開放式輻射吊頂制冷性能的實驗研究

喬俊宇 畢 晨 王 成 金梧鳳

（1.天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 天津 300134；2.天津市建筑設計研究院有限公司 天津 300074）

引言

作為一種新型的室內熱環境控制系統，輻射吊頂供冷系統（CRCP）在近年來逐漸受到行業的重視。CRCP系統具有優秀的熱舒適性和節能性，但是存在易結露和制冷量不足的缺陷[1-3]，尤其是在濕熱氣候區（如中國長江流域）應用時，如何在不結露的前提下提高其制冷量成為一個關鍵問題[4,5]。

國內外學者針對輻射空調制冷量不足的問題進行了大量研究。Jeong 和 Mumma 提出了一種適用于自由懸掛式的金屬吊頂輻射板的制冷量預測模型，研究表明與自然對流條件的制冷量相比，由機械通風引起的混合對流可使輻射板制冷量提高 （16 ～71）%[6,7]。Z. Tian 的研究發現[8]，與標準條件下實驗室測的數據相比，實際應用時，CRCP 系統的制冷量可提高17.1 %，應該對輻射板標稱制冷量應用修正系數來修正，以得到實際應用情況下的制冷量；L. Zhang 通過實驗研究了一種帶有傾斜鋁翅片的自由懸掛輻射板的性能[9]。實驗結果表明，在標準測試條件下，制冷量與自由懸掛的平板系統相比提高了19 %，與普通封閉式的輻射吊頂系統相比提高了92 %，M. Ye 和AA Serageldin 提出了一種用于輻射制冷板的分段和凹面結構，通過降低輻射板冷表面的溫度不均勻性來實現較高的輻射板表面平均溫度，相較于傾斜翅片輻射板和傳統平板有更高的效率[10,11]。

本文提出通過開放式安裝提高輻射吊頂供冷系統的制冷量。由于輻射板上表面可以降低上部空間的溫度，通過輻射板之間不同的開口使上部空間較冷的空氣下降到下部空間，而較暖的下部空間空氣上升到上部空間，促進了測試房間內的空氣混合從而增加系統的制冷量[12,13]。采取輻射板開放式安裝的方式將成為解決輻射吊頂供冷系統制冷量不足的一種途徑。另一方面，不同的建筑結構和裝修需求也對輻射板的安裝方式提出了更多元化的需求，因此，預計開放式安裝的輻射吊頂系統將會增加。

但由于沒有足夠的關于開放式輻射吊頂的參考或設計數據，因此很難選擇開放式安裝這種設計方案。本文旨在得到關于開放式輻射吊頂系統制冷性能的基礎數據，通過實驗驗證了開放式安裝有助于提高CRCP 系統制冷量的假設，為進一步研究開放式CRCP 系統制冷性能奠定基礎。

1 參考標準及基礎理論

在進行實驗之前，需要選定參考標準，便于制定實驗方案，以及進行制冷量的計算。本文選定標準ASHRAE 138 中的測試方法進行實驗[14]。

ASHRAE 138標準中將一面墻壁加熱作為模擬外墻提供熱源，更貼近實際情況，此外考慮到ASHRAE 138 中關于CRCP 系統制冷量的計算中對于特征溫差的定義可以使研究結果的應用更加廣泛，因此本文采用ASHRAE 138 對CRCP 系統進行測試。

在ASHRAE138 標準中，最終計算的CRCP 系統的制冷量是關于溫差的函數，其計算公式如下所示：

式中：

Q—輻射板制冷量，W；

cp—水的比熱容，取4.18 kJ/（kg·℃）；

m—輻射板供水流量，kg/s；

tout—輻射板回水溫度，℃；

tin—輻射板供水溫度，℃；

q—輻射板單位面積制冷量，W/m2；

A—輻射板面積，m2。

C 和n 為常數，在標準中其具體數值是由實際測試數據擬合而來，另外針對性能曲線中的溫差 Δt，ASHRAE 中給出了三種定義：輻射板表面平均溫度和室內空氣溫度的溫差、供回水平均溫度和室內空氣溫度的溫差、供回水平均溫度和室內操作溫度的溫差，其計算公式如下所示：

式中：

ta—室內空氣溫度，℃

tp—輻射板表面平均溫度，℃

tm—供回水平均溫度，℃

tmr—室內平均輻射溫度，℃。

考慮到輻射板吊頂空氣系統在制冷過程中，供回水向室內傳遞熱量時，需要先對輻射板表面進行降溫再通過板表面與室內空氣換熱，直接參與室內換熱的是輻射板表面。由于不同的輻射板內部結構會對熱量傳遞的過程造成不同的影響。本次研究為了得到適用性更廣的研究結果，不考慮輻射板本身結構對輻射板制冷量的影響，因此本次研究采用公式（4）中的輻射板表面平均溫度和室內空氣溫度的溫差計算制冷量。

2 實驗內容

2.1 實驗概況

實驗共分為兩個部分：開放式CRCP 系統實驗和傳統封閉式CRCP 系統實驗，通過對比開放式和封閉式系統的制冷量，驗證開放式安裝型式對提高制冷量的可行性，實驗在如圖1 所示輻射板距地面2 m 的4.8 m*3 m*2.3 m 的實驗艙中進行[15,16]，實驗臺系統流程圖如圖2 所示。

圖2 實驗臺系統流程圖

ASHRAE 138 是將一面墻壁加熱作為模擬外墻提供熱源，因此為了使室內空氣溫度維持在24 ℃±2 ℃，需要改變模擬外墻的溫度。采用在南側外墻敷設3 m*1.7 m的電薄膜作為模擬外墻提供熱源（電薄膜安裝實物圖如圖5 所示），電薄膜溫度控制精度為±0.5 ℃。為了防止電薄膜與室內局部隔射過大，在電薄膜前設置3 m*1.5 m 的擋板，其距離電薄膜0.45 m，擋板的上下部分要留出一定的空隙，上邊界距離輻射板表面0.2 m，可以通過空氣對流的形式將電薄膜的熱量傳遞至室內。

房間共布置9 塊尺寸為0.8 m*1.5 m 的輻射板，9塊輻射板之間緊密布置，距離門側內墻、東墻和西墻均為0.3 m，總面積為10.8 m2，共占房間總面積的75 %。組成水系統的管路當中，供回水主管外徑為20 mm，毛細管網中的毛細管外徑為4.3 mm，輻射板表面采用0.8 mm 的微孔鋁板，毛細管與微孔鋁板緊密接觸，確保其具有良好的導熱性，用于增強毛細管對室內空氣的傳熱。輻射板安裝和輻射板內部結構圖分別如圖3 和圖4所示。為使輻射板表面溫度均勻，在毛細管上敷設一層5 mm 厚的均熱鋁箔。對于封閉式CRCP 的實驗，在輻射板上表面敷設20 mm 厚的保溫層，而對于開放式CRCP的實驗，由于輻射板上下空間連通，為了使輻射板上表面也參與換熱，要將保溫層去除。

圖4 輻射板內部結構示意圖

2.2 測點布置

1）輻射板表面溫度測點

根據給出的CRCP 系統制冷量計算公式，需要對輻射板表面溫度進行精確測量，為了防止測量的偶然誤差，同時為了計算輻射板表面的平均溫度，將在每個表面布置四個測點，其測點布置圖如圖6 所示。由于輻射板內的水系統也會導致各個輻射板之間的表面溫度不均勻，在每塊輻射板的上下表面都按照圖6 的方法進行測點布置，每塊輻射板上4 個測點所測得的溫度的平均值將作為該輻射板表面的平均溫度，由此可以得到總共9 塊輻射板的表面溫度。

圖5 電薄膜實物圖

圖6 輻射板表面溫度測點

2）室內空氣溫度測點布置

對于輻射板下方的空間，豎直方向上，分別在距離地面0.6 m 和1.1 m 高度的平面設置溫度測點，對空氣溫度進行測量。在開放式CRCP 系統中，由于輻射板上表面也參與換熱，因此在距離地面高度2.15 m 的平面也要設置溫度測點，對輻射板上部空間的空氣溫度進行測量。對于因為設置電薄膜導致的房間縱向方向上的溫度分布不均勻，本次實驗在縱向方向上設置3 個測點，測點布置示意圖如圖7 所示，橫向方向設置兩個測點。黑球溫度測點將布置在房間的中心位置，距離地面1.1 m 高度的平面上。

圖7 室內溫度測點布置圖

2.3 測試儀器介紹

本次實驗應用熱電偶、黑球溫度計、供回水溫度傳感器、電磁流量計對不同測量對象進行了測量。測試儀器的型號，量程和測量精度匯總至表1 中。

表1 測試儀器介紹

在數據采集方面，本文使用日本橫河MX100 數據采集器進行數據記錄。它的各種溫度傳感器將測得的溫度信號轉換成電信號，傳輸到數據采集器，而數據采集器又將傳輸的電信號轉換成數字信號，直接反映在計算機中，從而實現數據的記錄。

2.4 實驗工況

實驗工況參考標準ASHRAE 138，供水流量12.72 L/min，對四個工況分別進行測量（供回水平均溫度分別為12 ℃、15 ℃、18 ℃和21 ℃）。實驗工況見表2。

表2 實驗工況

3 結果分析

3.1 單位面積制冷量比較

根據表2 的實驗工況，分別對開放式CRCP 系統和封閉式CRCP 系統進行實驗，并根據式（1）～（6）對制冷量進行計算，并對其制冷量性能曲線進行繪制，其結果如圖8 所示。

圖8 CRCP 系統單位面積制冷量比較

如圖8 所示，開放式CRCP 和封閉式CRCP 的制冷量都隨著溫差的增大而增大，而開放式CRCP 系統的制冷量性能曲線的斜率與封閉式系統相比更大，在不同的工況條件下，開放式系統的單位面積制冷量都大于封閉式系統。在平均供回水溫度為21 ℃、18 ℃、15 ℃和12 ℃時，開放式系統的單位面積制冷量比封閉式系統高49.42 %、64.41 %、61.59 %和57.98 %（此時測得的輻射板表面溫度與空氣溫度的溫差分別為0.96 ℃、4.03 ℃、6.93 ℃和9.87 ℃）。

3.1 總制冷量比較

需要注意的是，為了探討輻射板采用開放式安裝能增大制冷量的可行性，不僅應比較輻射板單位面積的制冷量，同時應比較系統的總制冷量。開放式CRCP 的實際輻射板面積會小于封閉式CRCP 的面積，在本次實驗中，輻射板的面積為房間面積的75 %，將封閉式實驗所得的單位面積制冷量應用至輻射板的面積等于房間面積的情形（即封閉式系統輻射板面積占房間面積100 %，而開放式系統輻射板的面積為房間面積的75 %），對總制冷量進行比較，其結果如圖9 所示。

圖9 CRCP 系統總制冷量比較

如圖9 所示，雖然相較于封閉式系統，開放式系統減小了輻射板面積，但開放式系統的總制冷量相較于封閉式系統依然較高。供回水平均溫度為21 ℃，18 ℃，15 ℃和12 ℃時（輻射板表面溫度與空氣溫度的溫差Δt分別為0.96 ℃、4.03 ℃、6.93 ℃和9.87 ℃），開放式系統的總制冷量比封閉式系統分別增大了12.06 %，23.31 %，21.20 %和18.48 %。

綜上所述，與傳統的封閉式CRCP 系統相比，盡管輻射板面積減少，但開放式CRCP 系統既提高了輻射板單位面積的制冷量，也提高了系統的總制冷量，因此，可以證明開放式安裝輻射板以提高CRCP 系統制冷量的可行性。

4 總結

本文根據ASHRAE 制冷量測試標準，分別對開放式CRCP 系統和封閉式CRCP 系統在供回水平均溫度12 ℃，15 ℃，18 ℃和21 ℃工況下進行了實驗，通過比較開放式系統和封閉式系統的制冷量，證明了開放式系統對提高制冷量的可行性。

實驗結果表明，當開放式CRCP 系統的輻射板面積為房間面積的75 %時，其輻射板單位面積制冷量相較于封閉式系統增大了（49.4 ～64.4）%；相較于輻射板面積占房間面積100 %的封閉式系統，其總制冷量增大了（12 ～23.3）%。

對于開放式輻射吊頂系統，由于輻射板上表面也參與換熱，增大的制冷量是由于輻射板上下空間氣流交換所引起的，因此可以推論，更大的開口面積和更分散的輻射板布置方式可以獲得更大的輻射板單位面積制冷量，有必要進一步研究開放式CRCP 系統在不同的輻射板安裝型式下制冷量的變化情況。得到開放式CRCP 系統制冷量的設計圖表或預測模型，以擴展開放式CRCP 系統的適用性。