毛細管重力循環柜供冷房間的室內熱環境試驗研究

李詩琪，梁 珍，于英娜

(1.東華大學 a.環境科學與工程學院，b.暖通空調研究所，上海 201620；2.昆山開思拓空調技術有限公司，江蘇 蘇州 215300)

據統計，全球每年的空調用電量約占總用電量的10% ，就我國而言,平均每100戶的空調數量已高達115.6臺，這帶來了電力資源的巨大消耗[1]。毛細管輻射空調作為溫濕度獨立控制系統，其工作時輻射換熱占50%以上[2]。在保證相同熱舒適的條件下，毛細管輻射空調室內設計溫度雖比傳統吹風式高2.0～3.0 ℃[3]，但其利用高溫冷凍水，可有效節能，此外由于夏季供水溫度受到露點溫度的制約，其有結露風險，需要引入新風除濕[4]。

1 毛細管重力循環柜及其研究現狀

毛細管重力循環柜(簡稱重力循環柜)是毛細管的一種新型應用設備，其采用低溫冷水，內部有凝水盤，集除濕、制冷、制熱功能于一體[5]，使用時可開窗通風或者搭配最小通風量的通風系統，減少了風機能耗[6]。另外，相比傳統式一次或二次回風的中央空調，重力循環柜可防止不同空間的交叉感染，適合在特殊時期使用。

試驗的重力循環柜實物圖如圖1所示。由圖1可知，這種重力循環柜是將5排外徑為4.30 mm、單管長為2.00 m的毛細管網集成在尺寸為200 mm×1 100 mm×2 600 mm(即深×長×高，尺寸也可以隨用戶需求進行調整)的金屬鋁柜中，上下風口之間設置外輻射板并做內保溫，其余板面也進行內保溫，管網下方設置冷凝水集水盤。重力循環柜自然循環原理如圖2所示。由圖2可知，重力循環柜供冷時，空氣在自然循環作用下，出風口在下，回風口在上，冷凍水在毛細管中則采用下供上回的方向，與空氣自然對流方向相反[7]。

目前，國內外學者已經對重力循環柜的系統特性進行一系列研究。關于重力循環柜影響因素，Hazami等[8]研究重力循環式空調的水量、水溫對對流換熱系數的影響。關于重力循環柜的自然對流屬性，馬國彬等[9]對一種重力循環式空調進行數值模擬，這種空調工作原理是將室內空氣通過表冷器冷卻，并利用自重作用，使其沿管道間下降至底部開口流出管道，模擬結果顯示較熱空氣集中在房間上部，水平面溫度分布比較均勻。關于重力柜的優化:李翠敏等[10]對實驗室及現場進行測量，重力循環柜在密閉性更好的實驗室內供熱時，0.05～1.50 m高度區間的豎向溫差小于2.0 ℃，滲風作用對溫度場影響較大;Li等[11]設計毛細管重力循環柜的毛細管間距、上下風口尺寸、供回水方向等柜體細節，重力循環柜的物理尺寸基本成形。在重力循環柜的實測研究中:金梧鳳等[12]測試對比供冷工況時重力循環柜與分體式空調運行的特性，表明重力循環柜的循環水泵和控制閥的開/關次數少于分體式空調器的開/關次數，室內溫度更加平穩；谷德軍等[13]對比重力循環柜單獨運行和聯合吊頂輻射板運行的制冷量，表明聯合運行時重力循環柜制冷量占比更高；陳慧等[14]研究重力循環柜與頂板輻射系統聯合運行時重力循環柜的換熱、除濕經濟性最佳工況。在重力循環柜的數學計算方面:為了便于實際應用，韓東太等[15]擬合出毛細管單位傳熱面積、空氣體積流量的計算式，但并未考慮長時間使用對效率的影響;葛玉簫等[6]給出高濕地區重力循環柜的輻射供冷量、總供冷量、除濕量計算式，但缺乏熱舒適性及節能指標評價。

現有研究主要集中在重力循環柜的系統特性優化與負載量方面，關于其獨立連續運行時房間的溫度、風速分布等情況較少研究，幾乎沒有研究對其性能進行綜合評價。本文采用試驗測量的方法，以上海某辦公室為例，對重力循環柜獨立供冷時的氣流組織特性、熱舒適性展開研究，并進行能耗計算和綜合評價，為重力循環柜的實際應用提供數據支撐。

2 試驗設計

2.1 測試案例參數

本試驗實測目標為上海某辦公室，其長為4.30 m，寬為4.15 m，高為2.60 m，面積為17.90 m2,如圖3所示。辦公室南墻為外墻，其余為內墻，鄰室均為空調房間。測試時房間內僅保留測試人員和被測人員，且無人員進出。測試房間安裝1臺毛細管重力循環柜，供水溫度為10.0 ℃，供水流量為5 L/min，供回水溫差為4.0 ℃，供冷量為1 400 W。

圖3 被測房間測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points in the tested room

2.2 測試過程

測試時間為2020年8月28日至9月10日。溫度測試采用J型熱電偶，并利用安捷倫34970A進行數據采集，測量間隔時間為1 h。根據GB/T 50782—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》選取試驗測點的位置為人體的腳踝、膝蓋以及人體坐姿時和站立時的頭部位置及天花板下0.10 m的位置，即分別為室內距離地面0.10、0.50、1.10、1.70及2.50 m所處的水平面上均勻布置J型熱電偶，先將測試房間水平方向設定A、B、C、D4個測試點，在A、B、C、D等4點位的垂直方向形成4列測試位置，且每列的不同高度(即以上5個高度)處均布置4個測點，測點以及重力循環柜的分布位置如圖4(a)、(b)所示。由圖4可知，A列靠近外窗，C列靠近重力循環柜。試驗共計20個熱電偶測溫點，量程為-40.0～80.0 ℃，測量誤差為-0.5～0.5 ℃。同時采用無線萬向風速儀，量程為0.05～30.00 m/s，精確度為-0.05～0.05 m/s，對房間中心同等高度處采集風速。并在重力循環柜進出口高度的距離柜表面0.10 、0.30 、0.50 、1.50 、2.00 、3.00 、4.00 m處采集風速，以此研究柜的風速特征。風速測點以及重力循環柜的分布位置如圖4(c)、(d)所示。

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points

2.3 評價指標

2.3.1 溫度不均勻系數

根據所測得的各個高度上的測點溫度值，可以得到溫度不均勻系數，當溫度不均勻系數越小時，溫度越均勻。溫度不均勻系數kt定義如式(1)所示。

(1)

(2)

2.3.2 熱舒適性評價指標

熱舒適性指標PMV綜合考慮人體活動狀態、衣物熱阻(衣著情況)、空氣溫濕度、平均輻射溫度、空氣流動速度等5個因素，以滿足人體熱平衡方程為基礎，用于評價絕大多數人的冷暖感覺。根據GB/T 18049—2000《中等熱環境PMV和PPD指數的測定及熱舒適條件的規定》推薦熱舒適要求：夏季從事較輕的、以坐姿為主的活動時，作業溫度(有空調)應為23.0～26.0 ℃，相對濕度應為30%～70%，預測不滿意率PPD≤10% 表示可以接受。如果環境條件處于推薦的舒適限度內，則預估將有80%以上的作業人員將認為這個熱環境條件是可以接受的。《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》規定：Ⅰ級熱舒適度要求為-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%；Ⅱ級熱舒適度要求為-1≤PMV<-0.5或0.5≤PMV<1，PPD≤27%。PMV和PPD的具體計算分別如式(3)和(4)所示。

PMV=(0.303e-0.036M+0.028){(M-W)-3.05×

10-3[573 3-6.99(M-W)-pa]-

0.42[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M·

(586 7-pa)-0.001 4M(34-ta)-3.96×1018·

(3)

(4)

2.3.3 溫度垂直不滿意率

人體局部部位的舒適程度是影響PMV的重要因素，熱舒適標準ISO 7730—2005提出頭部和腳踝的縱向溫差Δta,h是衡量人體局部舒適度的主要條件，Δta,h越小，溫度垂直不滿意率越低，局部舒適度越好。根據標準推薦的式(5)計算溫度垂直不滿意率PD。

(5)

2.3.4 能量利用系數

評價置換通風房間的節能度常使用能量利用系數EUC，其反映人員活動區與非人員活動區域之間熱環境的差異程度[16]。當EUC>1時工作區為節能狀態，EUC值越大，能量利用程度越高，越節省能耗；當EUC<1時,設備不再節省能耗，EUC值越小，能量利用程度越低，耗能越高。EUC的計算如式(6)所示。

(6)

式中：tuz為毛細管重力循環柜回風口溫度，℃；toz為室內人員活動區域即1.70 m高度以下的平均溫度，℃；ts為重力循環柜送風溫度，℃。

3 測試結果與分析

3.1 室內外溫度分析

試驗中連續記錄14 d的室內外平均溫度如圖5所示。由圖5可知，當室外溫度降低2.0 ℃時，室內平均溫度下降0.5 ℃，當室外平均溫度上升3.5 ℃時，室內溫度上升0.5 ℃，室內溫差的波動在1.0 ℃以內。因此，重力循環柜可以在室外環境溫度波動的情況下維持室內溫度相對穩定，平均室溫保持為22.5～24.0 ℃。室外溫度參數來自中國天氣網。

圖5 室內外溫度逐日變化Fig.5 Daily variation of indoor and outdoor temperature

以室外溫度接近平均值的9月5日的數據為例進行詳細分析。當日最高氣溫32.0 ℃，最低氣溫23.0 ℃，室外相對濕度57%，室內平均溫度約23.4 ℃，相對濕度50%。

3.2 室內空氣風速分析

房間中心的平均風速測量結果如圖6所示。距離重力循環柜正面進出口的不同距離點的風速分布如圖7所示。

圖6 房間中心平均風速分布Fig.6 Average wind speed distribution in the center of the room

圖7 離柜進出口不同距離的風速分布Fig.7 Wind speed distribution at different distances from cabinet inlet and outlet

由圖6可知，獨立運行重力循環柜的房間中心風速很低，均低于0.15 m/s，且室內人體頭部位置風速僅為0.03 m/s，避免了傳統吹風式空調以對流為主的不利因素，房間風速穩定，受動態變化的室外環境影響較小。由7可知，重力循環柜送風口風速為0.41 m/s，回風口風速為0.20 m/s，送風口風速大于回風口風速，且送風口前不同距離的風速整體大于回風口前的風速，送風口風速在吹出0.50 m后衰減至0.10 m/s以下。與傳統置換通風房間距離地板0.30 m以內空間流速最高可達0.46 m/s相比[17]，獨立運行重力循環柜的房間流速更低，在距離重力循環柜0.50 m以外不會有吹風感威脅，并且較小的風速避免了室內揚塵，減少了墻體及物品污染。

圖8 z=0.10 m所處平面的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of z=0.1 m plane

圖9 z=1.10 m所處平面的溫度分布Fig.9 Temperature distribution of z=1.1 m plane

3.3 室內空氣溫度分析

3.3.1 水平方向上溫度分布

為了研究室內水平方向上溫度分布情況，以距地面不同高度z進行分析，試驗對z=0.10、1.10 m的兩個高度所處平面上的8個測點的逐時溫度變化進行分析，結果如圖8和圖9所示。

由圖8、9可知，實測得到重力循環柜的送風平均溫度為14.1 ℃，z=0.10 m和z=1.10 m所處平面的平均溫度分別是19.8和24.4 ℃。z=0.10 m所在平面逐時溫度變化不大，z=1.10 m所處平面的溫度從8：00時起隨著室外氣溫升高而升高，在當日17：00時，溫度達到最高值，全天溫度保持為23.0～27.0 ℃，在20：00時以后室溫逐漸降低并趨于穩定。z=0.10 m所處平面各點溫度較z=1.10 m所處的平面更低，體現了重力循環柜在地面上方的蓄冷特征。

由圖8可知，z=0.10 m所處平面最靠近柜的C1點所測的數據與A1、B1、D1相比明顯偏低，其平均溫度僅15.6 ℃。這是由于該點距離重力循環柜出風口最近，直線距離僅1.00 m，受到冷風下沉影響較大，因此需要進一步研究合適的供水溫度。

由圖9可知，z=1.10 m處的平面最靠近柜的C3點所測數據與A3、B3、D3等3點相比明顯偏高。這是由于該測點位于柜送回風口之間的渦流區域，該區域氣流混合不充分，熱量不能很好地被處理而導致溫度偏高。

3.3.2 垂直方向溫度分布

房間垂直方向上的溫度分布也是熱舒適的重要方面，因此對該方向上的溫度分布進行分析，距離重力循環柜進出口不同距離的溫度分布如圖10所示。將各水平面上的4個測點的測量結果求平均值，得到距地面0.10、0.50、1.10、1.70及2.50 m高度水平面上的溫度平均值，如圖11所示。

圖10 距離重力循環柜進出口不同距離的溫度分布Fig.10 Temperature distribution at different distances from the inlet and outlet of gravity circulation cabinet

圖11 高度上的平均溫度分布Fig.11 Distribution of average temperature at height

由圖10可知，重力循環柜進口高度上溫度變化很小，保持在26.8 ℃，其出口高程上溫度由小變大，從14.6 ℃升高到21.7 ℃后再稍有降低，柜出風口前0.50 m距離內溫度較低。

由圖11可知：房間平均溫度保持為22.5～25.4 ℃，在16：00時升高到峰值；z=0.10、0.50、1.10、1.70、2.50 m所處各水平面的日平均溫度分別為19.8、22.5、24.0、24.8、25.4 ℃。白天隨著冷負荷的增大，房間上部的氣溫大大升高，熱量集聚在房間上部，在16：00時，房間上下的溫差達到最大，但工作區氣溫僅有小幅升高；到夜間，各測點氣溫穩定，溫差減小。在重力循環柜獨立運行的房間，溫度隨著高度的增加而增加。空氣在柜內發生對流換熱之后從下風口吹進室內，地面存在低溫的蓄冷現象，室內形成了穩定的溫度梯度，溫度梯度隨高度的增加越來越小，這是由于上部空氣混合更加均勻。z=1.10 m和z=1.70 m所處平面溫度僅相差0.2 ℃，說明人站姿和坐姿的頭部溫差較小。

A列各測溫點逐時溫度測試結果如圖12所示。由圖12可知，z=2.50 m處的平面溫度變化最大，在16：00時達到峰值30.5 ℃。由于A列各測溫點靠近外窗，窗口的日射得熱量較大，熱空氣上升，因此房間熱量匯聚在上部，使得A5點溫度較高，但工作區溫度波動不大，不影響工作區的熱舒適性；當日照得熱逐漸消失，房間溫差回歸穩定值。從地面到1.10 m高度的溫度梯度較大，而從1.10 m到2.50 m高度的溫度梯度較小，房間存在明顯的溫度分層現象，符合置換通風的特點。

圖12 各個高度上的 A 點溫度分布Fig.12 Temperature distribution of point A at different height

3.4 溫度不均勻系數

各個高度的逐時溫度不均勻系數kt計算結果如圖13所示。由圖13可知，z=0.10 m所處的腳踝平面kt最大，z=2.50 m所處的房頂平面在16：00溫度不均勻系數逐漸增加到最大，其余平面kt變化較小。房頂溫度不均勻性的增大對工作區穩定的溫度場沒有影響。由于z=0.10 m所處的腳踝平面有一測點C離柜僅1.00 m間距，重力循環柜有出風口冷風下沉，溫度較低(平均溫度14.6 ℃)，而遠離出風口處溫度較高(平均溫度21.0 ℃)，因此溫度不均勻系數偏大，不建議人體在柜前1.00 m范圍內停留太久。

圖13 溫度不均勻系數Fig.13 Temperature non-uniformity coefficient

3.5 熱舒適性評價

根據z=1.10 m所處的平面在工作時間(8:00-20:00)的平均溫度計算的熱舒適PMV和PPD指標結果如圖14所示。由圖14可知，室內空氣濕度為50%，室內物體平均輻射溫度為25.0 ℃，人體(成年男子)的新陳代謝率為1.0 met，人體做功功率取0，穿著薄褲+短袖襯衫+襪子+鞋子的服裝熱阻為0.57 clo，計算結果得到z=1.10 m所處的平面PMV隨時間逐漸增大，在17:00后逐漸減小，保持為-0.5～0.5，PPD在10%以內，滿足I級熱舒適要求。

圖14 z=1.10 m所處平面的PMV和PPD分布Fig.14 PMV and PPD distribution in z=1.10 m plane

3.6 溫度垂直不滿意率

根據圖11可知，房間內頭部和腳踝的平均豎向溫差Δta,h為4.2 ℃，重力循環柜工作時溫度垂直不滿意率PPD為10.3%，與文獻[18]計算的供冷工況下3種毛細管敷設方式的溫度垂直不滿意率(頂棚輻射為29.0%，墻面輻射為48.0%，地面輻射為64.0%)相比，重力循環柜溫度垂直不滿意率更低。

3.7 節能性評價

實測得毛細管重力循環柜回風口平均溫度為26.0 ℃，室內人員活動區域，即1.70 m高度以下的平均溫度為22.5 ℃，重力循環柜送風溫度為14.1 ℃，EUC計算得1.42。送風溫度為21.0 ℃的側送風系統的能量利用系數EUC為1.26[19],重力循環柜的EUC比其高12.7%，有更高的能量利用率。

4 結 論

(1)重力循環柜多日運行時，能保持房間平均溫度穩定，房間平均溫度為22.5～25.4 ℃。

(2)重力循環柜冷量調節能力好，在室外氣溫發生變化的情況下，滿足I級熱舒適性要求。

(3)室內有溫度分層現象，地面和房頂的日平均溫度分別為19.8和25.4 ℃，溫度梯度隨高度的增加越來越小，工作區溫度不均勻系數較小。人體腳踝處由于重力循環柜的冷風下沉蓄冷特性所以溫度較低，出風口前的地面溫度較低，溫度不均勻系數較大。

(4)重力循環柜夏季送、回風速度分別為0.41和0.20 m/s，送風口較回風口前不同距離的風速整體更大，送風口風速在吹出0.50 m后衰減至0.10 m/s以下，室內整體時均風速低于0.20 m/s，比傳統置換通風房間風速更低。

(5)重力循環柜系統的送風方式類似置換通風，比側送風系統的能量利用系數EUC高12.7%。