毛細管重力循環柜夏季制冷除濕性能實驗研究

吳林霖 梁 珍

(東華大學,上海)

0 引言

傳統空調系統存在著耗能高、結露等諸多問題,毛細管重力循環柜(后文簡稱為重力柜)作為一種耗能低、舒適度高且集制冷、制熱、除濕功能于一體的新型空調系統[1-2],漸漸進入了大眾的視野。

國內外學者對重力柜進行了一系列的研究。對于重力柜獨立運行時的供冷性能,葛玉簫等人通過實驗測試了水溫、流量等變量對重力柜供冷除濕能力的影響[3];谷德軍模擬研究了柜內毛細管網的間距、排數等參數對重力柜供冷量的影響,并對重力柜的設備參數進行了優化分析[4];金梧鳳等人進行了重力柜與分體式空調的性能對比實驗,結果表明重力柜對地面結構具有蓄冷作用,可緩解分體式空調的吹風感[5];韓東太等人對重力柜的供冷除濕性能進行了實驗研究,介紹了重力柜單位毛細管的傳熱面積和空氣體積流量的計算[6];沈侃等人對水溫、流量、風口尺寸和有無前置擋板等變量對重力柜制冷性能的影響進行了實驗研究[7];Li等人根據常規空調系統存在的問題,對重力柜的制冷除濕性能的優缺點進行了分析[8];Yang等人基于可呼吸壁與毛細管輻射板相結合的原理對重力柜的供冷除濕原理及性能進行了介紹[9]。

對于重力柜與其他系統聯合運行時的補冷性能,谷德軍等人對重力柜+吊頂輻射復合系統進行了實驗,結果表明重力柜具備較好的輔助制冷作用,且在水溫7 ℃時達到最高冷量占比[10];劉異對轉輪除濕+重力柜復合空調系統進行了實驗,得到了水溫在10～18 ℃下重力柜對流和輻射換熱系數的范圍[11];陳慧等人研究了毛細管頂棚和重力柜聯合運行下重力柜換熱性能的影響因素及其最佳運行工況[12];李翠敏將重力柜與相變板相結合,試制了合適的蓄熱材料以研究重力柜的夜間蓄熱特性[13]。

目前對重力柜在不同室內負荷下供冷出力的影響因素及影響范圍的研究較少。因此,本文以上海松江某實驗室為例,搭建重力柜實驗臺,對其在不同室內負荷、供水溫度、供水流量和輻射板是否保溫等因素下的供冷性能展開實驗研究。研究結果可為重力柜系列產品未來在工程領域的設計和應用提供參考。

1 重力柜性能實驗

1.1 重力柜

本次實驗的重力柜的實物圖見圖1,重力柜的尺寸為2.25 m(高)×1.10 m(寬)×0.20 m(厚),外部為金屬鋁板。柜內5排毛細管,采用外徑4.3 mm、厚度0.4 mm的聚丙烯(PPR)管,每排毛細管100根,單管長210 mm,同排管間距為10 mm,相鄰兩排管間距為30 mm,主干管內徑為10 mm。夏季重力柜的運行原理如圖2所示,以冷熱空氣的密度差作為驅動力,促使空氣在重力作用下自然循環,由下風口送出的冷空氣形成冷卻的“空氣湖”后通過房間內部的熱源吸熱,自然向上循環流動,整個過程使人有較好的舒適感。

圖1 重力柜實物圖

圖2 夏季重力柜自然循環原理圖

1.2 實測系統

重力柜系統的原理如圖3所示,采用空氣源熱泵搭配閉式水箱搭建實測系統。空氣源熱泵制備適宜溫度的低溫冷水供給重力柜,冷水循環升溫后經閉式水箱返回熱泵,如此不斷地循環制冷。柜口安裝壓力表、熱電偶進行管路壓力的平衡及測溫,供回水干管多處裝設銅球閥來調節管路水流方向、控制流量。夏季采用下供上回的供水方式為最佳,通過調節熱泵的中央控制面板和管路閥門得到7～11 ℃ 5種供水溫度、4～7 L/min 4種供水流量,進而探討供水溫度、供水流量、輻射板是否保溫等變量對實驗房間室內環境的影響。

1.壓力表;2.熱電偶;3.銅球閥;4.回風口;5.毛細管網;6.送風口;7.冷凝水盤;8.流量計;9.閉式水箱;10.熱泵機組。圖3 重力柜系統原理圖

1.3 測量參數及測點布置

實驗首先開啟熱泵機組,低溫冷水進入重力柜循環至室內環境達到穩態后,采用數據采集儀搭配22根J型熱電偶測量重力柜進出口水溫、風溫、輻射板壁溫及房間溫度。房間的相對濕度采用XYWS-1B型溫濕度記錄儀測量并記錄。管路供水總流量采用DFA-15T型轉子流量計測量,具有監測微調流量的功能。測試儀器的具體參數如表1所示。

表1 測試儀器及其參數

實驗房間為上海松江某實驗室,西墻為外墻,南墻為內墻,其余兩面采用厚度為5 cm的聚氯乙烯(PVC)滑軌折疊板包圍出2個不同面積的房間,折疊板正反面添加保溫棉且房間進行密封。其中小房間尺寸為6.0 m(長)×3.7 m(寬)×3.5 m(高),總面積約22 m2;大房間尺寸為6.0 m(長)×4.7 m(寬)×3.5 m(高),總面積約28 m2。

對于室內測點,選擇距地面0.1、0.7、1.7、3.0 m高處4個截面為測試截面,即在工作區內人的腳踝、胸口、站立時頭部的位置及非工作區的測試位置。大、小房間的溫濕度測點布置如圖4所示,房間內部設立多條鉛垂線,大、小房間每個截面分別選取1～12、1～9個點與熱電偶進行連接,作為測點,測量時間間隔為1 min。

注:1～12為溫度測點。圖4 室內測點布置圖

2 重力柜的供冷出力分析

2.1 供冷量理論計算公式

重力柜的供冷量分為兩部分:一部分是由送回風口間的外輻射板與圍護結構內表面的輻射換熱產生的冷量,根據文獻[4],得到輻射供冷的計算公式,見式(1)、(2);另一部分是由室內空氣與冷水對流換熱產生的冷量,可利用送回風口溫差來計算,見式(3)。

qr=σ[(tr+273.15)4-(tp+273.15)4]

(1)

Qr=qrs

(2)

式(1)、(2)中qr為單位面積重力柜外輻射板供冷量,W/m2;σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量,5.67×10-8W/(m2·K4);tr為房間非供冷表面的加權平均溫度,℃;tp為外輻射板表面的平均溫度,℃;Qr為重力柜外輻射板供冷量,W;s為重力柜外輻射板面積,m2。

Qc=cpam(toa-tia)

(3)

式中Qc為自然對流供冷量,W;cpa為空氣的比定壓熱容,J/(kg·℃);m為空氣的質量流量,kg/s;toa為重力柜回風溫度,℃;tia為重力柜送風溫度,℃。

根據文獻[14],通過重力柜的供回水溫度和管路總流量,即可計算得到總供冷量Q,計算式為

Q=Lρcpw(tow-tiw)

(4)

式中L為重力柜主干管的水流量,m3/s;ρ為水的密度,kg/m3;cpw為水的比定壓熱容,J/(kg·℃);tow為毛細管回水溫度,℃;tiw為毛細管供水溫度,℃。

2.2 不同供水溫度下的供冷能力

采用J型熱電偶在重力柜送回風口分別布置左、中、右3個測點進行測溫,在熱泵機組供水達到穩定后,以小房間為例,測得重力柜在不同供水溫度下送回風口的溫差分布情況,如圖5所示。

圖5 不同供水溫度下重力柜送回風口溫差分布

由圖5可知:夏季重力柜在不同流量下送回風的溫差曲線間隔相近,不同流量的溫差相差較小。測試房間送回風溫差范圍為11.5～16.3 ℃;送回風溫差隨著供水溫度降低、供水流量增大而明顯增大,也體現了此時的制冷效果更好。由式(3)可知,當送回風溫差增大后,室內空氣與毛細管換熱量增大,導致對流供冷量增大,這是重力柜總供冷量增大的主要原因。

改變供水流量和供水溫度,使用熱電偶分別測量重力柜的供回水溫度,由式(4)進行計算,得到重力柜的供冷量與供水溫度、供水流量的關系曲線,如圖6所示。

圖6 重力柜供冷量與供水溫度、供水流量的關系曲線

由圖6可知:隨著供水溫度降低、供水流量增大,重力柜的供冷量增大;小房間的供冷量范圍為1 400～2 100 W。圖中4條曲線距離相近而高差較大,說明調節供水溫度比供水流量更有效[13]。

2.3 不同供水溫度下的室內溫濕度

在實驗測試過程中,室外溫度為27～34 ℃,平均溫度為30 ℃,室外相對濕度為70%～90%。經實驗驗證了同一測試平面內各測點間的室內溫濕度變化微小,差值在1%以內,且相較于供水溫度,受供水流量的變化影響較小[12,15]。因此固定管路供水流量為7 L/min,調節供水溫度,測量小房間4個測試截面內所有測點的溫濕度,并計算平均值。測試房間溫度的分布如圖7所示,相對濕度的分布如圖8所示。

圖7 不同供水溫度下室內溫度變化

圖8 不同供水溫度下室內相對濕度變化

由圖7、8可以看出,通過重力柜的連續循環運行,小房間的室內平均溫度穩定在24～25 ℃,平均相對濕度穩定在47%～50%。根據文獻[16],人在辦公室內進行靜坐等輕度活動時,在25～27 ℃環境下感覺舒適。因此當供水溫度為9～11 ℃時,房間內的平均溫度在人體的舒適范圍內。

由圖7、8可知,房間溫度隨著高度的增大而升高,而相對濕度則隨高度的增大先減小后增大,這種現象是多參數交互影響的結果,室內人員的呼吸也是濕度在轉折點處增大的一個原因[15]。工作區內,距地面0.1 m高平面的室內溫濕度均隨著供水溫度的升高而增大,這是因為該平面靠近重力柜送風口,所以變化趨勢較明顯。距地面0.7 m高平面的室內溫度隨供水溫度的升高平緩升高,且接近室內平均溫度;而相對濕度則隨供水溫度的升高明顯增大,這是因為受到了重力柜送風口源源不斷送出被除濕冷空氣的影響,且供水溫度越低,相對濕度越小,說明除濕效果越好。距地面1.7 m高平面的溫度隨供水溫度的升高維持平穩升高的趨勢,相對濕度曲線斜率則減小。距地面3.0 m高平面的溫濕度曲線均接近水平直線,僅受供水溫度變化的微小影響,這是因為該平面位于重力柜回風口上方,溫濕度變化波動小、趨于穩定。

3 輻射板保溫對重力柜的影響

3.1 輻射板保溫的輻射供冷量及其占比

以上分析均是在外輻射板無保溫的情況下,實際應用中為了防止冷凝水外濺至輻射板面產生噪聲及導致結露,安裝時會在重力柜外輻射板內表面添加一層保溫棉來隔聲并防止結露。以小房間為例,將外輻射板添加3 cm厚的保溫棉,同樣測量不同工況下外輻射板表面的溫度,計算出輻射供冷量。圖9顯示了重力柜有、無保溫情況下輻射供冷量的對比,圖10顯示了重力柜有、無保溫情況下輻射供冷量占比對比。

圖9 重力柜有、無保溫情況下輻射供冷量對比

圖10 重力柜有、無保溫情況下輻射供冷量占比對比

由圖9、10可知:不同工況下,重力柜無保溫時的輻射供冷量為55～70 W,占總供冷量的3.0%～4.5%,且隨著供水溫度降低、供水流量增大而明顯增大;加保溫后輻射供冷量減小至13.1～13.3 W,占總供冷量的0.55%～0.85%,且受供水溫度和流量的影響微小。可見重力柜供冷主要依靠對流換熱,輻射換熱只占很小的一部分。當在輻射板增加保溫棉后,輻射供冷量占比急劇減小,且無論外輻射板有無保溫,輻射供冷量占比均隨著供水溫度升高、供水流量減小而增大。

3.2 輻射板保溫對重力柜出力的影響

選取7、9、11 ℃ 3種供水溫度,研究輻射板保溫對重力柜出力的影響,將外輻射板添加保溫棉后,測量4種流量下的供回水溫度并計算供冷量,重力柜有、無保溫情況下供冷量對比如圖11所示。

圖11 重力柜有、無保溫情況下供冷量對比

由圖11可知,小房間無保溫時重力柜的供冷量為1 400～2 100 W,加保溫時供冷量為1 480～2 300 W。說明相較于無保溫工況,添加保溫后重力柜的出力會增加,供冷量增大100～200 W。這是因為當外輻射板添加保溫棉后,減少了外輻射板散熱,并較好地增強了毛細管與室內空氣間的對流換熱,從而使供冷量增大。

4 房間負荷對重力柜的影響

4.1 房間負荷對重力柜出力的影響

當房間面積分別為22 m2和28 m2時,計算得到房間內的冷負荷分別約為1 300 W和1 500 W?？梢姺块g面積的改變會影響室內的負荷,選取7、9、11 ℃ 3種供水溫度,4、7 L/min 2種供水流量,通過改變實驗房間的面積研究不同的房間負荷對重力柜出力的影響,重力柜大、小房間供冷量對比如圖12所示。

圖12 重力柜大、小房間供冷量對比

由圖12可知,大房間無保溫時供冷量為1 600～2 300 W,加保溫時供冷量為1 750～2 600 W,說明重力柜的出力可以滿足夏季室內負荷要求,且隨著房間負荷的增大,重力柜的供冷量也會增大,出力增加。這是因為當室內冷負荷增大后,重力柜與房間的換熱增強,使回水溫度升高,導致供冷量增大。

4.2 不同房間負荷的供冷量擬合公式

考慮到供冷量與供水溫度、供水流量、室內溫度等變量相關,取室溫與供回水平均溫度之差作為特征溫度,根據已計算出的重力柜總供冷量,采用Origin軟件進行公式擬合,得到重力柜夏季的供冷性能曲線,如圖13所示。

圖13 重力柜夏季的供冷量擬合曲線

由圖13可知,重力柜夏季的供冷量與特征溫度呈正比關系,根據文獻[14,17],使用冪函數作為擬合公式的基礎,由供回水溫度得到供回水平均溫度計算公式,如式(5)所示;在供回水平均溫度的基礎上,可以得出夏季供冷量Q與特征溫差之間的關系式,如式(6)所示。

(5)

Q=kn(tp-Δt)b

(6)

式(5)、(6)中 Δt為夏季毛細管供回水平均溫度,℃;k為擬合系數;n為重力柜數量;tp為室內平均溫度,℃;b為指數。

k、b值如表2所示。

表2 重力柜不同工況下的擬合結果

5 重力柜的除濕性能

5.1 除濕公式

在夏季,熱泵供入的低溫冷水使得柜內毛細管壁溫遠低于進口熱空氣的露點溫度,產生的凝結水受重力作用流入柜底冷凝水盤后排至室外,實現系統除濕。根據文獻[18]查得對應風口溫度下的飽和分壓力,通過式(7)得到飽和含濕量,空氣溫度與飽和含濕量的關系如表3所示。根據風口尺寸和進出口風速確定空氣的循環風量,通過式(8)、(9)即可確定除濕量W。

(7)

式中db為飽和含濕量,g/kg;φ為相對濕度;B為大氣壓力,Pa;pw,s為飽和分壓力,Pa。

d=φdb

(8)

式中d為含濕量,g/kg。

W=M(d2-d1)

(9)

式中W為重力柜單位時間除濕量,kg/h;M為重力柜送回風口空氣質量流量,kg/h;d2為重力柜回風口空氣含濕量,kg/kg;d1為重力柜送風口空氣含濕量,kg/kg。

5.2 測試重力柜不同供水溫度下的除濕性能

實驗過程中,室內人員為1人,散濕量為68 g/h。固定供水流量為7 L/min,改變供水溫度,當房間溫濕度穩定后,采用溫濕度儀測出重力柜送回風口處空氣的相對濕度。根據式(7)～(9)計算出對應的除濕量,得到重力柜在不同供水溫度下送回風口相對濕度和除濕量的分布,如圖14所示。

圖14 不同供水溫度下送回風口相對濕度、除濕量分布

由圖14可以看出:重力柜回風口處空氣的相對濕度為40%左右,隨供水溫度的變化微小,送風口處相對濕度范圍為75%～85%,隨著供水溫度的升高而明顯增大;供水流量為7 L/min時,重力柜的除濕量為400～990 g/h,隨著供水溫度的升高而增大,且除濕量的增加率隨著供水溫度的降低而明顯增大。隨著供水溫度的降低,除濕效果增強的同時也會因制備低溫冷水而增加機組能耗,因此實際運行中應該選擇合適的供水溫度和供水流量范圍來保證較好的除濕效果和較低的能耗[13]。

6 結論

通過實測得到不同房間負荷、輻射板有無保溫等工況下室內溫濕度的分布情況,并對重力柜的供冷量、輻射供冷量占比及除濕情況進行了研究,得到以下結論:

1) 夏季室外溫度為27～34 ℃,相對濕度為70%～90%。常規供水工況下,在房間負荷為1 300 W時,重力柜總供冷量在無保溫時為1 400～2 100 W,加保溫時為1 500～2 300 W;在房間負荷為1 500 W時,總供冷量在無保溫時增加至1 600～2 300 W,加保溫時增加至1 750～2 600 W。夏季室內溫度為24～25 ℃,相對濕度為47%～50%。重力柜的供冷能力隨著供水溫度降低、供水流量和房間負荷增大、添加輻射板保溫而增強。

2) 夏季重力柜主要通過送回風口間的對流換熱傳送冷量,輻射供冷量占比很小,無保溫時為3.0%～4.5%,加保溫后為0.5%～1.0%。隨著供水溫度降低、供水流量增大,無保溫時輻射供冷量增大,加保溫時變化微小,而輻射供冷量占比在有無保溫時均增大。

3) 夏季重力柜的供冷量與特征溫度呈正比關系,在房間負荷為1 300 W時,擬合公式無保溫時為Q=51.28n(tp-Δt)1.36,加保溫時為Q=87.51n(tp-Δt)1.21;在房間負荷為1 500 W時,擬合公式無保溫時為Q=63.40n(tp-Δt)1.18,加保溫時為Q=28.02n(tp-Δt)1.60。

4) 當供水溫度為7～11 ℃、供水流量為7 L/min時,重力柜的除濕量為400～1 000 g/h,房間在穩態情況下重力柜的除濕量隨供水溫度的降低而增大。

由于實驗場地受限,本文在實驗過程中僅對2種室內負荷下重力柜的供冷能力進行了研究,且只選用了1種輻射板保溫材料,針對這些不足之處,未來將擴大室內負荷范圍,增設不同材質、厚度的保溫材料,對重力柜在多種負荷、輻射板保溫等工況下的供冷能力和供冷極限開展進一步的實驗研究。