某石墨輻射板熱性能實驗測試研究

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

0 引言

輻射板作為一種空調系統的末端裝置，在歐洲、北美、日本等地得到了大面積的推廣和應用，近年來在中國也有很大的發展。輻射供暖相比散熱器供暖，散熱面積擴大，可較均勻地加熱房間空氣。散熱表面溫度降低，減少了對流散熱的比例，符合人體熱舒適要求。熱媒溫度低，可以利用低品位熱源。熱穩定性好，抵抗外界干擾能力強。能與建筑結構實現較好的結合[1]。自從輻射空調與送風技術相結合在一定程度上解決了輻射板冷量與冷凝水問題后[2]，輻射吊頂空調也得以大力推廣。

由于輻射供冷供暖具有以上優點，國內相關產品越來越多，但質量良莠不齊[3]，中國雖然發布了輻射供冷及供暖裝置熱性能測試方法的行業標準[4]，但目前還未有一套完善的標準測試系統裝置，缺乏實測數據。而輻射板的實際應用中，一般采取估算方法來測算輻射板的供冷（暖）量及熱性能相關參數，導致誤差偏大，無法得到其準確的熱性能參數，在某種程度上阻礙了輻射供冷及供暖技術的進一步推廣及新型輻射板的研制與開發。

本文根據中國關于輻射供冷及供暖裝置熱性能測試的標準要求，研制出了新型的測試系統，并對某石墨輻射板以吊頂安裝形式進行了熱性能測試研究，根據實驗結果提出了相應的建議。

1 測試系統組成及原理

輻射供冷及供暖裝置測試系統主要由封閉式小室、冷卻壁面的風系統、測試樣品冷熱媒制備及循環水系統和數據采集、處理及控制系統組成。具體如圖1所示。

圖1 測試系統示意圖

圖2 測試裝置的風系統圖

冷卻壁面的風系統（如圖2 所示）主要由一套空氣處理機組組成，包括直接蒸發段，加熱段和風機段，直接蒸發段與室外的5HP 風冷壓縮冷凝機組相連接，用以初步調節夾層的送風溫度。加熱段用來進一步調節送風溫度。

測試樣品冷熱媒制備及循環水系統（如圖3 所示）由風冷冷水（熱泵）機組、水箱、水泵、稱重裝置等組成，主要為輻射裝置的運行提供冷凍水。通過粗調水箱及精調水箱加熱使供水溫度達到設定值，由于被試設備的水流量較小，因此通過調節平衡閥的開度來調節水流量，管路中設置浮子流量計作為調節流量的參考，為了滿足測試精度要求，采用稱重法進行水流量的測試。

圖3 測試裝置的水系統圖

2 實驗方法

通過開啟冷卻壁面的風系統、冷熱媒制備及循環水系統，設定水箱溫控器溫度，同時開啟水箱內攪拌器，使水箱內水溫達到均勻一致，水箱中設有鉑電阻溫度傳感器以監測水箱中的水溫，在供水管路上安裝管路電加熱以精調供水溫度，將室內溫濕度調節至設定溫度，待金屬小室內壁面溫度、室內空氣溫濕度、輻射板供回水溫度穩定后，采集輻射板供回水溫度、輻射板表面溫度等參數，計算反向傳熱量及輻射板換熱量。

3 輻射板熱性能測試結果及分析

3.1 石墨輻射板及安裝方式

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，測試樣品為16 塊石墨輻射板拼接而成（如圖4），輻射面積為7.6 m2，每4 塊石墨板單元串聯為一組，4 組石墨板再以同程式并聯連接，石墨板之間連接采用10 mm 普通塑料管，供、回水主干管為20 mm 鋁塑管，采用吊頂安裝方式。

圖4 石墨輻射板連接安裝示意圖

3.2 夏季制冷工況測試結果

實驗測試原理參照輻射供冷及供暖裝置熱性能測試方法，供冷量特征公式的確定至少要在過余溫度（樣品進出水平均溫度與基準點空氣溫度的差值）分別為11.0±1.0 K、8.5±1.0 K、6.5±.50 K 三個工況測試的基礎上進行。因此夏季供冷工況測試中，分別選擇7個不同供水溫度，測試過程中房間空氣溫度控制在26±0.1 ℃，房間平均輻射溫度控制在25±0.1 ℃，水的質量流量控制在42.38±10-3kg/s。各個工況下的實驗結果如圖5～8。

圖5 單位面積反向傳熱量隨供水溫度變化

圖6 供冷量隨過余溫度的變化

圖7 單位面積供冷量隨供水溫度變化

圖8 輻射板平均溫度隨供水溫度的變化

在供冷工況下，供水溫度和單位面積供冷量、單位面積反向傳熱量均呈負線性關系，同一供水溫度下，單位面積反向傳熱量越小單位面積供冷量則越大，可根據供水溫度確定所需輻射板的面積。輻射板表面平均溫度與供水溫度呈正線性關系，輻射板表面溫度低于周圍空氣溫度引起結露時，會對家裝帶來衛生、腐蝕等一系列問題，表面溫度是判斷輻射板是否結露的一個關鍵參數。供冷量與過余溫度之間呈冪函數關系，測試得到的供冷量標準特征公式Qsc=83.26202×ΔT0.88662。對于同一款材質的成品來說，特征公式將有效的顯示出環境溫度的變化與換熱量之間的變化關系。

3.3 冬季供暖工況測試結果

供熱量特征公式的確定至少要在過余溫度分別為15.5±2.0 K、19.5±1.0 K、28.5±2.0 K 三個工況測試的基礎上進行。因此冬季供暖工況測試中，分別選擇8 個不同供水溫度，測試過程中房間空氣溫度控制在18±0.1 ℃，房間平均輻射溫度控制在25±0.1 ℃，水的質量流量控制在44.10×10-3kg/s。各個工況下的實驗結果如圖9～12。

圖9 單位面積反向傳熱量隨供水溫度變化

圖10 供熱量與過余溫度的變化

圖11 單位面積供熱量隨供水溫度變化

圖12 輻射板平均溫度隨供水溫度

在供熱工況下，供水溫度與單位面積供熱量、單位面積反向傳熱量、輻射板表面平均溫度均呈正線性關系，同一供水溫度下，單位面積反向傳熱量越大則單位面積供熱量越小，可以根據合適的供水溫度確定所需輻射板的面積。當輻射板表面溫度低于周圍空氣溫度引起結露時，會對家裝帶來衛生、腐蝕等一系列問題，表面溫度是判斷輻射板是否結露的一個關鍵參數。供熱量與過余溫度呈冪函數關系，測試得到的供熱量標準特征公式為Qsh=21.90458×ΔT1.26472，對于同一款材質的成品來說，特征公式將有效的顯示出環境溫度的變化與換熱量之間的變化關系。

4 結論

1）在標準制冷工況下，單位面積供冷量q=71.06 W，當過余溫度ΔT=8.5 K 時，標準單位面積供冷量qc=72.94 W。在標準制熱工況下，單位面積供熱量q=119.54 W，當過余溫度ΔT=19.5 K 時，標準單位面積供熱量qh=123.18 W。

2）實際設計時可以根據實際供水溫度和室內冷負荷，計算石墨板鋪設面積。供熱工況由于供回水平均溫度與室內溫度差增加，因此輻射板換熱能力有所增加，但也應根據房間熱負荷，計算所需的石墨板鋪設面積，對夏季工況計算出來的選型參數進行校核。

3）實際設計過程中，設計師應根據室內負荷計算結果、室內設計溫度、設計水溫三者查詢圖6、圖8、圖10、圖12 計算得出石墨輻射板用量面積，結合建筑形式及裝修要求合理設計石墨輻射板鋪設面積與形式。

4）在輻射板安裝過程中，每4 塊石墨板單元串聯為一組石墨板，在同一石墨板內，單塊石墨板之間采用帶保溫塑料管連接，平均每根塑料管長度達到0.7 m，塑料管存在一定的散熱量，實際計算的單位面積供冷（熱）量包含此部分管路的散熱量。