某石墨輻射板熱性能實驗測試研究

任豪 袁濤 李禹 劉靖

1 河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院

2 中國建筑科學(xué)研究院有限公司

3 江蘇碳元綠色建筑科技有限公司

0 引言

輻射板作為一種空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置，在歐洲、北美、日本等地得到了大面積的推廣和應(yīng)用，近年來在中國也有很大的發(fā)展。輻射供暖相比散熱器供暖，散熱面積擴大，可較均勻地加熱房間空氣。散熱表面溫度降低，減少了對流散熱的比例，符合人體熱舒適要求。熱媒溫度低，可以利用低品位熱源。熱穩(wěn)定性好，抵抗外界干擾能力強。能與建筑結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較好的結(jié)合[1]。自從輻射空調(diào)與送風(fēng)技術(shù)相結(jié)合在一定程度上解決了輻射板冷量與冷凝水問題后[2]，輻射吊頂空調(diào)也得以大力推廣。

由于輻射供冷供暖具有以上優(yōu)點，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品越來越多，但質(zhì)量良莠不齊[3]，中國雖然發(fā)布了輻射供冷及供暖裝置熱性能測試方法的行業(yè)標準[4]，但目前還未有一套完善的標準測試系統(tǒng)裝置，缺乏實測數(shù)據(jù)。而輻射板的實際應(yīng)用中，一般采取估算方法來測算輻射板的供冷（暖）量及熱性能相關(guān)參數(shù)，導(dǎo)致誤差偏大，無法得到其準確的熱性能參數(shù)，在某種程度上阻礙了輻射供冷及供暖技術(shù)的進一步推廣及新型輻射板的研制與開發(fā)。

本文根據(jù)中國關(guān)于輻射供冷及供暖裝置熱性能測試的標準要求，研制出了新型的測試系統(tǒng)，并對某石墨輻射板以吊頂安裝形式進行了熱性能測試研究，根據(jù)實驗結(jié)果提出了相應(yīng)的建議。

1 測試系統(tǒng)組成及原理

輻射供冷及供暖裝置測試系統(tǒng)主要由封閉式小室、冷卻壁面的風(fēng)系統(tǒng)、測試樣品冷熱媒制備及循環(huán)水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集、處理及控制系統(tǒng)組成。具體如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)示意圖

圖2 測試裝置的風(fēng)系統(tǒng)圖

冷卻壁面的風(fēng)系統(tǒng)（如圖2 所示）主要由一套空氣處理機組組成，包括直接蒸發(fā)段，加熱段和風(fēng)機段，直接蒸發(fā)段與室外的5HP 風(fēng)冷壓縮冷凝機組相連接，用以初步調(diào)節(jié)夾層的送風(fēng)溫度。加熱段用來進一步調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度。

測試樣品冷熱媒制備及循環(huán)水系統(tǒng)（如圖3 所示）由風(fēng)冷冷水（熱泵）機組、水箱、水泵、稱重裝置等組成，主要為輻射裝置的運行提供冷凍水。通過粗調(diào)水箱及精調(diào)水箱加熱使供水溫度達到設(shè)定值，由于被試設(shè)備的水流量較小，因此通過調(diào)節(jié)平衡閥的開度來調(diào)節(jié)水流量，管路中設(shè)置浮子流量計作為調(diào)節(jié)流量的參考，為了滿足測試精度要求，采用稱重法進行水流量的測試。

圖3 測試裝置的水系統(tǒng)圖

2 實驗方法

通過開啟冷卻壁面的風(fēng)系統(tǒng)、冷熱媒制備及循環(huán)水系統(tǒng)，設(shè)定水箱溫控器溫度，同時開啟水箱內(nèi)攪拌器，使水箱內(nèi)水溫達到均勻一致，水箱中設(shè)有鉑電阻溫度傳感器以監(jiān)測水箱中的水溫，在供水管路上安裝管路電加熱以精調(diào)供水溫度，將室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度，待金屬小室內(nèi)壁面溫度、室內(nèi)空氣溫濕度、輻射板供回水溫度穩(wěn)定后，采集輻射板供回水溫度、輻射板表面溫度等參數(shù)，計算反向傳熱量及輻射板換熱量。

3 輻射板熱性能測試結(jié)果及分析

3.1 石墨輻射板及安裝方式

單塊石墨板規(guī)格為1220 mm×390 mm，石墨板內(nèi)部U 型金屬管內(nèi)徑9.5 mm，測試樣品為16 塊石墨輻射板拼接而成（如圖4），輻射面積為7.6 m2，每4 塊石墨板單元串聯(lián)為一組，4 組石墨板再以同程式并聯(lián)連接，石墨板之間連接采用10 mm 普通塑料管，供、回水主干管為20 mm 鋁塑管，采用吊頂安裝方式。

圖4 石墨輻射板連接安裝示意圖

3.2 夏季制冷工況測試結(jié)果

實驗測試原理參照輻射供冷及供暖裝置熱性能測試方法，供冷量特征公式的確定至少要在過余溫度（樣品進出水平均溫度與基準點空氣溫度的差值）分別為11.0±1.0 K、8.5±1.0 K、6.5±.50 K 三個工況測試的基礎(chǔ)上進行。因此夏季供冷工況測試中，分別選擇7個不同供水溫度，測試過程中房間空氣溫度控制在26±0.1 ℃，房間平均輻射溫度控制在25±0.1 ℃，水的質(zhì)量流量控制在42.38±10-3kg/s。各個工況下的實驗結(jié)果如圖5～8。

圖5 單位面積反向傳熱量隨供水溫度變化

圖6 供冷量隨過余溫度的變化

圖7 單位面積供冷量隨供水溫度變化

圖8 輻射板平均溫度隨供水溫度的變化

在供冷工況下，供水溫度和單位面積供冷量、單位面積反向傳熱量均呈負線性關(guān)系，同一供水溫度下，單位面積反向傳熱量越小單位面積供冷量則越大，可根據(jù)供水溫度確定所需輻射板的面積。輻射板表面平均溫度與供水溫度呈正線性關(guān)系，輻射板表面溫度低于周圍空氣溫度引起結(jié)露時，會對家裝帶來衛(wèi)生、腐蝕等一系列問題，表面溫度是判斷輻射板是否結(jié)露的一個關(guān)鍵參數(shù)。供冷量與過余溫度之間呈冪函數(shù)關(guān)系，測試得到的供冷量標準特征公式Qsc=83.26202×ΔT0.88662。對于同一款材質(zhì)的成品來說，特征公式將有效的顯示出環(huán)境溫度的變化與換熱量之間的變化關(guān)系。

3.3 冬季供暖工況測試結(jié)果

供熱量特征公式的確定至少要在過余溫度分別為15.5±2.0 K、19.5±1.0 K、28.5±2.0 K 三個工況測試的基礎(chǔ)上進行。因此冬季供暖工況測試中，分別選擇8 個不同供水溫度，測試過程中房間空氣溫度控制在18±0.1 ℃，房間平均輻射溫度控制在25±0.1 ℃，水的質(zhì)量流量控制在44.10×10-3kg/s。各個工況下的實驗結(jié)果如圖9～12。

圖9 單位面積反向傳熱量隨供水溫度變化

圖10 供熱量與過余溫度的變化

圖11 單位面積供熱量隨供水溫度變化

圖12 輻射板平均溫度隨供水溫度

在供熱工況下，供水溫度與單位面積供熱量、單位面積反向傳熱量、輻射板表面平均溫度均呈正線性關(guān)系，同一供水溫度下，單位面積反向傳熱量越大則單位面積供熱量越小，可以根據(jù)合適的供水溫度確定所需輻射板的面積。當(dāng)輻射板表面溫度低于周圍空氣溫度引起結(jié)露時，會對家裝帶來衛(wèi)生、腐蝕等一系列問題，表面溫度是判斷輻射板是否結(jié)露的一個關(guān)鍵參數(shù)。供熱量與過余溫度呈冪函數(shù)關(guān)系，測試得到的供熱量標準特征公式為Qsh=21.90458×ΔT1.26472，對于同一款材質(zhì)的成品來說，特征公式將有效的顯示出環(huán)境溫度的變化與換熱量之間的變化關(guān)系。

4 結(jié)論

1）在標準制冷工況下，單位面積供冷量q=71.06 W，當(dāng)過余溫度ΔT=8.5 K 時，標準單位面積供冷量qc=72.94 W。在標準制熱工況下，單位面積供熱量q=119.54 W，當(dāng)過余溫度ΔT=19.5 K 時，標準單位面積供熱量qh=123.18 W。

2）實際設(shè)計時可以根據(jù)實際供水溫度和室內(nèi)冷負荷，計算石墨板鋪設(shè)面積。供熱工況由于供回水平均溫度與室內(nèi)溫度差增加，因此輻射板換熱能力有所增加，但也應(yīng)根據(jù)房間熱負荷，計算所需的石墨板鋪設(shè)面積，對夏季工況計算出來的選型參數(shù)進行校核。

3）實際設(shè)計過程中，設(shè)計師應(yīng)根據(jù)室內(nèi)負荷計算結(jié)果、室內(nèi)設(shè)計溫度、設(shè)計水溫三者查詢圖6、圖8、圖10、圖12 計算得出石墨輻射板用量面積，結(jié)合建筑形式及裝修要求合理設(shè)計石墨輻射板鋪設(shè)面積與形式。

4）在輻射板安裝過程中，每4 塊石墨板單元串聯(lián)為一組石墨板，在同一石墨板內(nèi)，單塊石墨板之間采用帶保溫塑料管連接，平均每根塑料管長度達到0.7 m，塑料管存在一定的散熱量，實際計算的單位面積供冷（熱）量包含此部分管路的散熱量。