吳林霖 梁 珍
(東華大學(xué),上海)
傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)存在著耗能高、結(jié)露等諸多問題,毛細(xì)管重力循環(huán)柜(后文簡(jiǎn)稱為重力柜)作為一種耗能低、舒適度高且集制冷、制熱、除濕功能于一體的新型空調(diào)系統(tǒng)[1-2],漸漸進(jìn)入了大眾的視野。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)重力柜進(jìn)行了一系列的研究。對(duì)于重力柜獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的供冷性能,葛玉簫等人通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了水溫、流量等變量對(duì)重力柜供冷除濕能力的影響[3];谷德軍模擬研究了柜內(nèi)毛細(xì)管網(wǎng)的間距、排數(shù)等參數(shù)對(duì)重力柜供冷量的影響,并對(duì)重力柜的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析[4];金梧鳳等人進(jìn)行了重力柜與分體式空調(diào)的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明重力柜對(duì)地面結(jié)構(gòu)具有蓄冷作用,可緩解分體式空調(diào)的吹風(fēng)感[5];韓東太等人對(duì)重力柜的供冷除濕性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,介紹了重力柜單位毛細(xì)管的傳熱面積和空氣體積流量的計(jì)算[6];沈侃等人對(duì)水溫、流量、風(fēng)口尺寸和有無前置擋板等變量對(duì)重力柜制冷性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[7];Li等人根據(jù)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)存在的問題,對(duì)重力柜的制冷除濕性能的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析[8];Yang等人基于可呼吸壁與毛細(xì)管輻射板相結(jié)合的原理對(duì)重力柜的供冷除濕原理及性能進(jìn)行了介紹[9]。
對(duì)于重力柜與其他系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的補(bǔ)冷性能,谷德軍等人對(duì)重力柜+吊頂輻射復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明重力柜具備較好的輔助制冷作用,且在水溫7 ℃時(shí)達(dá)到最高冷量占比[10];劉異對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕+重力柜復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得到了水溫在10~18 ℃下重力柜對(duì)流和輻射換熱系數(shù)的范圍[11];陳慧等人研究了毛細(xì)管頂棚和重力柜聯(lián)合運(yùn)行下重力柜換熱性能的影響因素及其最佳運(yùn)行工況[12];李翠敏將重力柜與相變板相結(jié)合,試制了合適的蓄熱材料以研究重力柜的夜間蓄熱特性[13]。
目前對(duì)重力柜在不同室內(nèi)負(fù)荷下供冷出力的影響因素及影響范圍的研究較少。因此,本文以上海松江某實(shí)驗(yàn)室為例,搭建重力柜實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)其在不同室內(nèi)負(fù)荷、供水溫度、供水流量和輻射板是否保溫等因素下的供冷性能展開實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果可為重力柜系列產(chǎn)品未來在工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。
本次實(shí)驗(yàn)的重力柜的實(shí)物圖見圖1,重力柜的尺寸為2.25 m(高)×1.10 m(寬)×0.20 m(厚),外部為金屬鋁板。柜內(nèi)5排毛細(xì)管,采用外徑4.3 mm、厚度0.4 mm的聚丙烯(PPR)管,每排毛細(xì)管100根,單管長(zhǎng)210 mm,同排管間距為10 mm,相鄰兩排管間距為30 mm,主干管內(nèi)徑為10 mm。夏季重力柜的運(yùn)行原理如圖2所示,以冷熱空氣的密度差作為驅(qū)動(dòng)力,促使空氣在重力作用下自然循環(huán),由下風(fēng)口送出的冷空氣形成冷卻的“空氣湖”后通過房間內(nèi)部的熱源吸熱,自然向上循環(huán)流動(dòng),整個(gè)過程使人有較好的舒適感。
圖1 重力柜實(shí)物圖
圖2 夏季重力柜自然循環(huán)原理圖
重力柜系統(tǒng)的原理如圖3所示,采用空氣源熱泵搭配閉式水箱搭建實(shí)測(cè)系統(tǒng)。空氣源熱泵制備適宜溫度的低溫冷水供給重力柜,冷水循環(huán)升溫后經(jīng)閉式水箱返回?zé)岜?如此不斷地循環(huán)制冷。柜口安裝壓力表、熱電偶進(jìn)行管路壓力的平衡及測(cè)溫,供回水干管多處裝設(shè)銅球閥來調(diào)節(jié)管路水流方向、控制流量。夏季采用下供上回的供水方式為最佳,通過調(diào)節(jié)熱泵的中央控制面板和管路閥門得到7~11 ℃ 5種供水溫度、4~7 L/min 4種供水流量,進(jìn)而探討供水溫度、供水流量、輻射板是否保溫等變量對(duì)實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)環(huán)境的影響。
1.壓力表;2.熱電偶;3.銅球閥;4.回風(fēng)口;5.毛細(xì)管網(wǎng);6.送風(fēng)口;7.冷凝水盤;8.流量計(jì);9.閉式水箱;10.熱泵機(jī)組。圖3 重力柜系統(tǒng)原理圖
實(shí)驗(yàn)首先開啟熱泵機(jī)組,低溫冷水進(jìn)入重力柜循環(huán)至室內(nèi)環(huán)境達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,采用數(shù)據(jù)采集儀搭配22根J型熱電偶測(cè)量重力柜進(jìn)出口水溫、風(fēng)溫、輻射板壁溫及房間溫度。房間的相對(duì)濕度采用XYWS-1B型溫濕度記錄儀測(cè)量并記錄。管路供水總流量采用DFA-15T型轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量,具有監(jiān)測(cè)微調(diào)流量的功能。測(cè)試儀器的具體參數(shù)如表1所示。
表1 測(cè)試儀器及其參數(shù)
實(shí)驗(yàn)房間為上海松江某實(shí)驗(yàn)室,西墻為外墻,南墻為內(nèi)墻,其余兩面采用厚度為5 cm的聚氯乙烯(PVC)滑軌折疊板包圍出2個(gè)不同面積的房間,折疊板正反面添加保溫棉且房間進(jìn)行密封。其中小房間尺寸為6.0 m(長(zhǎng))×3.7 m(寬)×3.5 m(高),總面積約22 m2;大房間尺寸為6.0 m(長(zhǎng))×4.7 m(寬)×3.5 m(高),總面積約28 m2。
對(duì)于室內(nèi)測(cè)點(diǎn),選擇距地面0.1、0.7、1.7、3.0 m高處4個(gè)截面為測(cè)試截面,即在工作區(qū)內(nèi)人的腳踝、胸口、站立時(shí)頭部的位置及非工作區(qū)的測(cè)試位置。大、小房間的溫濕度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示,房間內(nèi)部設(shè)立多條鉛垂線,大、小房間每個(gè)截面分別選取1~12、1~9個(gè)點(diǎn)與熱電偶進(jìn)行連接,作為測(cè)點(diǎn),測(cè)量時(shí)間間隔為1 min。
注:1~12為溫度測(cè)點(diǎn)。圖4 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置圖
重力柜的供冷量分為兩部分:一部分是由送回風(fēng)口間的外輻射板與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的輻射換熱產(chǎn)生的冷量,根據(jù)文獻(xiàn)[4],得到輻射供冷的計(jì)算公式,見式(1)、(2);另一部分是由室內(nèi)空氣與冷水對(duì)流換熱產(chǎn)生的冷量,可利用送回風(fēng)口溫差來計(jì)算,見式(3)。
qr=σ[(tr+273.15)4-(tp+273.15)4]
(1)
Qr=qrs
(2)
式(1)、(2)中qr為單位面積重力柜外輻射板供冷量,W/m2;σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量,5.67×10-8W/(m2·K4);tr為房間非供冷表面的加權(quán)平均溫度,℃;tp為外輻射板表面的平均溫度,℃;Qr為重力柜外輻射板供冷量,W;s為重力柜外輻射板面積,m2。
Qc=cpam(toa-tia)
(3)
式中Qc為自然對(duì)流供冷量,W;cpa為空氣的比定壓熱容,J/(kg·℃);m為空氣的質(zhì)量流量,kg/s;toa為重力柜回風(fēng)溫度,℃;tia為重力柜送風(fēng)溫度,℃。
根據(jù)文獻(xiàn)[14],通過重力柜的供回水溫度和管路總流量,即可計(jì)算得到總供冷量Q,計(jì)算式為
Q=Lρcpw(tow-tiw)
(4)
式中L為重力柜主干管的水流量,m3/s;ρ為水的密度,kg/m3;cpw為水的比定壓熱容,J/(kg·℃);tow為毛細(xì)管回水溫度,℃;tiw為毛細(xì)管供水溫度,℃。
采用J型熱電偶在重力柜送回風(fēng)口分別布置左、中、右3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫,在熱泵機(jī)組供水達(dá)到穩(wěn)定后,以小房間為例,測(cè)得重力柜在不同供水溫度下送回風(fēng)口的溫差分布情況,如圖5所示。
圖5 不同供水溫度下重力柜送回風(fēng)口溫差分布
由圖5可知:夏季重力柜在不同流量下送回風(fēng)的溫差曲線間隔相近,不同流量的溫差相差較小。測(cè)試房間送回風(fēng)溫差范圍為11.5~16.3 ℃;送回風(fēng)溫差隨著供水溫度降低、供水流量增大而明顯增大,也體現(xiàn)了此時(shí)的制冷效果更好。由式(3)可知,當(dāng)送回風(fēng)溫差增大后,室內(nèi)空氣與毛細(xì)管換熱量增大,導(dǎo)致對(duì)流供冷量增大,這是重力柜總供冷量增大的主要原因。
改變供水流量和供水溫度,使用熱電偶分別測(cè)量重力柜的供回水溫度,由式(4)進(jìn)行計(jì)算,得到重力柜的供冷量與供水溫度、供水流量的關(guān)系曲線,如圖6所示。
圖6 重力柜供冷量與供水溫度、供水流量的關(guān)系曲線
由圖6可知:隨著供水溫度降低、供水流量增大,重力柜的供冷量增大;小房間的供冷量范圍為1 400~2 100 W。圖中4條曲線距離相近而高差較大,說明調(diào)節(jié)供水溫度比供水流量更有效[13]。
在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中,室外溫度為27~34 ℃,平均溫度為30 ℃,室外相對(duì)濕度為70%~90%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了同一測(cè)試平面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)間的室內(nèi)溫濕度變化微小,差值在1%以內(nèi),且相較于供水溫度,受供水流量的變化影響較小[12,15]。因此固定管路供水流量為7 L/min,調(diào)節(jié)供水溫度,測(cè)量小房間4個(gè)測(cè)試截面內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的溫濕度,并計(jì)算平均值。測(cè)試房間溫度的分布如圖7所示,相對(duì)濕度的分布如圖8所示。
圖7 不同供水溫度下室內(nèi)溫度變化
圖8 不同供水溫度下室內(nèi)相對(duì)濕度變化
由圖7、8可以看出,通過重力柜的連續(xù)循環(huán)運(yùn)行,小房間的室內(nèi)平均溫度穩(wěn)定在24~25 ℃,平均相對(duì)濕度穩(wěn)定在47%~50%。根據(jù)文獻(xiàn)[16],人在辦公室內(nèi)進(jìn)行靜坐等輕度活動(dòng)時(shí),在25~27 ℃環(huán)境下感覺舒適。因此當(dāng)供水溫度為9~11 ℃時(shí),房間內(nèi)的平均溫度在人體的舒適范圍內(nèi)。
由圖7、8可知,房間溫度隨著高度的增大而升高,而相對(duì)濕度則隨高度的增大先減小后增大,這種現(xiàn)象是多參數(shù)交互影響的結(jié)果,室內(nèi)人員的呼吸也是濕度在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處增大的一個(gè)原因[15]。工作區(qū)內(nèi),距地面0.1 m高平面的室內(nèi)溫濕度均隨著供水溫度的升高而增大,這是因?yàn)樵撈矫婵拷亓袼惋L(fēng)口,所以變化趨勢(shì)較明顯。距地面0.7 m高平面的室內(nèi)溫度隨供水溫度的升高平緩升高,且接近室內(nèi)平均溫度;而相對(duì)濕度則隨供水溫度的升高明顯增大,這是因?yàn)槭艿搅酥亓袼惋L(fēng)口源源不斷送出被除濕冷空氣的影響,且供水溫度越低,相對(duì)濕度越小,說明除濕效果越好。距地面1.7 m高平面的溫度隨供水溫度的升高維持平穩(wěn)升高的趨勢(shì),相對(duì)濕度曲線斜率則減小。距地面3.0 m高平面的溫濕度曲線均接近水平直線,僅受供水溫度變化的微小影響,這是因?yàn)樵撈矫嫖挥谥亓窕仫L(fēng)口上方,溫濕度變化波動(dòng)小、趨于穩(wěn)定。
以上分析均是在外輻射板無保溫的情況下,實(shí)際應(yīng)用中為了防止冷凝水外濺至輻射板面產(chǎn)生噪聲及導(dǎo)致結(jié)露,安裝時(shí)會(huì)在重力柜外輻射板內(nèi)表面添加一層保溫棉來隔聲并防止結(jié)露。以小房間為例,將外輻射板添加3 cm厚的保溫棉,同樣測(cè)量不同工況下外輻射板表面的溫度,計(jì)算出輻射供冷量。圖9顯示了重力柜有、無保溫情況下輻射供冷量的對(duì)比,圖10顯示了重力柜有、無保溫情況下輻射供冷量占比對(duì)比。
圖9 重力柜有、無保溫情況下輻射供冷量對(duì)比
圖10 重力柜有、無保溫情況下輻射供冷量占比對(duì)比
由圖9、10可知:不同工況下,重力柜無保溫時(shí)的輻射供冷量為55~70 W,占總供冷量的3.0%~4.5%,且隨著供水溫度降低、供水流量增大而明顯增大;加保溫后輻射供冷量減小至13.1~13.3 W,占總供冷量的0.55%~0.85%,且受供水溫度和流量的影響微小。可見重力柜供冷主要依靠對(duì)流換熱,輻射換熱只占很小的一部分。當(dāng)在輻射板增加保溫棉后,輻射供冷量占比急劇減小,且無論外輻射板有無保溫,輻射供冷量占比均隨著供水溫度升高、供水流量減小而增大。
選取7、9、11 ℃ 3種供水溫度,研究輻射板保溫對(duì)重力柜出力的影響,將外輻射板添加保溫棉后,測(cè)量4種流量下的供回水溫度并計(jì)算供冷量,重力柜有、無保溫情況下供冷量對(duì)比如圖11所示。
圖11 重力柜有、無保溫情況下供冷量對(duì)比
由圖11可知,小房間無保溫時(shí)重力柜的供冷量為1 400~2 100 W,加保溫時(shí)供冷量為1 480~2 300 W。說明相較于無保溫工況,添加保溫后重力柜的出力會(huì)增加,供冷量增大100~200 W。這是因?yàn)楫?dāng)外輻射板添加保溫棉后,減少了外輻射板散熱,并較好地增強(qiáng)了毛細(xì)管與室內(nèi)空氣間的對(duì)流換熱,從而使供冷量增大。
當(dāng)房間面積分別為22 m2和28 m2時(shí),計(jì)算得到房間內(nèi)的冷負(fù)荷分別約為1 300 W和1 500 W。可見房間面積的改變會(huì)影響室內(nèi)的負(fù)荷,選取7、9、11 ℃ 3種供水溫度,4、7 L/min 2種供水流量,通過改變實(shí)驗(yàn)房間的面積研究不同的房間負(fù)荷對(duì)重力柜出力的影響,重力柜大、小房間供冷量對(duì)比如圖12所示。
圖12 重力柜大、小房間供冷量對(duì)比
由圖12可知,大房間無保溫時(shí)供冷量為1 600~2 300 W,加保溫時(shí)供冷量為1 750~2 600 W,說明重力柜的出力可以滿足夏季室內(nèi)負(fù)荷要求,且隨著房間負(fù)荷的增大,重力柜的供冷量也會(huì)增大,出力增加。這是因?yàn)楫?dāng)室內(nèi)冷負(fù)荷增大后,重力柜與房間的換熱增強(qiáng),使回水溫度升高,導(dǎo)致供冷量增大。
考慮到供冷量與供水溫度、供水流量、室內(nèi)溫度等變量相關(guān),取室溫與供回水平均溫度之差作為特征溫度,根據(jù)已計(jì)算出的重力柜總供冷量,采用Origin軟件進(jìn)行公式擬合,得到重力柜夏季的供冷性能曲線,如圖13所示。
圖13 重力柜夏季的供冷量擬合曲線
由圖13可知,重力柜夏季的供冷量與特征溫度呈正比關(guān)系,根據(jù)文獻(xiàn)[14,17],使用冪函數(shù)作為擬合公式的基礎(chǔ),由供回水溫度得到供回水平均溫度計(jì)算公式,如式(5)所示;在供回水平均溫度的基礎(chǔ)上,可以得出夏季供冷量Q與特征溫差之間的關(guān)系式,如式(6)所示。
(5)
Q=kn(tp-Δt)b
(6)
式(5)、(6)中 Δt為夏季毛細(xì)管供回水平均溫度,℃;k為擬合系數(shù);n為重力柜數(shù)量;tp為室內(nèi)平均溫度,℃;b為指數(shù)。
k、b值如表2所示。
表2 重力柜不同工況下的擬合結(jié)果
在夏季,熱泵供入的低溫冷水使得柜內(nèi)毛細(xì)管壁溫遠(yuǎn)低于進(jìn)口熱空氣的露點(diǎn)溫度,產(chǎn)生的凝結(jié)水受重力作用流入柜底冷凝水盤后排至室外,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)除濕。根據(jù)文獻(xiàn)[18]查得對(duì)應(yīng)風(fēng)口溫度下的飽和分壓力,通過式(7)得到飽和含濕量,空氣溫度與飽和含濕量的關(guān)系如表3所示。根據(jù)風(fēng)口尺寸和進(jìn)出口風(fēng)速確定空氣的循環(huán)風(fēng)量,通過式(8)、(9)即可確定除濕量W。
(7)
式中db為飽和含濕量,g/kg;φ為相對(duì)濕度;B為大氣壓力,Pa;pw,s為飽和分壓力,Pa。
d=φdb
(8)
式中d為含濕量,g/kg。
W=M(d2-d1)
(9)
式中W為重力柜單位時(shí)間除濕量,kg/h;M為重力柜送回風(fēng)口空氣質(zhì)量流量,kg/h;d2為重力柜回風(fēng)口空氣含濕量,kg/kg;d1為重力柜送風(fēng)口空氣含濕量,kg/kg。
實(shí)驗(yàn)過程中,室內(nèi)人員為1人,散濕量為68 g/h。固定供水流量為7 L/min,改變供水溫度,當(dāng)房間溫濕度穩(wěn)定后,采用溫濕度儀測(cè)出重力柜送回風(fēng)口處空氣的相對(duì)濕度。根據(jù)式(7)~(9)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的除濕量,得到重力柜在不同供水溫度下送回風(fēng)口相對(duì)濕度和除濕量的分布,如圖14所示。
圖14 不同供水溫度下送回風(fēng)口相對(duì)濕度、除濕量分布
由圖14可以看出:重力柜回風(fēng)口處空氣的相對(duì)濕度為40%左右,隨供水溫度的變化微小,送風(fēng)口處相對(duì)濕度范圍為75%~85%,隨著供水溫度的升高而明顯增大;供水流量為7 L/min時(shí),重力柜的除濕量為400~990 g/h,隨著供水溫度的升高而增大,且除濕量的增加率隨著供水溫度的降低而明顯增大。隨著供水溫度的降低,除濕效果增強(qiáng)的同時(shí)也會(huì)因制備低溫冷水而增加機(jī)組能耗,因此實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)該選擇合適的供水溫度和供水流量范圍來保證較好的除濕效果和較低的能耗[13]。
通過實(shí)測(cè)得到不同房間負(fù)荷、輻射板有無保溫等工況下室內(nèi)溫濕度的分布情況,并對(duì)重力柜的供冷量、輻射供冷量占比及除濕情況進(jìn)行了研究,得到以下結(jié)論:
1) 夏季室外溫度為27~34 ℃,相對(duì)濕度為70%~90%。常規(guī)供水工況下,在房間負(fù)荷為1 300 W時(shí),重力柜總供冷量在無保溫時(shí)為1 400~2 100 W,加保溫時(shí)為1 500~2 300 W;在房間負(fù)荷為1 500 W時(shí),總供冷量在無保溫時(shí)增加至1 600~2 300 W,加保溫時(shí)增加至1 750~2 600 W。夏季室內(nèi)溫度為24~25 ℃,相對(duì)濕度為47%~50%。重力柜的供冷能力隨著供水溫度降低、供水流量和房間負(fù)荷增大、添加輻射板保溫而增強(qiáng)。
2) 夏季重力柜主要通過送回風(fēng)口間的對(duì)流換熱傳送冷量,輻射供冷量占比很小,無保溫時(shí)為3.0%~4.5%,加保溫后為0.5%~1.0%。隨著供水溫度降低、供水流量增大,無保溫時(shí)輻射供冷量增大,加保溫時(shí)變化微小,而輻射供冷量占比在有無保溫時(shí)均增大。
3) 夏季重力柜的供冷量與特征溫度呈正比關(guān)系,在房間負(fù)荷為1 300 W時(shí),擬合公式無保溫時(shí)為Q=51.28n(tp-Δt)1.36,加保溫時(shí)為Q=87.51n(tp-Δt)1.21;在房間負(fù)荷為1 500 W時(shí),擬合公式無保溫時(shí)為Q=63.40n(tp-Δt)1.18,加保溫時(shí)為Q=28.02n(tp-Δt)1.60。
4) 當(dāng)供水溫度為7~11 ℃、供水流量為7 L/min時(shí),重力柜的除濕量為400~1 000 g/h,房間在穩(wěn)態(tài)情況下重力柜的除濕量隨供水溫度的降低而增大。
由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地受限,本文在實(shí)驗(yàn)過程中僅對(duì)2種室內(nèi)負(fù)荷下重力柜的供冷能力進(jìn)行了研究,且只選用了1種輻射板保溫材料,針對(duì)這些不足之處,未來將擴(kuò)大室內(nèi)負(fù)荷范圍,增設(shè)不同材質(zhì)、厚度的保溫材料,對(duì)重力柜在多種負(fù)荷、輻射板保溫等工況下的供冷能力和供冷極限開展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。