新風送風方式對輻射吊頂制冷量影響研究

金梧鳳，王 成，崔奉洙，王志強，于志浩

（1.天津商業(yè)大學 天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134；2.樂金電子（天津）電器有限公司，天津 300134）

0 引言

目前國內(nèi)的住宅、辦公、娛樂等場所使用的空調(diào)，大部分以強制空氣對流作為末端形式，這種末端形式會使房間的溫度分布不均，并且會形成強烈的吹風感，嚴重影響人體的舒適性，甚至會導致人體出現(xiàn)“空調(diào)病”等癥狀［1］。而輻射空調(diào)系統(tǒng)作為一種新型的空調(diào)末端，不但由于其無噪聲，能使房間溫度分布均勻的特點，極大改善人體的熱舒適性［2］，而且由于其能夠使用高溫冷源的特點，使空調(diào)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的強制對流空調(diào)COP更高，從而達到節(jié)能的目的［3-7］。但是由于輻射板表面的結(jié)露問題制約了輻射板的制冷能力，使得輻射空調(diào)沒有在國內(nèi)得到廣泛的應用［8-9］。

學者們已經(jīng)針對輻射吊頂加獨立新風系統(tǒng)做了大量研究，劉前龍等對毛細管輻射吊頂加獨立新風系統(tǒng)的供冷性能進行了試驗研究，結(jié)果表明：回水溫度設(shè)定為18 ℃時，加入獨立新風系統(tǒng)對輻射空調(diào)系統(tǒng)有很好的防結(jié)露特性，且有很好的舒適性［10］。毛磊等研究了在上供上回新風方式加輻射吊頂?shù)臈l件下，不同的供水溫度對輻射板特性的影響，研究結(jié)果表明：在此試驗條件下，當供水溫度高于14 ℃時，能夠保證輻射頂棚不結(jié)露［11］。郎衛(wèi)國對獨立新風加輻射空調(diào)系統(tǒng)與變風量系統(tǒng)進行了對比研究，研究結(jié)果表明：獨立新風加吊頂冷輻射空調(diào)系統(tǒng)更為節(jié)能，對室內(nèi)凈高影響更小，但受輻射頂板易結(jié)露，冷卻能力有限［12］。

綜上所述，大多數(shù)研究都是從防結(jié)露的角度出發(fā)，研究獨立新風系統(tǒng)對輻射吊頂制冷量的影響，但是針對新風不同送風方式對輻射空調(diào)制冷量的影響的研究較少。本文對比分析貼附射流和置換通風對輻射吊頂制冷量的影響，給出兩種送風方式下輻射空調(diào)制冷量的參考值，為以后進一步的研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗概況

1.1 試驗臺風系統(tǒng)

本次試驗在2個相同的試驗室內(nèi)進行，試驗室尺寸為5 m×3 m×2.3 m，四周墻壁和屋頂材料為50 mm厚的聚苯彩鋼板，其中南墻為外墻（3 m×2.3 m），墻上有3 m×1.45 m的外窗，北墻有一個0.62 m×1.72 m的門新風處理流程如圖1所示。

圖1 新風處理流程

東墻上設(shè)有2個尺寸為200 mm×200 mm的貼附射流風口，風口下邊緣距地面1.8m，兩風口相距2.5 m，試驗室地面中心設(shè)有一個尺寸為300 mm×600 mm的置換通風風口，置換通風風口北側(cè)為圓柱體的模擬熱源（直徑300 mm，高1.2 m），置換通風風口南側(cè)為Swema熱舒適儀，儀器上有一個相對濕度探頭，一個黑球溫度探頭和三個風速探頭。

風道中溫度傳感器測得新風送風溫度數(shù)值，傳輸?shù)組X100型數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)過電腦處理發(fā)送指令調(diào)節(jié)新風機組的水流量，從而控制新風送風溫度；新風送風速度通過手動調(diào)節(jié)高精度的風閥控制。

1.2 試驗臺水系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)的冷源為空氣源熱泵機組，供回水溫度為6 ℃/12 ℃，冷水通過分水器一部分進入板式換熱器與輻射吊頂回水換熱，制得的高溫冷水分別供給2個試驗室的輻射末端，另一部分直接進入新風機組處理新風，空調(diào)水系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 空調(diào)水系統(tǒng)流程

試驗室輻射吊頂使用9塊毛細管網(wǎng)金屬輻射板［13］，每塊尺寸為1 500 mm×800 mm。9塊輻射板分為3排，每排3塊，輻射板之間沒有空隙，吊頂距離東、西墻均為0.3 m，距南、北墻分別為0.35，0.15 m。

流量傳感器測得的數(shù)值傳輸?shù)組X100型數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)過電腦處理發(fā)送指令調(diào)節(jié)電動二通閥，從而控制輻射吊頂供水流量；溫度傳感器測得的數(shù)值傳輸?shù)組X100型數(shù)據(jù)采集器，再經(jīng)過電腦處理發(fā)送指令調(diào)節(jié)兩個電磁閥的開度大小，從而控制輻射吊頂供水溫度。

2 試驗內(nèi)容及測點布置

2.1 試驗內(nèi)容

為研究新風在不同送風方式下對輻射吊頂制冷能力的影響，本次試驗在天津某大學進行，具體試驗內(nèi)容見表1。

表1 試驗內(nèi)容

2.2 測試儀器和測點分布

本次試驗使用Swema熱舒適儀用于模擬人體的熱舒適性，3個速度探頭的測量精度為±0.04 m/s，黑球溫度探頭測量精度為±0.1 ℃，相對濕度探頭測量精度為±1%RH。

除此之外，為了更精確得計算室內(nèi)平均溫度和輻射板表面平均溫度，每個試驗室設(shè)置了36個PT100熱電偶，布置位置如圖3所示，分別布置在高度為0.1，0.6，1.1，1.7 m的平面，每個水平面布置9個熱電偶，位于每塊輻射板中心下方，用于測量室內(nèi)空氣溫度；此外緊貼每塊輻射板表面中心處布置鉑電阻溫度傳感器用測量板表面溫度。

圖3 試驗室內(nèi)熱電偶布置位置

3 試驗結(jié)果分析

早晨8：00，向室內(nèi)送入室外新風進行預除濕，預除濕之后開啟輻射空調(diào)系統(tǒng)。若在60 min內(nèi)，各個參數(shù)均能滿足DIN EN14240標準［16］中判斷穩(wěn)定性要求時，可以認為試驗室內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)，記錄各個溫度傳感器的示值。本次試驗共測得5天的試驗數(shù)據(jù)，可以此求出各測點溫度的平均值，從而得到各平面平均溫度見表2。

表2 不同送風方式下各平面平均溫度

由表2的結(jié)果可以看出，在置換通風條件下，室內(nèi)不同平面的平均溫度均比在貼附射流條件下高，可以認為貼附射流的條件下比置換通風具有更好的制冷能力。制冷量可以根據(jù)Jeong和Mumma［17］提出的計算模型求出：

式中 qr——輻射傳熱量，W/m2；

TAUST—— 輻射表面外其余圍護結(jié)構(gòu)表面的加權(quán)平均溫度，℃；

tp——輻射板表面平均溫度；

qc——對流換熱量，W/m2；

ta——室內(nèi)空氣平均溫度；

Fc—— 由空氣流動引起的對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

q ——輻射吊頂總換熱量，W/m2。

Fc計算式為：

跟據(jù)ASHRAE標準，在采用輻射板制冷時，TAUST可近似由下式得出［18］：

其計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同送風方式下的空調(diào)系統(tǒng)制冷量

計算結(jié)果可知，貼附射流條件下比置換通風總制冷量高出9.3%，這一方面是由于當冷空氣從室內(nèi)上方送入時，由于空氣密度差，冷空氣下沉帶動室內(nèi)空氣流動增大了對流換熱量，另一方面貼附射流直接帶動輻射板表面貼附層的空氣流動，直接增大了輻射板表面的對流換熱系數(shù)，從對流換熱量可以看出，貼附射流下的對流換熱量比置換通風高出34.29%。而貼附射流送風方式下輻射換熱量比置換通風低7.8%，這是由于輻射換熱量取決于輻射板表面平均溫度和室內(nèi)平均溫度的溫差，與空氣流速無關(guān)，從表2可以看出置換通風條件下室內(nèi)溫度和輻射板表面平均溫度的溫差達到6.3 ℃，但在貼附射流條件下，由于新風溫度為20 ℃，高于輻射板表面溫度，提高了輻射板表面溫度，使室內(nèi)溫度和輻射板表面平均溫度的溫差只達到5.8 ℃，從而導致輻射換熱量降低。

此外由圖4可以看出，在輻射板面積和輻射板供水溫度一定時，輻射換熱量變化不大，不同送風方式主要通過改變對流換熱量影響輻射空調(diào)的總制冷量，而對流換熱量主要受對流換熱系數(shù)的影響，所以工程上可通過增大貼附射流的送風速度提升其對流換熱量。對于置換通風，增大送風速度雖然也可以提高房間對流換熱系數(shù)，但提升效果沒有貼附射流明顯，反而可能會使人員感受到強烈的吹風感，影響人員的舒適度。

綜上所述，相較于置換通風，貼附射流通過大幅度增加對流換熱量提升總制冷量，但輻射換熱量反而有所降低，另外貼附射流在不影響人員舒適度的前提下，可通過增大送風速度或減低送風溫度提升制冷量。而使用置換通風時，若過多得增大送風速度或減低送風溫度，則會影響人員舒適度，從而限制了其制冷量的提高。

因此建議工程中在確保輻射板表面不結(jié)露的條件下，可以通過增大貼附射流送風速度進一步提升對流換熱量，也可以適當降低貼附射流送風溫度來避免輻射換熱量降低。

4 結(jié)論

（1）貼附射流送風方式下，具有更好的制冷能力，在送風參數(shù)和室內(nèi)其他條件不變的條件下，貼附射流比置換通風送風方式下總制冷量提高了9.3%。

（2）貼附射流可大幅度提高輻射吊頂?shù)膶α鲹Q熱量，但會使輻射換熱量略微減少，相較于置換通風，貼附射流的對流換熱量提高了34.29%，但輻射換熱量減少了7.8%。

（3）建議工程應用中在保證輻射板表面不結(jié)露的前提下，適當提高貼附射流新風送風速度，增加對流換熱量；同時適當降低新風溫度，提高輻射換熱量。