貼附射流輻射冷頂板復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的性能研究

李念平 孫燁瑤　錢(qián)佳煒　蘇林　張絮涵

摘 要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)小室進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究采用貼附射流與輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)復(fù)合后對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，以及該復(fù)合系統(tǒng)防止輻射冷頂板結(jié)露的效果.結(jié)果表明，貼附射流與輻射冷頂板復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)單純的輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)而言，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的輻射冷頂板降溫速度更快，降溫幅度更大，在室內(nèi)熱環(huán)境方面，其壁面溫度及室內(nèi)空氣溫濕度更低.可以認(rèn)為采用貼附射流與輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)復(fù)合運(yùn)行時(shí)，能有效降低輻射冷頂板附近空氣的露點(diǎn)溫度，防止輻射冷頂板結(jié)露，且此時(shí)輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能更佳.

關(guān)鍵詞：結(jié)露；輻射冷頂板；貼附射流；室內(nèi)熱環(huán)境

中圖分類(lèi)號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2015）11-0119-06

輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)是近幾年在國(guó)內(nèi)開(kāi)始應(yīng)用的一種新型空調(diào)方式，通過(guò)降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面中一個(gè)或多個(gè)表面的溫度，形成不同形式的冷輻射面，依靠冷輻射面與人體、家具及圍護(hù)結(jié)構(gòu)其余表面的輻射熱交換進(jìn)行降溫[1-2].

輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能、舒適性強(qiáng)、污染性小等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在易結(jié)露、供冷能力有限、新風(fēng)不足等問(wèn)題，制約著輻射供冷的推廣應(yīng)用[3-5].為了解決這幾大問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，其中以運(yùn)用低溫送風(fēng)技術(shù)與輻射供冷相結(jié)合的研究較為廣泛.我們可以大致將此類(lèi)復(fù)合系統(tǒng)分為3類(lèi)：地板送風(fēng)與地板輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)，置換通風(fēng)與輻射供冷復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，以及貼附射流與輻射供冷復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)[6-12].

一方面，地板輻射供冷除了一般側(cè)壁或頂板輻射供冷的易結(jié)露、供冷能力受限的缺點(diǎn)外，還存在另外兩大缺陷：一是過(guò)低的地板輻射面溫度易引起人體的不舒適感；二是受冷卻地板輻射面的影響，密度較大的冷氣流下沉，易形成較大的室內(nèi)豎向溫差[13].

而另一方面，由周根明的研究中我們了解到在同樣的輻射板工作溫度設(shè)定下，置換通風(fēng)輻射板系統(tǒng)可能較貼附射流輻射板系統(tǒng)更易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象；而對(duì)于相同冷負(fù)荷的房間，貼附射流輻射板系統(tǒng)在人體斷面處平均溫度更低，人體腳部斷面氣流的分布也更不容易產(chǎn)生“吹風(fēng)感”[14]，即貼附射流輻射板系統(tǒng)無(wú)論是防結(jié)露效果還是室內(nèi)環(huán)境的舒適度都優(yōu)于置換通風(fēng)輻射板系統(tǒng).

因此，我們可以預(yù)見(jiàn)，貼附射流輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)將是解決輻射供冷系統(tǒng)問(wèn)題，推廣輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)的最佳途徑.現(xiàn)在國(guó)內(nèi)關(guān)于貼附射流輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)的研究多依賴(lài)于計(jì)算機(jī)CFD模擬[15-17]，實(shí)驗(yàn)研究的情況較少，本文即針對(duì)獨(dú)立新風(fēng)貼附射流與輻射冷頂板復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)小室進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)小室介紹

為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，搭建了一個(gè)應(yīng)用貼附射流與輻射冷頂板復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)小室.為了保持更穩(wěn)定的環(huán)境，避免日曬雨淋的影響，實(shí)驗(yàn)小室建在室內(nèi)，分為兩個(gè)獨(dú)立的腔室，上層腔室的建立是為了模擬樓上的建筑物.下層為實(shí)驗(yàn)空間，尺寸為（長(zhǎng)×寬×高）：1.5 m×1.5 m×1.5 m，實(shí)驗(yàn)小室西面開(kāi)尺寸為0.72 m×0.51 m的小窗，作為安裝風(fēng)管及人員進(jìn)出的通道（圖1及圖2）.

房間墻體材料為加氣混凝土砌塊，頂面輻射盤(pán)管管材采用PE-Xc管，管徑為DN20，使用雙回路布置方式，當(dāng)兩個(gè)回路一起運(yùn)行時(shí)，管間距為150 mm.實(shí)驗(yàn)小室的尺寸結(jié)構(gòu)及詳細(xì)材料見(jiàn)圖3，管路布置見(jiàn)圖4.輻射冷頂板采取熱源塔作為冷源，獨(dú)立新風(fēng)由普通空調(diào)機(jī)組處理室外新風(fēng)后提供.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器布置

由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)溫度、濕度分布的連續(xù)測(cè)量難度較大，因此，本文僅針對(duì)頂板、壁面及室內(nèi)固定點(diǎn)進(jìn)行儀器布置監(jiān)測(cè)對(duì)比.溫度傳感器為Pt-100，混凝土輻射冷頂板及地板均布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)小室壁面各布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，均勻分布，測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖5；室內(nèi)空氣溫濕度由TD記錄儀測(cè)量，分別設(shè)置于混凝土輻射冷頂板下及房間中心.實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器及精度見(jiàn)表1.

2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)所搭建的實(shí)驗(yàn)小室及研究目的，設(shè)置A，B兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比.

A：采用獨(dú)立新風(fēng)貼附射流與輻射冷頂板復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)供冷.貼附射流送風(fēng)口為0.05 m×1.00 m的條狀送風(fēng)口，設(shè)置位置見(jiàn)圖5.

B：僅采用輻射冷頂板系統(tǒng)單獨(dú)供冷.為最大程度減少可變因素，消除獨(dú)立新風(fēng)對(duì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，擬采用風(fēng)速低，對(duì)室內(nèi)氣流分布影響小的送風(fēng)方式向室內(nèi)送入與方案A等量且處理到相同狀態(tài)下的獨(dú)立新風(fēng).在實(shí)際操作中，采用在送風(fēng)管末端接一管徑與送風(fēng)管管徑同等大小的空心圓柱體，其上均勻分布小孔，置于實(shí)驗(yàn)小室中心進(jìn)行送風(fēng).

具體實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)如表2所示.

70%注：由于提供獨(dú)立新風(fēng)的空調(diào)機(jī)組存在一定的間歇起停情況，以上送風(fēng)數(shù)據(jù)為一次起停循環(huán)中啟動(dòng)狀態(tài)下的平均值.

輻射冷頂板供冷采用回水溫度控制法，控制回水溫度為10 ℃，室內(nèi)設(shè)置功率為500 W的電磁爐，作為內(nèi)熱源.

本實(shí)驗(yàn)中，擬測(cè)量觀測(cè)的參數(shù)為：

1）混凝土輻射冷頂板溫度；

2）實(shí)驗(yàn)小室各壁面溫度；

3）實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)空氣溫濕度.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 輻射冷頂板運(yùn)行狀況對(duì)比

如圖6所示，實(shí)驗(yàn)B進(jìn)行至16：25時(shí)，輻射冷頂板的溫度為19.575 ℃，而由圖10和圖11可知，此時(shí)輻射冷頂板下方空氣溫濕度分別為27.8 ℃，61%，可查得空氣含溫量為14.469 g/kg，露點(diǎn)溫度為19.597 ℃，此時(shí)輻射冷頂板溫度已低于空氣露點(diǎn)溫度.在設(shè)置測(cè)量?jī)x器的錫箔紙?zhí)帲捎谄浔砻婀饣?，我們已?jīng)可以觀察到出現(xiàn)了一定的膜狀霧氣（圖7（a））.繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在17：30時(shí)輻射冷頂板下方空氣溫濕度分別為27.5 ℃，59%，可以查得空氣含濕量為13.735 g/kg，露點(diǎn)溫度為18.782 ℃，輻射冷頂板的溫度為18.75 ℃，此時(shí)混凝土頂板也可以觀察到明顯結(jié)露情況（圖7（b）），實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)空氣溫濕度分別為28.2 ℃，55%.

而實(shí)驗(yàn)A系統(tǒng)運(yùn)行至18：00時(shí)，輻射冷頂板下方空氣溫濕度分別為19.6 ℃，68%，可以查得空氣含濕量為9.769 g/kg，露點(diǎn)溫度為13.544 ℃，輻射冷頂板的溫度為16.775 ℃，仍然在空氣露點(diǎn)溫度之上，無(wú)結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生，此時(shí)，實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)空氣溫濕度分別為20.3 ℃，60%.

由以上分析可以得知，采用獨(dú)立新風(fēng)貼附射流能夠有效降低輻射冷頂板下方空氣的露點(diǎn)溫度，防止輻射冷頂板結(jié)露.此方法能夠在一定程度上增加輻射冷頂板的降溫極限范圍，提高制冷能力，降低室內(nèi)空氣溫度.在本次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)A的輻射冷頂板的最低溫度與實(shí)驗(yàn)B相較降低了近2 ℃，而室內(nèi)空氣溫度則相差8 ℃左右.

3.2 輻射冷頂板溫度對(duì)比

對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下輻射冷頂板的降溫情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性擬合后（圖8），可得實(shí)驗(yàn)A的擬合直線斜率為-2.088 5，實(shí)驗(yàn)B的擬合直線斜率為-2.041 65，我們注意到，實(shí)驗(yàn)A中輻射冷頂板的降溫速度更快，在實(shí)際應(yīng)用中可更迅速地達(dá)到使用者的要求溫度.

3.3 實(shí)驗(yàn)小室各壁面溫度對(duì)比

由圖9我們觀察到，實(shí)驗(yàn)A中實(shí)驗(yàn)小室各壁面降溫速度同樣較實(shí)驗(yàn)B快，且最終的壁面溫度均低于實(shí)驗(yàn)B中的壁面溫度，可說(shuō)明實(shí)驗(yàn)A的復(fù)合系統(tǒng)制冷效果較實(shí)驗(yàn)B好.但實(shí)驗(yàn)B中各壁面溫度相差較小，而實(shí)驗(yàn)A中西、南方向壁面溫度則明顯低于東、北方向壁面.造成這一現(xiàn)象主要是貼附射流風(fēng)口安裝在東面墻端部，低溫低濕的獨(dú)立新風(fēng)正面吹向該壁面的緣故.

3.4 室內(nèi)空氣溫濕度對(duì)比

室內(nèi)空氣的溫度對(duì)比情況也與輻射冷頂板及室內(nèi)壁面的對(duì)比情況類(lèi)似，采用貼附射流與輻射冷頂板復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)供冷的實(shí)驗(yàn)A中，靠近輻射冷頂板部位的空氣及實(shí)驗(yàn)小室中部的空氣溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)B中的情況，且實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)空氣溫度的下降速率也較實(shí)驗(yàn)B要快，從圖10可以明顯看到，實(shí)驗(yàn)A中兩處測(cè)點(diǎn)的空氣溫度均在短短15 min內(nèi)陡降6 ℃以上，這正是獨(dú)立新風(fēng)貼附射流造成的影響.

而室內(nèi)空氣的濕度分布情況，我們從圖11中看出，實(shí)驗(yàn)A中實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)的空氣濕度雖然整體平均水平較實(shí)驗(yàn)B低，但其波動(dòng)情況比實(shí)驗(yàn)B中的空氣濕度波動(dòng)劇烈，經(jīng)過(guò)方差計(jì)算可知，實(shí)驗(yàn)A中實(shí)驗(yàn)小室濕度變化的標(biāo)準(zhǔn)差為4.277，實(shí)驗(yàn)B則為5.813，可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)A中實(shí)驗(yàn)小室內(nèi)的空氣濕度因?yàn)樗惋L(fēng)方式的不同，更易受到獨(dú)立新風(fēng)間歇送風(fēng)的影響.

4 結(jié) 論

由此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用獨(dú)立新風(fēng)貼附射流的輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)：

1）輻射冷頂板降溫速度更快，且由于其下方空氣為貼附射流風(fēng)口送出的獨(dú)立新風(fēng)，露點(diǎn)溫度低，輻射冷頂板不易結(jié)露，因此降溫幅度更大；

2）由于輻射冷頂板降溫幅度增大，可承擔(dān)的冷負(fù)荷也隨之增加，室內(nèi)壁面溫度及空氣溫度均大大低于不采用貼附射流的輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)；

3）但室內(nèi)的空氣濕度波動(dòng)較大，易受到貼附射流送入獨(dú)立新風(fēng)的間歇性、不穩(wěn)定性的影響.

我們認(rèn)為，輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可以采用獨(dú)立新風(fēng)貼附射流的方式來(lái)解決頂板易結(jié)露的問(wèn)題，且該方式可以增加空調(diào)系統(tǒng)的制冷量，改善輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷受限的情況.但是同時(shí)我們也要注意到，由于提供獨(dú)立新風(fēng)的空調(diào)機(jī)組會(huì)存在一定的間歇性和波動(dòng)性，對(duì)室內(nèi)空氣濕度的穩(wěn)定性將造成較大影響，不適用于對(duì)空氣溫濕度有嚴(yán)格要求的場(chǎng)所.

當(dāng)然，本文也存在不足之處.由于實(shí)驗(yàn)小室的大小限制，僅針對(duì)貼附射流與輻射冷頂板復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)壁面溫度及空氣溫濕度的影響進(jìn)行了分析，實(shí)際應(yīng)用時(shí)貼附射流對(duì)室內(nèi)的氣流分布也十分重要，對(duì)人體的熱舒適性存在一定的影響.另外獨(dú)立新風(fēng)與輻射冷頂板分別承擔(dān)冷負(fù)荷的分配問(wèn)題也與該方案的經(jīng)濟(jì)適用性有所關(guān)聯(lián).對(duì)于這些相關(guān)問(wèn)題的探討我們將在以后的研究中繼續(xù)努力完善.

參考文獻(xiàn)

[1] 康寧，宜永梅，殷清海.輻射供冷現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].建筑節(jié)能，2009，37（219）：74-76

KANG Ning， XUAN Yong-mei， YIN Qing-hai. Current situation and development trend of radiant cooling[J].Building Energy Efficiency，2009，37（219）：74-76. （In Chinese）

[2] 龔光彩，楊厚偉，蘇歡，等.空氣載能輻射空調(diào)末端系統(tǒng)輻射傳熱簡(jiǎn)化算法研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，40（12）：31-38.

GONG Guang-cai， YANG Hou-wei， SU Huan， et al. The research on simplified algorithm of radiative heat transfer for air carry energy radiant air-conditioning terminal system[J].Journal of Hunan University： Natural Sciences，2014，40（12）：31-38. （In Chinese）

[3] 陳啟，馬一太.輻射頂板空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)[J].節(jié)能技術(shù)，2005，23（129）：40-43.

CHEN Qi， MA Yi-tai. Advantage of radiant ceiling panel system[J]. Energy Conservation Technology，2005，23（129）：40-43. （In Chinese）

[4] 繆愛(ài)國(guó)，霍海娥.輻射供冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介和設(shè)計(jì)初探[J].制冷與空調(diào)，2008，22（6）：96-101.

MIAO Ai-guo， HUO Hai-e. A brief introduction of the ceiling radiant cooling panels （CRCP） and initial exploration of the designing method[J].Refrigeration and Air Conditioning， 2008，22（6）：96-101. （In Chinese）

[5] 馬玉奇，劉學(xué)來(lái)，李永安，等.輻射頂板空調(diào)系統(tǒng)研究與發(fā)展綜述[J].制冷，2008，27（2）：29-34.

MA Yu-qi， LIU Xue-lai， LI Yong-an， et al. Overview on the research and development of radiant panels[J]. Refrigeration，2008，27（2）：29-34. （In Chinese）

[6] 孫亭，刁乃仁，李剛.頂板輻射供冷與置換通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2009，28（2）：5-10.

SUN Ting， DIAO Nai-ren， LI Gang. Experimental research on the lower energy consumption construction of radiant ceiling cooling with displacement ventilation[J].Building Energy & Environment，2009，28（2）：5-10. （In Chinese）

[7] 葉婷，李銳.頂板輻射供冷與置換通風(fēng)復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，9（5）：63-66.

YE Ting， LI Rui. Optimized research of roof radiant cooler and displacement ventilation complex air conditioning system[J]. Journal of Guangzhou University： Natural Science Edition，2010，9（5）：63-66. （In Chinese）

[8] 王瑋，徐文華.置換通風(fēng)和地板送風(fēng)在住宅輻射頂板空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用比較[J].制冷技術(shù)，2009（3）：48-52.

WANG Wei， XU Wen-hua. Comparison between displacement ventilation and under floor air supply combined with CRCP in dwelling house[J].Chinese Journal of Refrigeration Technology，2009（3）：48-52. （In Chinese）

[9] 袁鋒，趙蕾.復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)三種運(yùn)行模式的室內(nèi)熱環(huán)境研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2007，26（5）：35-38.

YUAN Feng， ZHAO Lei. Research on indoor thermal environment under three operational modes of hybrid air-conditioning system[J].Building Energy & Environment，2007，26（5）：35-38. （In Chinese）

[10]于志浩，金梧鳳，劉艷超. 輻射吊頂供冷與不同新風(fēng)系統(tǒng)復(fù)合時(shí)的性能研究[J].制冷技術(shù)，2013，33（4）：37-40.

YU Zhi-hao， JIN Wu-feng， LIU Yan-chao. Investigation on performance of radiant ceiling cooling coupled with different fresh air systems[J].Chinese Journal of Refrigeration Technology，2013，33（4）：37-40. （In Chinese）

[11]MUMMA S A. Chilled ceiling in parallel with dedicated outdoor air systems： Addressing the concerns of condensation[J].ASHRAE Transactions，2002，108（2）：220-231.

[12]ALAMDARI F. Chilled ceilings and displacement ventilation[J].Renewable Energy，1998（15）：300-305.

[13]趙宇.地板輻射供冷初探[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010（增刊2）：44-46.

ZHAO Yu. Initial exploration of the floor radiant cooling[J]. Railway Standard Design，2010（S2）：44-46. （In Chinese）

[14]周根明，殷浪華，周少華.貼附射流-輻射板與置換通風(fēng)-輻射板的對(duì)比分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，26（5）：472-476.

ZHOU Gen-ming， YIN Lang-hua， ZHOU Shao-hua. Comparative analysis of wall attached jet and displacement ventilation combined with radiant panels[J].Journal of Jiangsu University of Science and Technology： Natural Science Edition，2012，26（5）：472-476. （In Chinese）

[15]周根明，施穎，路詩(shī)奎，等.輻射供冷與貼附射流復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)防結(jié)露研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2011，30（5）：20-22.

ZHOU Gen-ming， SHI Ying， LU Shi-kui， et al. Studies of anti-condensation of the radiant cooling system with wall-attached-jet[J]. Building Energy & Environment，2011，30（5）：20-22. （In Chinese）

[16]施穎，陳育平，孔祥雷，等.輻射供冷與貼附射流復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)空氣品質(zhì)研究[J].暖通空調(diào)HV&AC， 2011，41（2）：60-63.

SHI Ying， CHEN Yu-ping， KONG Xiang-lei， et al. Air quality of radiant cooling combined with wall-attached-jet system[J].Journal of HV&AC， 2011，41（2）：60-63. （In Chinese）

[17]趙金輝，譚羽非，王思贏，等.貼附射流解決游泳館結(jié)露問(wèn)題的研究[J].低溫建筑技術(shù)，2008，124（4）：115-117.

ZHAO Jin-hui， TAN Yu-fei， WANG Si-ying， et al. Study of wall-attached-jet way affecting the natatorium condensation[J].Low Temperature Building technology，2008，124（4）：115-117. （In Chinese）