窗。內室尺寸為4.2 m×4.2 m×3 m，是由304 不銹鋼搭建的金屬閉式小室，門的位置與聚氨酯外室保溫密封門位置相對應，外室和內室之間構成夾層，如圖3 所示。夾層中每個側面，金屬小室每個內壁面中心，金屬小室內豎直中軸線上以及輻射板表面，上下模擬結構板表面都布置有相應的溫度測點，以便實時監測溫度調整工況以及進行熱工計算及熱舒適性分析。實驗測試精度按照JG/T403-2013 要求，壁面溫度波動范圍為±0.5 ℃，相對濕度波動范圍為±5%，供冷基準點溫度與其平均值之間波動范圍為±0.1℃，供水溫度波動范圍為±0.2℃，不同工況間供冷基準點溫度波動范圍為±1 K，不同工況間質量流量波動范圍為±1%。

圖3 輻射裝置測試系統立面圖

2 實驗原理

2.1 單位面積供冷量的測量計算

通過測量流過測試樣品的冷（熱）媒質量流量和測試樣品進出口焓差來確定的。該系統的冷（熱）媒工質為水，由輻射供冷及供暖裝置的水系統提供。單位面積供冷量q 的計算公式如下：

式中：S 為石墨輻射板的投影面積，m2；Q 為石墨輻射板總的供冷(熱)量，W。

石墨輻射板總的供冷（熱）量為：

式中：G 為換熱工質水的流量，kg/h；h1為低溫水的進口比焓，kJ/kg；h2為低溫水的出口比焓，kJ/kg；ps為標準大氣壓，取101.3 kPa；p 為實測大氣壓，kPa。

低溫水的進出口比焓的計算以低溫水進出口溫度t1、t2為依據，采用式（3）進行計算：

2.2 反向傳熱量的計算

吊裝輻射板的總傳熱量包括頂部和底部的傳熱量，反向傳熱量是輻射供冷及供暖裝置損失的熱量，反向傳熱量不宜過大，一般占供冷量的10%～20%，反向傳熱量占比過大會導致供暖或供冷效率的降低。反向傳熱量Qr計算公式如下：

式中：tn為模擬結構板內表面平均溫度，℃；tw為模擬結構板外表面平均溫度，℃；R 為模擬結構板熱阻，(m2·K)/W；S 為石墨輻射板的投影面積，m2。

2.3 標準特征公式的擬合

通過測試樣品的供冷（熱）量和過余溫度有關的參數，建立測試樣品供冷（熱）量的標準特征公式。供冷（熱）量特征公式的確定至少要在過余溫度分別在15.5 K±2.0 K，19.5 K±1.0 K 和28.5 K±2.0 K 三個工況測試的基礎上進行。供冷（熱）量特征公式的確定至少要在過余溫度分別為11.0 K±2.0 K，8.5±1.0 K 和6.5 K±2.0 K 三個工況測試下基礎上確定。

供冷量標準特征公式：

供熱量標準特征公式：

式中：Qsc為測試樣品標準供冷量，W；Qsh為測試樣品標準供熱量，W；KM、n 是常數，通過最小二乘法求得；ΔT 為過余溫度，K。

過余溫度計算公式如下：

式中：tr為室內基準點溫度，℃。

3 實驗結果

3.1 室內溫度分布

圖4～5 顯示了采用石墨輻射板時制冷工況及供暖工況下的室內溫度分布。供水溫度為15～20 ℃的六種制冷工況下，距地面高度0.1～1.7 m 之間的最大垂直溫差為2 ℃，溫度先升高再降低，在1.5 m 附近溫度上升幅度最大，但差值小于2 ℃。供水溫度為36～40 ℃、47 ℃、48 ℃、49 ℃的六種供暖工況下，距地面高度0.1～1.7 m 之間的最大垂直溫差為1.17 ℃，溫度先降低再升高，同樣在1.5 m 附近溫度上升幅度最大，但差值小于1.2 ℃。室內垂直溫度測點可以反映溫度的分層問題，感知溫差過大會引起人體的不適，特別是頭部上下的溫差不適感最強。石墨輻射板供冷（熱）的垂直溫差均小于標準規定值3 ℃，負荷人體熱舒適指標。

圖4 制冷工況室內溫度垂直分布圖

圖5 供暖工況室內溫度垂直分布圖

3.2 房間圍護結構內表面溫度，黑球溫度與空氣溫度的關系

制冷工況下，室內基準點空氣溫度與圍護結構內表面溫度差值為1.9～3.6 ℃，黑球溫度與空氣溫度溫差為0～0.08 ℃，而與圍護結構內表面溫差為2.0～3.6 ℃。供暖工況下，室內基準點空氣溫度與圍護結構內表面溫度差值為2.1～4.7 ℃，黑球溫度與空氣溫度的溫差為0.4～0.8 ℃，而與圍護結構內表面的溫差為2.7～5.5 ℃。溫度差值均處在建筑熱工對房間熱舒適性要求的范圍之內，黑球溫度與空氣溫度的差值小于黑球溫度與圍護結構內表面溫度的差值，表明使用石墨輻射板供冷（暖）時人體受到圍護結構冷輻射的影響較小[8]，如圖6 所示。

圖6 圍護結構內表面溫度，黑球溫度與空氣溫度

3.3 輻射板單位面積供冷/暖量與過余溫度的關系

過余溫度指進出水口溫度的均值與室內基準點溫度的差值，單位面積的供冷量或供暖量都隨過余溫度的增大而增大。本實驗研究的石墨輻射板在標準的制冷工況下，單位面積制冷量為67.84 W。標準供暖工況下，單位面積供暖量為162.99 W。根據數據進行擬合公式計算，得出單位面積的供冷量與過余溫度呈現出y=8.28342x0.98224的特征公式。單位面積的供暖量與過余溫度呈現出y=2.99315x1.23497的特征公式，均具有較好的相關性（圖7）。

圖7 輻射板單位面積供冷/暖量與過余溫度的關系

3.4 供水溫度對石墨輻射板換熱性能的影響

圖8 顯示了供水溫度從15 ℃升高至20 ℃時，輻射板表面溫度場和輻射板單位面積制冷量的擬合曲線圖。圖中可以清晰看出供水溫度20 ℃與15 ℃相比，輻射板表面溫度上升幅度為2.61 ℃，輻射板表面極差（輻射板表面溫度與供水溫度的差值）則由4.8 ℃下降到2.5 ℃。根據輻射供冷公式計算單位面積供冷量可得，供水溫度為15 ℃時比供水溫度為20 ℃時石墨輻射板的單位面積供冷量增大了32.61 W/m2。圖9 顯示了供水溫度從36 ℃升高至50 ℃時，輻射板表面溫度場和輻射板單位面積供暖量的擬合曲線圖。圖中可以清晰看出供水溫度50 ℃與36 ℃相比，輻射板表面溫度上升幅度為9.29 ℃，輻射板表面極差（輻射板表面溫度與供水溫度的差值）則由7.6 ℃上升到11.4 ℃。根據輻射供冷公式計算可得，供水溫度為50 ℃時比供水溫度為36 ℃時石墨輻射板的單位面積供暖量增大了84.51 W/m2。可見供水溫度對石墨輻射板單位面積供冷（暖）量的影響相當大，石墨輻射板單位面積供冷量隨供水溫度的減小而增大，石墨輻射板單位面積供暖量隨供水溫度的增大而增大。

圖8 制冷工況輻射板表面溫度分布

圖9 供暖工況輻射板表面溫度分布

4 結論

1）室內垂直溫度曲線表明，在垂直方向上溫度與高度并不呈現正相關關系，采用石墨輻射板供冷（暖）可以滿足室內溫度分層的人體熱舒適指標。

2）黑球溫度與空氣溫度的差值小于黑球溫度與圍護結構內表面溫度的差值，表明石墨輻射板供暖時人體受到圍護結構冷輻射的影響較小，且溫度差值均符合建筑熱工對房間熱舒適性要求。

3）供水溫度對石墨輻射板單位面積供冷（暖）量的影響很大，供暖工況供水溫度36 ℃到50 ℃，單位面積供暖量相差84.51W/m2。供冷工況供水溫度20 ℃到15 ℃，單位面積供冷量增大了32.61 W/m2。

4）石墨輻射板單位面積的供冷（暖）量與過余溫度呈現正相關關系，單位面積的供冷量與過余溫度符合y=8.28342x0.98224的特征公式。單位面積的供暖量與過余溫度符合y=2.99315x1.23497的特征公式。