重力循環(huán)柜的供熱性能及室內(nèi)熱環(huán)境實測研究

葛玉簫 梁珍 于英娜

1 東華大學環(huán)境與工程學院

2 昆山KST 空調(diào)技術有限公司

0 引言

目前，在我國建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)中，冬季供熱一般采用對流式風機盤管末端和輻射式換熱末端。對于對流式供暖，存在明顯的噪音和氣流擾動，熱響應較快。對于輻射式供暖，是一種衛(wèi)生和舒適條件較好的暖方式[1]。據(jù)此本文研究的重點是毛細管重力循環(huán)柜，該設備能夠?qū)崿F(xiàn)自然對流循環(huán)供暖及外輻射板供暖，具備對流供暖和輻射供暖雙重功能[2]。

毛細管重力循環(huán)設備作為毛細管輻射系統(tǒng)的一部分，是毛細管網(wǎng)一種新的應用，主要依靠自然對流與室內(nèi)環(huán)境換熱[3]。該設備簡易且集成度高，作為一種典型換熱設備，已有文獻對重力循環(huán)柜進行了夏季供冷除濕方面的研究[4]，然而對重力循環(huán)柜的供熱性能研究較少，因此本文主要針對該設備的供熱工況進行實測與分析，為設備的推廣奠定研究基礎。本文實驗測試地區(qū)選擇在江蘇昆山，屬于夏熱冬冷氣候，測試月份選擇12 月份，為供暖季節(jié)。

1 設備的構造及原理

1.1 重力循環(huán)柜設備的構造

測試房間中重力循環(huán)柜尺寸為2.1 m（高度）×1.1 m（寬度）×0.2 m（厚度），內(nèi)部換熱部分是由垂直分布的5 排毛細管組成，每排150 根，毛細管材料為外徑4.3 mm，厚度0.8 mm 的PP 管，管道布局為異程下供上回的送回水方式，單管長為180 mm，管間距為5.7 mm，毛細管中流動的介質(zhì)為熱水，重力循環(huán)柜設備的實物圖如圖1 所示。

圖1 重力循環(huán)柜實物圖

1.2 重力循環(huán)柜運行原理

重力循環(huán)柜與室內(nèi)環(huán)境換熱的原理是將懸掛毛細管網(wǎng)置于特殊制作的柜殼中，外表面為鋁板，其他板面做保溫處理，對外面板上下開風口，依靠柜內(nèi)空氣與室內(nèi)空氣的密度差，在房間與柜之間形成僅依靠熱壓作用的空氣自然對流循環(huán)，達到需求室溫的目的[5]，其自然循環(huán)過程中的氣流組織如圖2 所示。

如圖2 所示，即為重力循環(huán)柜與室內(nèi)環(huán)境換熱供暖的流程，熱泵提供40～45 ℃熱水，經(jīng)過分集水器供入到重力循環(huán)柜，運行過程中，房間下部低溫空氣經(jīng)由柜下部進口進入，經(jīng)過毛細管網(wǎng)換熱形成熱空氣，從柜體的上部出口排出，集聚在房間上部并向下擠壓，與熱源進行換熱，繼而從房間下部進入重力循環(huán)柜完成循環(huán)過程，其中，外柜面因受柜內(nèi)熱空氣導熱，對室內(nèi)環(huán)境具備一定的輻射熱[6]。

圖2 冬季重力循環(huán)柜運行圖

2 實測方法及儀器

2.1 實驗方法

實驗系統(tǒng)采用Smart aero1 空氣源熱泵來運行重力循環(huán)柜，熱泵通過混水中心得到合適溫度的水，供水管道上裝設閥門來控制水流量，從而進一步來滿足室內(nèi)工況需求。重力循環(huán)柜冬季一般供入高溫熱水40～45 ℃，實測過程中，選用40 ℃、42 ℃、44 ℃三種供水溫度，3 L/min、4 L/min、5 L/min 三種供水流量，來探討合適的供水溫度與供水流量，以及這些變量對室內(nèi)環(huán)境的影響程度，從而達到熱舒適目的，實驗測試原理如圖3 所示。

圖3 實驗測試原理圖

2.2 測量儀器

室內(nèi)溫度測試采用Agilent 34970A 型數(shù)據(jù)采集儀，并使用多個T 型熱電偶對室內(nèi)測點同時進行測溫。毛細管壁面溫度采用紅外線溫度計，這主要因為毛細管外徑較小，不適合熱電偶測溫。風口風速的測試采用AR866A 型風速測量儀，主要對重力循環(huán)柜上下開口處進行風速測量。供水流量的調(diào)節(jié)以及測定采用LZB-7 型轉(zhuǎn)子流量計，量程為0～7 L/min。

為了保證實驗測試數(shù)據(jù)的準確度，在儀器測量之前，需進行儀器標定，對于熱電偶，是采用恒溫水槽和標準水銀溫度計對熱電偶進行標定，根據(jù)標定結果采用最小二乘法曲線擬合出測量值與實際值間的函數(shù)關系式，并進行校驗調(diào)整。

2.3 測點布置

選取的測試房間尺寸為6.8 m（長度）×3.6 m（寬度）×2.8 m（高度），外窗尺寸為0.7 m（寬度）×1.75 m（高度），房間的圍護結構保溫性能良好。實驗過程中，需要測量的數(shù)據(jù)包括：供回水溫度、進出口風速、供水流量、室內(nèi)環(huán)境溫度。

考慮到重力循環(huán)柜置換送風的功能，室內(nèi)溫濕度的測點布置如圖4 所示，選擇高度為0.1 m，1.1 m 和1.7 m 的截面為測試截面，每個截面選取9 個點作為測點，共布置27 個測點。通常Z=0.1 m 截面為人體腳踝位置，Z=1.1 m 截面為人體在辦公、學習、休息等靜坐時人體頭部的位置，Z=1.7 m 截面為人體在走路、運動等站立時人體頭部的位置。

圖4 室內(nèi)測點圖

3 供熱量的計算

3.1 輻射供熱量

重力循環(huán)柜的輻射供熱主要來源于外輻射板，輻射板輻射供熱量可用式（1）和式（2）確定[7]。

式中：qr為每平米重力循環(huán)柜輻射板換熱量，W/m2；AUST 為室內(nèi)非供熱表面的加權平均溫度，℃；Tp為外輻射板表面的平均溫度，℃；s 為重力循環(huán)柜外輻射板面積，m2；Qr為重力循環(huán)柜輻射供熱量，W。

3.2 總供熱量

重力循環(huán)柜的供熱量主要由兩部分組成，一部分是供熱量是由外輻射板產(chǎn)生的熱量。另一部分供熱量是由上部出風口對流產(chǎn)生的熱量。總供熱量可利用冷熱量平衡的原理，測量出重力循環(huán)柜的進出口水溫度和流量，便可計算出重力循環(huán)柜的總供熱量，總供熱量可用式（3）確定[8]。

式中：Q 為重力循環(huán)柜供熱量，W；L 為供水水流量，m3/s；c 為水的比熱容，J/(kg·℃)；ρ 為水的密度，kg/m3；tin為毛細管供水溫度，℃；tout為毛細管回水溫度，℃。

4 實測數(shù)據(jù)分析

4.1 毛細管壁溫升情況

在毛細管壁溫隨供水流量變化的測定過程中，選取高度上每間隔250 mm 的測點確定測溫點，設定供水溫度為42 ℃，得出如圖5 所示的冬季工況下3 L/min、4 L/min、5 L/min 三種不同水流量下的毛細管壁溫分布情況。

圖5 毛細壁溫分布情況

從圖5 可以看出，毛細管壁溫在三種不同供水流量下存在溫度差異，毛細管壁溫隨著毛細管高度的提升而下降，高度越高，壁溫差異逐漸顯現(xiàn)，流量越大，壁溫隨高度變化的斜率絕對值越小。當重力循環(huán)柜供水流量從3 L/min 上升到4 L/min、5 L/min 時，相應的供回水溫差從5.8 ℃下降到4.8 ℃、3.9 ℃。

根據(jù)圖5 及相關測試數(shù)據(jù)，得出如表1 的冬季工況下重力循環(huán)柜的供水流量與供回水溫差關系表。

表1 毛細管供水流量與供回水溫差關系表

在毛細管壁溫隨供水溫度變化的測定過程中，選取高度上每間隔250 mm 的測點確定測溫點，設定供水流量為4 L/min，得出如圖6 所示的冬季工況下40 ℃、42 ℃、44 ℃三種不同供水溫度下的毛細管壁溫分布情況。

圖6 毛細管壁溫隨供水溫度變化

從圖6 可以看出，毛細管壁溫在三種不同供水溫度下變化趨勢相同，且相同高度的管壁溫差在2 ℃左右，這主要是因為供水流量的設定值相同，故而毛細管供回水的溫差值相似，差異不太明顯。當重力循環(huán)柜供水溫度從40 ℃上升到42 ℃、44 ℃時，相應的回水溫度從35.2 ℃上升到37.3 ℃、39.2 ℃。

4.2 室內(nèi)測點溫度分布情況

測試時冬季室外溫度為6.7 ℃，通過三個不同截面高度的測點溫度數(shù)據(jù)分析，得出如圖7 所示的室內(nèi)不同高度的測點溫度分布。

圖7 室內(nèi)測點溫度分布

從圖7 可以看出，室內(nèi)溫度不低于19 ℃，測點之間溫度相差不大，水平截面的溫度分布較為均勻，但垂直截面的溫度分層現(xiàn)象明顯。另外，可以看到靠近重力柜附近的7、8、9 測點溫度較高，且不同截面高度間溫差較大，最大溫差值大于3 ℃，可能會對人體帶來熱感覺的不舒適[9]，這是因為這些測點靠近重力柜，上部送風口吹出的熱空氣密度較小，聚集在房間上部，進而向房間底部沉降，使得重力柜附近的上部區(qū)域溫度與下部區(qū)域溫度存在溫度差值。

4.3 柜進出口參數(shù)分析

使用熱線風速儀對重力循環(huán)柜進出口進行風速和溫度測量，在數(shù)據(jù)測量過程中，測點的選取是在風口均勻取5 個點，并通過測量各點數(shù)值點求平均值的方法求取實測風速和溫度值，得出如圖8 所示的風口附近溫度和風速分布情況。

圖8 柜進出口附近溫度和速度分布

從圖8 可以看出，對于速度分布，重力循環(huán)柜出風口風速一般大于進風口風速，出風口風速衰減較慢于進風口風速衰減的速度，可知重力循環(huán)柜出風口帶來的氣流擾動大于進風口帶來的氣流擾動，同時，可以看出進出口的風速范圍在0.2～0.5 m/s 之間，風速擾動范圍較小。對于溫度分布，重力循環(huán)柜的進出風口溫度存在較大差值，這是因為溫差是重力柜柜內(nèi)空氣流動的動力源，使得重力柜與室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生聯(lián)系。隨著離柜距離的增加，進出口截面高度之間的溫差減小，并保持穩(wěn)定。

4.4 供熱性能

重力循環(huán)柜的供熱量主要由兩部分組成，一部分是外部輻射板受到內(nèi)部空氣傳熱影響，具備一定的輻射供熱量。另一部分供熱是由送風口送出的熱風，對流產(chǎn)生的熱量。使用紅外線測溫儀測試重力柜外輻射板表面溫度，便可計算出輻射板供熱量。使用專用儀器測量出重力柜進出口溫度和流量，便可以通過計算得出重力柜的換熱量。通過外輻射板輻射供熱量與重力柜總供熱量對比，得出如圖9 所示的重力柜輻射供熱占比圖。

從圖9 可以看出，在冬季工況下，供水溫度越高，重力循環(huán)柜的總供熱量和輻射供熱量越高，但輻射供熱占比情況大致相同，三種供水溫度下的重力柜輻射供熱占比分別為10.6%、10.5%、10.4%。當供水溫度在40～44 ℃范圍時，輻射供熱量在120～140 W 之間，總供熱量在1000～1700 W 之間，輻射供熱量約占總供熱量的10%左右，剩下供熱量主要由出口對流供熱提供。

圖9 重力柜輻射供熱占比

4.5 室內(nèi)外熱濕環(huán)境變化情況

通過對冬季工況下的測試房間室內(nèi)外溫濕度測試，得到如圖10 和如圖11 所示的室內(nèi)外溫濕度隨時刻變化情況。

圖10 室內(nèi)外溫度隨時刻變化圖

圖11 室內(nèi)外相對濕度隨時刻變化圖

由圖10、11 所示為冬季室內(nèi)外溫濕度變化圖，由圖中的變化可以看出：室內(nèi)熱濕響應于45 min 左右達到平衡，25～45 min 之間熱濕響應速度最快，45 min 后熱濕響應曲線趨于平緩。對于室內(nèi)環(huán)境溫度，由于重力柜冬季供暖的功能，使得室內(nèi)的溫度經(jīng)過熱響應后，溫度升高明顯，趨于穩(wěn)定在19～24 ℃范圍內(nèi)。對于室內(nèi)環(huán)境相對濕度，室內(nèi)相對濕度受室外相對濕度影響較大，受重力柜供暖的影響，室內(nèi)的相對濕度穩(wěn)定在30%～50%范圍內(nèi)，且低于室外的相對濕度。

5 結論

本文針對冬季工況下重力循環(huán)柜的運行性能進行實驗測試，選取江蘇昆山作為夏熱冬冷氣候的代表城市，通過儀器測試溫度、濕度、風速等參數(shù)，得出以下相關結論：

1）毛細管壁溫隨高度的變化接近線性關系，不同供水流量下壁溫存在溫差，供水流量越大，壁溫隨高度變化的斜率絕對值越小。不同供水溫度下毛細管壁溫隨高度的變化趨勢相同，供水的溫度越高，回水的溫度越高。

2）通過重力循環(huán)柜的外輻射板輻射以及送風口上送熱風，使得房間內(nèi)水平截面的溫度分布較為均勻，垂直截面的溫度分層現(xiàn)象明顯。其中，重力循環(huán)柜附近測點不同截面高度的溫差較大，可能會引起人體熱感覺的不舒適。

3）重力循環(huán)柜出風口帶來的氣流擾動大于進風口帶來的氣流擾動，且風速范圍在0.2～0.5 m/s 之間。重力循環(huán)柜的進出風口溫差較大，隨著離柜距離的增加，進出口截面高度之間的溫差減小。

4）冬季工況下，當供水溫度在40～44 ℃時，重力循環(huán)柜的輻射供熱量在120～140 W 之間，總供熱量在1000～1700 W 之間，輻射供熱占比10%左右。

5）房間熱濕響應時間約為45 min，熱濕響應過程中，室內(nèi)溫度升高明顯，穩(wěn)定在19～24 ℃范圍內(nèi)，室內(nèi)相對濕度降低明顯，穩(wěn)定在30%～50%范圍內(nèi)。