溝槽充液輻射板蓄冷特性研究

肖凱天，李曌然，鄧美奇，楊繪乾，徐科文，劉冠志

（東北林業大學，哈爾濱 150040）

0 引言

近些年輻射供冷日趨發展，其研究方向也有很多方面，其中能耗特性的研究對于實現我國碳達峰、碳中和是有重要意義的，節能性是輻射供冷空調的一個值得關注的問題，可利用輻射末端的蓄能及削峰填谷作用降低建筑空調系統的尖峰能耗。本實驗系統的蓄冷主要依靠輻射板內部銅管與溝槽間的冷水，在實際工程應用時可結合相變儲能材料或利用建筑結構的蓄能聯合使用。文獻[1]提出了一種集相變材料、微槽道熱管、丙烯酸樹脂輻射制冷板為一體的新型節能墻體，得出了這種結合方法在降低室內溫度方面和減少得熱量方面有較好的節能作用的結論。目前，復合材料在預防潮解的情況下運行，也有望成為建筑內廣泛應用的長期蓄熱材料[2]。很多學者也對輻射板供冷量的影響因素開展研究，如邸宇航等[3]通過實驗研究了供水溫度、供水流量、輻射板表面風量、供水時間對表面換熱量的影響，實驗結果表明，供水溫度與輻射板表面風量對輻射板表面換熱量影響最大。輻射供冷也有很多優勢，在未來有很大的市場前景，文獻[4]研究輻射頂板空調系統得出結論：輻射制冷的冷效應快, 受熱緩慢。在制冷期間圍護結構、地面和環境中的設備表面吸收輻射冷量, 并貯存一部分冷量, 制冷停止后, 這些貯存的冷量開始向周邊環境散發, 還可以保持一定的冷環境。因此對適宜于家用的小型蓄冷空調的需求也應運而生。

綜上所述，隨著國家雙碳政策的提出，節能性已成為輻射供冷的研究熱點，并且改善輻射末端能夠起到有效削峰填谷的作用，進而降低建筑空調系統的尖峰能耗，有利于我國建設環境友好型社會，因為建筑能耗已占社會總能耗的相當一部分比例。本文研究的溝槽式輻射板為懸掛式輻射板，由于人體頭部區域溫度最高，所以頂板輻射供冷比墻面式、地面式有更好的熱舒適性。因此，為進一步研究溝槽充液式輻射板的供冷性能，本文將對該新型輻射板的調峰特性、室內溫度波動等情況開展研究，為該輻射板的推廣上市做準備。

1 輻射供冷的優勢與發展

在當前世界范圍內能源短缺及我國節能減排的形勢下, 空調制冷系統盡可能地采用低能耗方式已是大勢所趨。輻射板供冷系統起源于20世紀70年代的歐洲，供冷輻射板進入國內的市場已經很長一段時間了，其應用類型主要分為毛細管型輻射板、混凝土型輻射板和金屬輻射板。輻射板可與圍護結構相配合，可充分利用室內的頂棚地板墻體，常見的形式有直埋、敷設、懸掛[5]。各種類型的輻射板都有一定的發展，文獻[6]對混凝土輻射地板的蓄釋熱性能做了研究，結果表明：供暖工況的時間常數快于供冷工況,混凝土輻射地板溫度更易趨于穩定。輻射供冷與傳統空調相比，也有很大的優勢。輻射供冷系統的相對優勢主要在于顯著節約能源，據Kurt W. Roth在Energy Saving Potntial中的研究表明，冷卻板/冷梁與專用室外空氣系統結合使用相對于可變風量系統可減少供冷和通風能耗25%～30%?？照{的冷媒主要是比熱容較小的空氣，而輻射供冷的冷媒主要是比熱容較大的水，這樣在吸收相同冷負荷的情況下，輻射供冷需要介質的質量更少，那么從驅動冷媒流動的耗能角度來說，輻射供冷比傳統的空調有很大的優勢。常規的空調系統溫濕度同時處理，一方面在降溫除濕后再加熱的方式能耗較大，另一方面用低溫（一般為7 ℃）的冷凍水除濕，這樣冷凍機的效率會下降，而輻射冷吊頂與新風系統聯合使用能實現溫濕度的獨立控制，解決提高能量消耗解決濕度過高的問題，在節能方面有很大潛力。文獻[7]對天棚輻射板+獨立新風系統進行模擬，結果表明，其具有較高舒適度，變水溫控制可減少結露風險。21世紀以來，除了對結露的除濕要求外，高溫供冷也是學術界重點關心的問題，因為這種系統在降低冷熱源溫度品位方面具有顯著優勢。

2 實驗末端與實驗過程

輻射末端采用溝槽充液式輻射板，如圖2所示，材料為鋁合金，焊接，板長70 cm，寬50 cm，厚6 cm，下表面為向下突出的連續直角肋壁，在輻射板內部形成9個直角溝槽，每個溝槽內部布置一個直徑為6 cm的U型供水銅管，運行時銅管內流動著供水溫度為15～17 ℃的冷水作為冷媒，輻射板溝槽與銅管間也充滿冷水，蓄存冷量，當室內有沖擊冷負荷時，蓄存的冷量得以釋放，可減少室內溫度波動。板間的冷水使輻射板有良好的蓄冷性能，會使換熱銅管與鋁合金輻射板間傳熱效率更高。

圖2 輻射板結構

本實驗系統將北方冬季低溫冷環境的冰塊放在冰盒里作為系統的冷源，不使用冷水機組，符合節能減排的要求，冷源制出的冷水再與輻射板的冷媒通過中間換熱桶（冷水箱）內的銅管進行換熱。本次實驗的研究有一定的實驗基礎，實驗的數據采集設備是Agilent安捷倫34980A，數據實時傳輸至電腦中并被儲存記錄。溫度測量的儀器為PT100熱電阻溫度傳感器,測溫精度為±0.1 ℃。本實驗系統的原理如圖1所示，實驗時，將冰塊放入蓄冰盒中作為系統的冷源，冷源制出的冷水與中間換熱罐內的冷媒進行換熱，具體換熱過程為：設定溫度開關的閾值，當冷水箱與輻射板換熱使溫度高于預定閾值時，溫度開關打開，使系統冷源與冷水箱進行換熱降溫，新型溝槽輻射板安裝在人工氣候小室內，將輸出的數據導入另一個房間的電腦內。

圖1 實驗系統原理圖

3 實驗數據及數據分析

時間常數表示響應變化的快慢，可將它作為輻射板熱慣性大小的衡量尺度，從而分析其調峰特性，輻射板的時間常數可以用公式τ=∑{ciρiδi÷(1÷R+hc+hr)}作參考,式中：ci、ρi、δi分別為輻射板各層材料的比熱、密度、厚度；R為輻射板熱阻；hc為對流換熱系數；hr為長波輻射換熱系數。輻射板上方另附有δ=0.05 m的橡塑絕熱材料，輻射板為單板結構，由厚度為1 mm的合金鋁板焊接而成。

以下對供水流量為0.026 L/s，相對濕度為60%±5%，輻射板進、出口溫度為17.6～19.2 ℃之間的典型工況進行闡述。實驗中用電熱膜將人工實驗間的壁溫加熱至29℃，以此模擬實際房間的得熱量。由于實際房間地板通常不構成熱源，因此沒有進行地板加熱設計。在輻射板表面布置有溫度測點（如圖3），再將數據導入電腦，做出輻射板壁面溫度逐時變化曲線（如圖4），經計算，當溫差變化為0.632ΔT時的時間為820 s，由于輻射板內表面與銅管間充有蓄冷介質，故輻射板壁面溫度變化要比普通金屬輻射板的溫度變化慢，這也是當室內有溫度擾動（如太陽輻射、進出人員）時，室內溫度波動范圍不大的主要原因，有很好的熱舒適性。

圖3 小室內輻射板測點分布情況

對于供冷量的研究，本實驗用溫度傳感器逐時追蹤供回水溫度，輻射板入水口溫度和出水口溫度變化曲線如圖5所示，用公式Q=ρVCp（t2-t1）來計算供冷量，式中：t2為輻射板出水口溫度；t1為輻射板進水口溫度。實驗工況為：供水流量0.026 L/s，相對濕度為60%±5%，輻射板進、出口溫度為17.6～19.2 ℃之間。計算得輻射供冷量為68.4～80.2 W/m2。

圖5 出水口、入水口溫度變化曲線

小室內空氣是否穩定也是評價輻射板供冷的熱舒適性依據之一，為此對小室內空氣溫度波動數據進行逐時追蹤，實驗數據如圖6所示，可以得出結論：小室內空氣溫度波動最終穩定在27.5～28 ℃之間，從圖6可見，在380 s左右小室內空氣溫度進入相對穩定的階段。

圖6 小室內空氣溫度變化曲線

為了考察溝槽式輻射板供冷的蓄冷調峰特性，該輻射板能提供多少蓄冷量也是重要的依據，根據出水口、入水口溫度變化及小室內空氣溫度變化情況，本文選取多個實驗工況，記錄不同工況下該新型溝槽充液式輻射板的蓄冷量，獲得的實驗部分數據如表1所示?？梢缘贸鼋Y論：溝槽充液式輻射板的供冷能力與市面上現有的金屬平頂輻射板等相當，但經過后期設計（如加工表面紋路、增加材料等措施）形成最終的成品后供冷量還是非常可觀的。

表1 人工氣候小室內輻射板的蓄冷量值

4 結語

本文首先對輻射板的調峰特性進行研究，實驗數據表明，該輻射板的時間常數為820 s，原因在于溝槽與銅管間儲存有冷水，有較強的蓄冷性能，能很好地抵擋室內溫度擾動，使室溫恒定。應當指出的是，本文開展實驗的不足之處在于冷源不夠穩定，精度有待提高。然后依據JGJ 142-2012《輻射供暖供冷技術規程》搭建了輻射供冷實驗平臺，并且以人體在室內感受溫度部位（頭部、腰部、腳部）布置測點得到數據。小室內空氣溫度波動也最終穩定在27.5～28.0 ℃之間，在本文的實驗工況下，該輻射板的供冷量為68.4～80.2 W/m2，有較好的供冷性能，也可減小室內安裝面積。