毛細(xì)管輻射加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)供冷性能實(shí)驗(yàn)研究

劉前龍, 傅允準(zhǔn)

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620)

毛細(xì)管輻射加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)供冷性能實(shí)驗(yàn)研究

劉前龍, 傅允準(zhǔn)

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620)

通過搭建毛細(xì)管輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)試了毛細(xì)管單獨(dú)輻射供冷情況下實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)特性和毛細(xì)管表面結(jié)露特性；在毛細(xì)管輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行情況下,測(cè)試了室內(nèi)空氣溫度和濕度分布均勻性及響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:回水溫度設(shè)定為18 ℃、毛細(xì)管單獨(dú)供冷時(shí),毛細(xì)管管壁存在少量結(jié)露現(xiàn)象、室內(nèi)垂直方向存在溫度梯度；毛細(xì)管輻射供冷加新風(fēng)系統(tǒng)時(shí),毛細(xì)管管壁不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,室內(nèi)溫濕度能夠滿足實(shí)驗(yàn)房間的熱濕負(fù)荷要求,具有良好的舒適性。

毛細(xì)管輻射供冷; 獨(dú)立新風(fēng); 溫度響應(yīng); 溫度梯度; 結(jié)露

輻射空調(diào)系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng),或是風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),其在提高熱舒適性、降低吹風(fēng)感、簡(jiǎn)約美觀性、聲學(xué)舒適性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。狄洪發(fā)等[1]對(duì)輻射吊頂供冷性能的測(cè)試表明,毛細(xì)管冷吊頂輻射供冷實(shí)驗(yàn)房間存在較大溫度梯度。于志浩、金梧鳳等[2]對(duì)毛細(xì)管輻射供冷與新風(fēng)耦合的空調(diào)形式進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果是室內(nèi)工作溫差小于3 ℃,滿足ISO7730舒適性標(biāo)準(zhǔn)。其他學(xué)者對(duì)毛細(xì)管輻射供冷空調(diào)的設(shè)計(jì)應(yīng)用以及容易出現(xiàn)的結(jié)露等問題也進(jìn)行了相關(guān)的研究工作[3-12]。但是毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展速度緩慢,并沒有被大規(guī)模推廣應(yīng)用。究其原因,除了一直困擾毛細(xì)管輻射供冷空調(diào)的結(jié)露問題外,地區(qū)氣候條件的差異使得對(duì)房間的濕度控制變得比較困難。本文針對(duì)上海地區(qū)夏季氣候特點(diǎn),詳細(xì)測(cè)試分析了毛細(xì)管輻射供冷、毛細(xì)管輻射供冷加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行狀況下的工作特性以及供冷房間的溫濕度響應(yīng)特性,以期為該空調(diào)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有益的參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)房間

實(shí)驗(yàn)房間位于實(shí)驗(yàn)樓一層,房間尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)8 300 mm×4 000 mm×3 100 mm,南墻為外墻,其余為內(nèi)墻。外窗尺寸(寬×高)為3 760 mm×2 400 mm,厚度為5 mm。毛細(xì)管冷吊頂鋪設(shè)示意圖見圖1。

圖1 毛細(xì)管鋪設(shè)示意圖

1.2 房間輻射板設(shè)計(jì)計(jì)算

房間維護(hù)結(jié)構(gòu)均與正常辦公建筑相似,不具備很好的保溫絕熱和氣密性,室內(nèi)負(fù)荷除了受到室內(nèi)人員流動(dòng)以及電腦、電燈等熱源影響外,室外溫度的變化對(duì)房間負(fù)荷會(huì)有一定影響。系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

室內(nèi)毛細(xì)管頂棚鋪設(shè)最大面積20.52 m2,若取80 W/m2單位換熱量,毛細(xì)管承擔(dān)1641.6 W室內(nèi)顯熱負(fù)荷,新風(fēng)需承擔(dān)4311.4 W顯熱、潛熱以及新風(fēng)負(fù)荷。

1.3 新風(fēng)匹配計(jì)算

根據(jù)ASHRAE推薦的辦公場(chǎng)所新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)房間每人的新風(fēng)量應(yīng)不少于30 m3/h,實(shí)驗(yàn)房間圓形出風(fēng)口直徑為120 mm。

1.4 空調(diào)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用兩套完全獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng),圖2為毛細(xì)管輻射供冷空調(diào)系統(tǒng),圖3為新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。風(fēng)冷熱泵機(jī)組為毛細(xì)管輻射末端提供冷水。毛細(xì)管供水溫度由空氣源熱泵機(jī)組控制面板進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)循環(huán)水泵為變頻泵,本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定其流量為2 m3/h。

圖2 毛細(xì)管輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)

圖3 新風(fēng)系統(tǒng)

地源熱泵機(jī)組為新風(fēng)系統(tǒng)提供冷源水。地源熱泵系統(tǒng)使用4口管徑為25 mm、深度為60 m的單U型埋管,和1口管徑為32 mm、深度為60 m的雙U型埋管。其中新風(fēng)機(jī)組布置在實(shí)驗(yàn)房間隔壁機(jī)房?jī)?nèi)。

1.5 測(cè)試儀器選擇

溫度傳感器為熱電偶和Pt100熱電阻?？紤]到溫度數(shù)據(jù)采集量較密集且數(shù)據(jù)量比較大,采用Agilent的34970A數(shù)據(jù)采集儀器,并通過RS232接口直接與PC機(jī)建立通信連接,將采集到的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出為excel文件并保存。實(shí)驗(yàn)中使用的其他測(cè)試儀器包括:渦輪流量計(jì),可以現(xiàn)場(chǎng)讀取管道水流量；Testo熱球風(fēng)速儀,用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)房間新風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速。

1.6 室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置

為了盡可能詳細(xì)地得到室內(nèi)不同區(qū)域的溫度分布情況,確定室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)位置布置見圖4。對(duì)圖4說明如下:

(1) 外窗以及東、西主墻面1.5 m高度各布置2個(gè)測(cè)點(diǎn),共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)；

(2) 室內(nèi)水平方向在A、B、C、D、E、F處進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿著垂直方向上,分別在地板及0.5、1、1.5、2 m高度處布置溫度測(cè)點(diǎn)；

(3)A、B、C毛細(xì)管附近絕熱層處布置3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),A、B、E、F吊頂下表面處各布置4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。

此外,毛細(xì)管供水和回水管道口,各布置1個(gè)溫度傳感器,數(shù)據(jù)采集周期為1 min。

圖4 溫度測(cè)量點(diǎn)布置

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 毛細(xì)管輻射供冷系統(tǒng)性能測(cè)試

圖5 室內(nèi)溫度響應(yīng)特性

圖6 16 ℃回水溫度結(jié)露現(xiàn)象

圖7 18 ℃回水溫度結(jié)露現(xiàn)象

通過室內(nèi)智能控制面板,每次間隔2 ℃設(shè)定毛細(xì)管回水溫度工況,圖5給出了16、18、20 ℃ 3種回水溫度下房間1.5 m高度處室內(nèi)溫度響應(yīng)特性,圖6和圖7為16 ℃和18 ℃回水溫度工況下,毛細(xì)管管壁結(jié)露情況。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)毛細(xì)管回水溫度設(shè)定為16 ℃時(shí),毛細(xì)管表面結(jié)露現(xiàn)象嚴(yán)重。回水溫度設(shè)定值提高后,結(jié)露現(xiàn)象明顯減弱。同時(shí),由圖5可看出:當(dāng)毛細(xì)管回水溫度設(shè)定為18 ℃時(shí),室內(nèi)房間溫度維持在26.2 ℃左右,能夠達(dá)到輻射空調(diào)舒適度要求,且不會(huì)出現(xiàn)明顯結(jié)露現(xiàn)象。

圖8和圖9給出了毛細(xì)管回水溫度設(shè)定值為18 ℃時(shí),室內(nèi)空氣和圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度響應(yīng)特性。由圖8可知,室外溫度在29.8 ℃～35.9 ℃波動(dòng)時(shí),窗戶表面溫度逐漸上升到30 ℃左右,而地板和東西墻面溫差較小,在系統(tǒng)運(yùn)行80 min后,其溫度基本穩(wěn)定在26 ℃左右。由圖9可知,在1、1.5、2 m高度方向上存在溫度梯度分布,0.5 m高度處的溫度因受地面輻射換熱影響而略低于1 m高度處的溫度。

圖8 窗面地板墻面溫度分布

圖9 室內(nèi)空氣溫度梯度分布

圖10和圖11分別為實(shí)驗(yàn)房間毛細(xì)管附近絕熱層處和冷吊頂下表面溫度響應(yīng)特性。

圖10 毛細(xì)管附近絕熱層處溫度分布

圖11 吊頂下表面溫度分布

由圖10可知,各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度隨著供回水溫度變化而規(guī)律波動(dòng),其中F和B測(cè)點(diǎn)(靠近毛細(xì)管進(jìn)水口側(cè))的溫度比E和A測(cè)點(diǎn)略低；B和A測(cè)點(diǎn)溫度較F和E略高,主要是因?yàn)榭拷皯羰苁彝夤r干擾的原因。由圖11可知,冷吊頂上對(duì)稱布置的3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫差較小,主要是因?yàn)榈蹴敻浇諝鈱?duì)流換熱影響較大。

2.2 輻射供冷加新風(fēng)系統(tǒng)測(cè)試

新風(fēng)可以承擔(dān)室內(nèi)的濕負(fù)荷,降低室內(nèi)空氣濕度。本次實(shí)驗(yàn)新風(fēng)機(jī)組開啟時(shí),設(shè)定毛細(xì)管回水溫度為18 ℃。

圖12為吊頂下表面溫度和毛細(xì)管供回水溫度測(cè)試結(jié)果,圖13為新風(fēng)出風(fēng)口溫度和地源熱泵機(jī)組冷凍水供回水溫度變化測(cè)試結(jié)果。

圖12 吊頂下表面和毛細(xì)管供回水溫度分布

圖13 新風(fēng)干濕球溫度值

由圖12可知,F和E吊頂測(cè)定溫度由于靠近新風(fēng)出風(fēng)口,溫度比D測(cè)點(diǎn)高。由圖13可知，新風(fēng)機(jī)組開機(jī)100 min后,新風(fēng)出風(fēng)口溫度值17.5～21.5 ℃范圍內(nèi)波動(dòng),濕球溫度值在16.3～20.4 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在開新風(fēng)的情況下,毛細(xì)管管壁未出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

圖14和圖15為測(cè)得的房間維護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)空氣溫度梯度分布曲線。

圖14 地面地板窗戶溫度分布

圖15 室內(nèi)空氣溫度梯度分布曲線

圖14可知,窗面溫度受室外溫度影響有一定波動(dòng),地面以及東西墻面溫差很小。由圖15可知，室內(nèi)高度方向上溫差很小,白天室內(nèi)平均溫度維持在24.6°左右,600 min以后溫度值維持在24 ℃左右。測(cè)試結(jié)果表明,開新風(fēng)的情況下,室內(nèi)空氣溫度和壁面溫度非常接近。

3 結(jié)論

(1) 毛細(xì)管單獨(dú)供冷,室內(nèi)溫度負(fù)荷能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,但室溫隨供水溫度變化具有較大的滯后性,且室內(nèi)濕度較大。受冷熱空氣對(duì)流影響,室內(nèi)不同高度方向上存在溫度梯度分布?；厮疁囟仍O(shè)定為16 ℃時(shí),毛細(xì)管管壁大量結(jié)露,回水溫度設(shè)定為18 ℃時(shí),只有進(jìn)

水口附近出現(xiàn)少量結(jié)露。

(2) 毛細(xì)管加獨(dú)立新風(fēng)聯(lián)合供冷,設(shè)定毛細(xì)管回水溫度為18 ℃時(shí),系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行12 h,毛細(xì)管表面未出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。當(dāng)室外溫度在29.8～35 ℃波動(dòng)時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)溫度可以維持在24～25 ℃范圍內(nèi)。

(3) 實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),無論是毛細(xì)管輻射供冷系統(tǒng)，還是獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng),當(dāng)室內(nèi)冷濕負(fù)荷較小時(shí),地源熱泵機(jī)組或空氣源熱泵機(jī)組由于供水溫度過低容易引起機(jī)組的頻繁啟停,造成供回水溫度及室內(nèi)溫度波動(dòng),造成不必要的能量浪費(fèi),影響機(jī)組的使用壽命。

References)

[1] 狄洪發(fā),王偉,江億,葛慶昆.輻射吊頂?shù)膶?shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào),2000,30(4):5-8.

[2] 于志浩，金梧鳳，劉艷超.毛細(xì)管網(wǎng)吊頂輻射空調(diào)與新風(fēng)耦合的性能研究[J].綠色科技,2013,11(11):253-257.

[3] Li Qingqing,Chao Chen. Experiment Study of Radiant Ceiling Cooling System Combined with Fresh-air Cooling System[C] //Electric Technology and Civil Engineering. 2011 International Conference Lushan:IEEE,2011:3138-3141.

[4] Murakami K, Mitani Y, Yamada H, et al. Experimental study of a Thermal Radiative Cooling/Heating System for Energy Saving and Power Management[C] //Power and Energy Engineering Conference. 2012 Asia-Pacific Shanghai:IEEE,2012:1-4.

[5] Chiang Weihwa,Huang Jiansheng,Huang Yenhsiang. Effect of Inlet Water Temperature and Flow Rate on Cooling Effciency of a Radiant Ceiling System in Taiwan[C] //Energy and Sustainable Development:Issues and Strategies.2010 Proceedings of the International Conference Chiang Mai:IEEE,2010:1-10.

[6] 熊帥,湯廣發(fā),楊光,等.輻射冷吊頂/ 獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)研究與可行性分析[J].制冷與空調(diào),2006,6(4):34-38.

[7] 何婧,沈晉明,壽青云,等.獨(dú)立新風(fēng)與輻射供冷系統(tǒng)防結(jié)露問題探討[J].暖通空調(diào),2008,38(6):159-162.

[8] 傅允準(zhǔn),蔡穎玲,姜小敏.地源熱泵和毛細(xì)管吊頂輻射采暖系統(tǒng)啟動(dòng)過程聯(lián)合供熱特性試驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào),2010,38(12):49-53.

[9] 孟召賢,余躍進(jìn),周蓓.地源熱泵和毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)在別墅中聯(lián)合應(yīng)用的探討[J].制冷與空調(diào),2009,23(5):102-104.

[10] 陶紅髓,翁文兵,劉峰毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].建筑節(jié)能,2009,9(37):29-31.

[11] 金梧鳳,余銘錫,金光禹.毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)供冷性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào),2010,40(9):102-106.

[12] Miriel J, Serres L,Trombe A. Radiant ceiling panel heating-coling systems:experimental and simulated studyof the performances,thermal comfort and energy consumptions[J].Applied Thermal Engineering,2002,22(16):1861-1873.

Cooling performance experimental study of capillary radiation and dedicated outdoor air system

Liu Qianlong, Fu Yunzhun

(School of Mechanical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620, China)

The experimental platform of the capillary radiation cooling and dedicated outdoor air system is built. In the condition of the capillary alone radiant cooling, the indoor and envelope temperature response of the experimental room is tested. Further, under continuous operating the capillary radiation cooling and dedicated outdoor air system, the distribution uniformity and response characteristic of the indoor air temperature and humidity are tested. The experimental results show that when the return water temperature is set to 18 ℃,in the condition of capillary cooling alone,there is a small amount of condensation in the shell of the capillary and temperature gradient in the vertical direction of the interior; then capillary radiation cooling combined with an dedicated outdoor air, the condensation phenomenon dose not happen in the shell of the capillary, and the indoor air temperature and humidity can meet the heat and moisture load requirements of the experimental room. The capillary radiation cooling and dedicated outdoor air system has a good comfort.

capillary radiation cooling; dedicated outdoor air; temperature response; temperature gradient; condensation

2014- 11- 05 修改日期：2014- 12- 31

上海工程技術(shù)大學(xué)“十二”五內(nèi)涵建設(shè)項(xiàng)目(nhky-2012-05)；上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)科內(nèi)涵建設(shè)與發(fā)展項(xiàng)目(14XKCZ12)

劉前龍(1988—)，男，安徽阜陽，碩士研究生，主要從事溫濕度獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)研究

E-mail：liuming2049@163.com

傅允準(zhǔn)(1978—)，男，浙江平陽，博士，副教授，研究方向?yàn)闊岜眉夹g(shù)及建筑節(jié)能.

E-mail：Fuyunzhun@126.com

TU831.3

A

1002-4956(2015)7- 0058- 05