輻射吊頂供冷房間結露特性研究

金梧鳳 王 倩 于志浩

(1 天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 天津 300134; 2國內貿易工程設計研究院 北京 100054)

輻射吊頂供冷房間結露特性研究

金梧鳳1王 倩1于志浩2

(1 天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 天津 300134; 2國內貿易工程設計研究院 北京 100054)

本文通過實驗研究和數值模擬相結合的手段，研究了輻射供冷系統啟動階段輻射板表面溫度變化及系統穩定階段人體散濕的強度和人員散濕的位置對結露特性的影響，結果表明：在系統啟動階段單獨運行輻射供冷系統6 min后就會發生結露現象，所以在系統啟動階段要及時采取有效的預除濕措施，在此過程中，輻射板表面溫度的降低比人體散濕強度的變化對結露的時間的影響更顯著；在系統穩定階段，每增加一個成年男子輕度勞動時的散濕量，結露提前12 min左右發生，人體所在位置的輻射板比其他位置處輻射板先發生結露，在防止結露時，應重點監測人體上方區域的輻射板的表面溫度。

輻射吊頂供冷；露點溫度；輻射板表面溫度；結露時間

輻射空調供冷系統作為一種新型的溫濕度獨立控制的空調系統，避免了傳統空調系統使用過程中能源浪費、房間溫度梯度較大、吹風強度大引起人員不舒適等弊端[1]，并且以其節能、舒適、健康環保和應用領域廣泛等優點，近年來得到越來越多的關注[2]。

夏季采用輻射吊頂供冷時，容易出現結露現象。當室內的散濕強度增加，或者為了提高供冷能力而降低供水溫度時，在輻射板表面溫度低于室內空氣的露點溫度，就會發生結露現象，直接影響制冷系統的運行狀況[3]。為了避免結露必須保證輻射板表面溫度不能過低，但是輻射板的供冷能力受到限制。因此，防止輻射板表面結露與提高輻射板的供冷能力兩者相互制約，這也是阻礙輻射板廣泛推廣的關鍵因素[4]。有國外學者針對輻射空調的舒適性、節能性等方面進行了深入研究，研究指出輻射吊頂供冷空調系統具有較大市場需求與發展的空間；劉乃玲等[5]針對輻射板表面溫度的變化進行了實驗研究，結果表明，在輻射供冷系統開啟后約60 min內，輻射板的表面溫度、室內空氣的溫度均有顯著變化，系統開啟60 min后，上述各項趨于穩定。針對預防結露的問題，有學者提出了優先控制濕度的思想，在輻射空調開啟前先開啟送風系統，對房間進行預除濕處理，控制房間的相對濕度[6-7]，也有學者對末端裝置進行研究來解決結露問題[8-10]。而要解決結露問題需要了解結露的過程，即人體散濕后水蒸氣是如何擴散的及貼附層的含濕量的分布情況，因此研究貼附層含濕量的擴散特性對防止結露是至關重要的。

本文采用實驗與數值模擬相結合的方法對輻射板結露特性進行研究，主要針對封閉房間人體散濕這一影響濕擴散的重要因素進行研究，通過實驗手段對啟動階段輻射板溫度變化情況和輻射板的結露的時間進行研究，并用模擬方法擴展研究了穩定階段時，不同人體散濕的位置和人體散濕強度下，各輻射板下方貼附層的含濕量和露點溫度的變化情況，以及各輻射板的結露特性，為提出合理的防止結露措施提供一些思路。

1 實驗研究

1.1 實驗臺概況

該實驗房間尺寸為5 m×3 m×2.3 m，墻壁和屋頂均為50 mm厚的聚苯彩鋼板，房間有一南外墻(3 m×2.3 m)，墻上有一外窗(3 m×1.45 m)，如圖1所示，實驗房間的吊頂采用毛細管網金屬輻射板，單個尺寸1500 mm×800 mm，共9塊，毛細管網規格為U20，輻射頂板配管布置平面圖如圖2所示，該圖為俯視圖，四面邊線為墻壁。左、右側距離東墻0.3 m，距離南側外墻0.35 m，距離北墻0.15 m，實線所示為供水，虛線所示為回水。圖3所示為金屬輻射板內部結構圖[11]，圖4所示為輻射板實物圖，在江蘇蘇州妥思空調設備有限公司按德國標準建造的測試臺上對該輻射板的制冷量進行測試，測試結果為：在供回水溫度為16/18 ℃時，制冷量為62.5 W/m2[12]。

實驗臺用風冷式熱泵機組作為系統冷源，供回水溫度設定為7/12 ℃，通過分集水器，一部分冷水進入空調機組處理新風，另一部分低溫冷水經過板式換熱器與輻射板回水進行熱交換，利用冷源測的三通調節閥使供水溫度維持在16～20 ℃，進而送入實驗室毛細管網進行換熱。

圖1 實驗房間效果圖Fig.1 Rendering of the experimental room

圖2 輻射板及配管布置平面圖Fig.2 Plan of radiant panels and piping layout

圖3 輻射板內部結構圖Fig.3 Internal structures of radiant panel

圖4 輻射板實物圖Fig.4 Physical map of radiant panel

1.2 實驗條件

在本次實驗中盡可能創造一個不受外界環境干擾的理想實驗環境，實驗設定條件如表1所示。

1.3 實驗內容

由于輻射冷吊頂與室內環境的輻射對流作用，輻射板附近的空氣溫度明顯低于工作區的空氣溫度，真正導致輻射板結露的是靠近輻射板下方0.01 m的空氣層(以下簡稱為貼附層)，而非室內人員工作區的空氣層[13]。

表1 實驗設定條件Tab.1 The conditions of the experiment

本實驗主要研究輻射板表面溫度變化情況和含濕量擴散特性，實驗測試了散濕強度為300 g/h[14]，人員位于房間中央時，與人體不同的相對位置處輻射板的表面溫度和貼附層的溫濕度，進而分析計算貼附層的含濕量和露點溫度，比較輻射板表面溫度和貼附層露點溫度，得出輻射板結露的時間，并針對輻射板表面溫度和貼附層露點溫度動態變化特性對結露的時間的影響效果進行對比分析。

1.4 測試點布置

每塊輻射板表面布置6個T型熱電偶溫度測點，取6個測點溫度的平均值作為該輻射板的表面溫度，在貼附層平面上布置9個溫濕度測點，分別位于每塊輻射板中央的正下方0.01 m處，溫濕度變送器的編號為1～9，與輻射板的編號順序相同。

1.5 實驗結果分析

圖5所示為系統啟動階段各輻射板表面溫度隨時間的變化曲線，由于系統啟動階段輻射板表面溫度迅速下降，而后下降趨勢比較緩慢，因此按斜率不同可以將曲線分成兩個階段：第一階段(0～40 min內)輻射板表面溫度平均以0.13 ℃/min的速率下降；第二階段(40～80 min內)輻射板表面溫度下降速率較小，平均為0.03 ℃/min。出現這種現象的原因是：隨著系統運行，毛細管內冷水和輻射板結構層間溫差逐漸減小，板表面溫度與貼附層干球溫度差值也逐漸減小，導致換熱能力降低。從圖5還可以看出，板2處溫度下降最快，且最終溫度最低，這是由于兩側輻射板側面直接與空氣直接接觸，導致輻射板冷量不必要的耗費，而板2處于中間位置，冷耗損較少，所以吊裝時應對其它輻射板各側面進行嚴密的保溫。另一方面，在系統啟動40 min內各輻射板的表面溫度下降很快，因此在該階段要特別注意結露的發生。

圖5 各輻射板表面溫度變化Fig.5 The change curves of surface temperature on each radiant panel

圖6 貼附層各參數隨時間的變化曲線圖Fig.6 The graph of attaching layer parameters changes over time

圖7 典型測點各參數隨時間的變化Fig.7 Each parameters changes of typical measuring points over time

圖6所示為貼附層含濕量和露點溫度隨時間的變化曲線，從圖6可以看出，貼附層的含濕量和露點溫度具有相同的變化趨勢，含濕量先以0.05 g/(kg·min)的速率升高，約20 min后又以0.015 g/(kg·min)的速率逐漸降低，這是由于隨著人體不斷散濕，各輻射板貼附層的含濕量均有不同程度的升高，20 min后各輻射板均發生了結露現象，水蒸氣凝結成水滴，從而出現含濕量逐漸降低的現象，而隨著含濕量的變化，露點溫度先以0.05 ℃/min的速率升高而后以0.025 ℃/min速率下降。在此實驗工況下，輻射板8的貼附層含濕量和露點溫度均比其他位置處高，這是由模擬人體散濕的出口具有朝向板8方向的初速度，濕擴散的強度較其它方位

散濕強度大導致的。

綜上所述：板2表面溫度最低，板8對應的貼附層露點溫度最高，因此下面對2、8典型測點進行結露的時間的對比分析。

由圖7可知，板2在6 min左右發生結露現象，板8在12 min左右發生結露現象，在結露之前，板2降溫速率為0.32 ℃/min，對應貼附層的露點溫度升高速率為0.03 ℃/min；板8降溫速率為0.16 ℃/min，對應的貼附層露點溫度升高速率為0.09 ℃/min，這說明在系統啟動階段，板表面溫度的變化比貼附層露點溫度的變化對結露時間的影響更大。

通過測得的貼附層空氣的溫濕度計算出貼附層露點溫度，比較不同時刻(以5 min為一個時間間隔)輻射板表面溫度和貼附層露點溫度，得出每塊輻射板首次結露的時間，結露的時間匯總如表2所示：

表2 各輻射板結露時間Tab.2 Each radiant panel condensation time

綜上所述：在系統啟動40 min內，輻射板表面的溫度快速下降，貼附層露點溫度逐漸升高，系統運行6 min就會出現結露現象，所以在輻射供冷系統啟動階段，要針對輻射板表面溫度的變化及時采取有效的預除濕措施，而輻射板表面溫度下降的速率比貼附層露點溫度上升的速率大很多，因此在系統啟動階段，散濕強度一定時，板表面溫度的變化比貼附層露點溫度的變化對結露時間的影響更大。

2 數值計算

本文采用數值模擬方法進行擴展研究，首先建立濕擴散模型，然后將實驗測試數據與模擬數據進行對比，從而驗證模型的準確性，實驗和模擬相結合的研究方法可以很大程度上縮短研究周期，降低研究成本。上節已用實驗的方法對系統啟動階段輻射板表面溫度和輻射板結露特性進行了研究，本節采用模擬的方法對系統穩定階段不同人體散濕的強度和人體散濕的位置對輻射板結露特性的影響進行研究。2.1 計算模型及計算方法

采用Gambit軟件對實驗房間進行三維建模和網格劃分。由于研究的對象是濕擴散，所以數值計算時為了節省計算時間，省略室內人員、設備等模型的建立，只建立房間、金屬輻射板和模擬人體散濕的幾何模型。

分子的擴散系數表示它的擴散能力，是物質的物理特性之一，主要依靠實驗測量其值，擴散系數的大小主要取決于擴散物質和擴散介質的種類及溫度和壓力。當空調房間內包含著兩種組分，如果它們各處的濃度不同，系統內任何一種組分將從高濃度向低濃度進行物質傳遞，因此水蒸氣也在濃度梯度的驅使下進行傳遞。

對于水蒸氣與干空氣的雙組分系統，水蒸氣流入微元體的量減去流出微元體的量，就可以得出水蒸氣的累積量。水蒸氣在空間內擴散一般是由對流和擴散兩種作用力組成，其中擴散通量可以通過菲克定律對以上式子的整理分析，可以得出對流擴散方程[15]。

(1)

式中：DAB為組分A在組分B的擴散系數，m2/s；ux、uy、uz為組分A在方向x，y，z上的分速度，m/s；cA為組分A的濃度，mol/m3；RA為單位時間內組分A因化學反應生成量，mol/s；Si為外界的輸入量，mol/s。

模擬參數和邊界條件設置如下：

1)模擬采用非穩態設置，由于實驗室南側窗戶進行了遮陽保溫處理，所以不需開啟太陽輻射模型；

2)模擬中湍流模型為標準k-ε方程模型[16]，控制方程采用有限容積法進行離散；

設計中將MC33887DH的輸入引腳IN1接到PWM信號上，IN2接到同一PWM發生器模塊的另一個PWM信號上。只是在實際使用中，IN2的信號輸入并沒有采用PWM信號，而是直接輸入高低電平來與IN1形成電壓差。在EN、D1和都滿足芯片正常工作的條件下，當IN1的電平高于IN2時，OUT1和OUT2的輸出信號就會形成前向信號，當N1的電平低于IN2時，OUT1和OUT2的輸出信號就會形成反向信號。當N1的電平等于IN2時，OUT1和OUT2的輸出信號相等，電機停轉。因此，通過控制IN1和IN2的電平既可以實現對于電機速度的控制，也可以實現對于電機轉向的控制[12]。

3)輻射模型選用DO輻射模型[17]；

4)激活組分輸運模型，模擬人體散濕的出口采用速度入口邊界條件；

5)各圍護結構和地面采用定溫邊界條件，數值依照實驗測量值設定；

6)假定輻射板處于理想工作狀態即各輻射板表面溫度值相等，設置為定溫邊界條件。

2.2 人體散濕強度對結露特性的影響

在輻射吊頂供冷系統運行穩定階段，人員位于房

間中央位置，研究散濕強度分別為300 g/h、400 g/h、500 g/h(約為3、4、5個成年男子極輕勞動下的散濕量)時輻射板結露的特性。

圖8 不同散濕強度下的貼附層露點溫度變化曲線Fig.8 The change curves of attaching layer dew point temperature under different scattered wet strengths

表3 不同散濕強度下各輻射板結露時間Tab.3 Each radiant panel condensation time of different scattered wet strengths

圖9 不同散濕強度下的結露時間曲線圖Fig.9 The curves of radiant panel condensation time under different scattered wet strengths

如圖8所示，取人體的散濕強度為400 g/h，比較不同散濕強度下輻射板表面溫度和貼附層露點溫度，得出該工況下輻射板的結露時間，如表3所示。圖9所示為不同散濕強度下結露的時間的曲線圖，從圖中可以看出，隨著散濕強度的增加，各輻射板首次結露的時間都有所提前，每增加一個成年男子輕度勞動時的散濕量，結露的時間平均提前12 min左右，這主要是因為隨著散濕強度的增加，貼附層各處的含濕量升高速率加快，因此各貼附層露點溫度升高速率加快。在各輻射板表面溫度相同的情況下，散濕強度增加時，結露提前發生，因此在室內潛熱負荷增加時，可以根據增加的潛熱負荷預測防止結露的安全溫差，從而在防止結露的同時，動態控制輻射板的供冷時間，盡可能提高輻射板供冷能力。由圖9還可知，每增加一個成年男子輕度勞動時的散濕量，同一輻射板的結露的時間差值逐漸減小，且隨著人體散濕強度的增加，各輻射板結露的時間差值也逐漸減小，其原因是隨著散濕強度的增加，各貼附層之間露點溫度升高速率差值減小，而各輻射板表面溫度相同，故各輻射板結露的時間差值也逐漸減小。

2.3 人體散濕的位置對結露特性的影響

在輻射吊頂供冷系統運行穩定階段，散濕強度為600 g/h，人員分別位于房間中央、北側中央、南側中央時，分析濕擴散特性和輻射板結露情況。

以人員位于房間中央為例，圖10所示為散濕強度為600 g/h、監測20 min時縱向截面的含濕量分布云圖，從云圖中可以看出水蒸氣離開模擬人體散濕的出口后在初動量的作用下向上擴散，到達輻射板之后向兩側擴散，由于受到冷輻射的作用，溫度較低的水蒸氣有向下擴散的趨勢。從圖中還可以看出隨著垂直高度的增加，濕度逐漸增加，靠近輻射板平面上的含濕量值最大。

圖10 含濕量分布云圖Fig.10 The contours of moisture content

圖11 貼附層露點溫度變化曲線Fig.11 The change curves of attaching layer dew point temperature

圖12 不同散濕位置下的結露時間曲線圖Fig.12 The curves of radiant panel condensation time under different wet source locations

散濕位置下列輻射板首次結露時間/min板1板2板3板4板5板6板7板8板9房間中央地板上467463463461440450480460460北側中央地板上467464473500527493533530533南側中央地板上500510510490497497473470477

如圖11所示，比較該工況下輻射板表面溫度和貼附層露點溫度，得出該工況下輻射板的結露時間，結露的時間匯總如表4所示。圖12所示為不同人體散濕位置下結露時間曲線圖，由圖中可以看出位于人員上方的三塊輻射板比其它輻射板提前發生結露現象，這主要是因為在模擬人體散濕的出口初動量的作用下，水蒸氣垂直向上擴散的強度較大，水蒸氣到達頂板后才會沿水平方向擴散，因此人員上方貼附層的含濕量較其他位置處大，而已假定理想情況下各輻射板表面溫度相同，各貼附層的干球溫度相差很小，因此人員上方貼附層的露點溫度較高，人員上方的輻射板比其他位置處輻射板先發生結露。

2.4 數值計算可靠性驗證

為驗證數學模型的準確性，選取輻射冷吊頂系統穩定條件下的實驗，并建立相應的模型，實驗中加濕器出口有一斜向35°的傾角，散濕強度為300 g/h，根據實驗條件設置模擬邊界條件進行數值計算，此時輻射板溫度設成定溫邊界條件。取9個測點的實驗所得含濕量和模擬所得的含濕量進行比較，結果如圖13所示。由圖中可以看出實驗值和計算值之間存在一定的誤差，起始階段兩者吻合性較好，在加濕器運行后期，模擬值要普遍高于實驗值，后期存在誤差主要是由于加濕器后期水量隨著蒸發的減少，散出的水蒸氣的量略有降低，測點4的誤差較大，但是相對誤差在10%范圍內，且總體趨勢保持一致，因此可驗證所建立的數學模型具有較好的準確性。

圖13 各測點含濕量計算結果與實驗結果對比Fig.13 The confrontation between calculation results and experimental results of moisture content of measuring points

3 結論

本文在封閉絕熱房間對輻射吊頂供冷系統中的濕度擴散特性和結露特性進行實驗和模擬研究，得出以下結論：

1)不開啟新風系統的情況下，系統啟動階段6 min后就會發生結露現象，所以在系統啟動階段要及時采取有效的預除濕措施，在此過程中，輻射板表面溫度的變化比人體散濕強度的變化對結露時間的影響更大。

2)在系統穩定階段，隨著散濕強度的增加，各輻射板首次結露的時間都有所提前，每增加一個成年男子輕度勞動時的散濕量，結露的時間平均提前12 min左右，因此在室內潛熱負荷增加時，可根據增加的潛熱負荷動態預測防止結露的安全溫差，從而在防止結露的同時，動態控制輻射板的供冷時間，從而提高輻射板供冷能力。

3)在系統穩定階段，由于人員正上方貼附層的含濕量和露點溫度比其他位置對應的貼附層的含濕量和露點溫度均高，而輻射板的表面溫度相同，所以人員上方輻射板比其他位置處輻射板的結露的時間提前4 min左右，在防止結露時，應重點監測人員上方區域的輻射板表面溫度。

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About the author

Jin Wufeng, male, associate professor, doctor, Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, +86 13802186472, E-mail：kob@tjcu.edu.cn. Research fields: energy-saving control technology of radiant floor cooling and heating system， control technology of energy-saving and environmental protection housing.

Research on Condensation Characteristics in a Cooling Room with Radiant Ceiling

Jin Wufeng1Wang Qian1Yu Zhihao2

(1. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China; 2. Internal Trade Engineering Design & Research Institute, Beijing, 100054, China)

A combined method of experimental and numerical simulation was used in this paper to study the surface temperature variations of radiant panel in the start-up stage of radiant ceiling system, and the condensation characteristics of radiant panels were analyzed under different moisture strengths and locations of human being in the stable stage of radiant ceiling system. The results show that in the start-up stage when the radiant cooling system is operated independently, the condensation occurs on the radiant panel after the system starts 6 minutes, and the decreasing of radiant panel surface temperature has more significant impact on the condensation time than the increasing of moisture strength. So it is necessary to take effective measures to prevent condensation in time in the start-up stage. In the stable stage, the radiant panel condenses about 12 minutes earlier when the moisture strength equivalent to an adult man body is additionally added. And the radiant panel which is exactly above the moisture source condenses earlier than others. So the surface temperatures of radiant panels above the moisture source should be monitored to prevent condensation.

radiant ceiling; dew point temperature; radiant panel surface temperature; condensation time

2015年1月8日

0253- 4339(2015) 06- 0057- 09

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.057

TU831.75；TP391.9；P426

A

金梧鳳，男，副教授，博士，天津商業大學制冷技術重點實驗室，13802186472，E-mail: kob@tjcu.edu.cn。研究方向：地面輻射冷暖系統的節能控制技術，節能、環保住宅的控制技術。