一種溝槽式輻射板供冷性能測試的實驗系統★

楊繪乾，韓志濤，劉 迪，曹嘉愷，劉安琪，蔡馨蕊

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

輻射供冷空調系統運行時室內空氣溫度比較穩定，垂直溫差低，換熱過程無吹風感和噪聲，因而熱舒適性高。同時采用高溫冷水作為冷源，運行時制冷機組COP較高，具有節能環保的特點。經過設計的輻射板還可以與建筑裝飾相結合，達到美觀實用的效果。因此近年來輻射供冷空調得到了廣泛的應用，很多學者也開展了相關研究。文獻[1]開展了頂棚輻射供冷與新風聯合系統空氣品質實驗研究。文獻[2]闡述了一套計算輻射供冷房間冷負荷的計算方法。文獻[3]通過實驗研究冷輻射板表面快結露時，冷凍水閥門調節模式對冷輻射板的防結露效果、制冷能力和室內熱舒適性的影響。文獻[4]分析了溫度均勻分布輻射冷頂板的傳熱特性。還有的學者開展了變風量送風結合輻射吊頂供冷實驗[5]。

綜上所述，輻射供冷的研究熱點主要涉及防結露技術，室內舒適性提升技術以及冷輻射板供冷調控等方面。目前，冷輻射板是輻射供冷末端常見形式，通常有整體式、貼附式和懸掛式三類[6]。隨著各種類型產品的開發，其供冷性能指標成為其工程應用選型的一個重要依據。本文研制了一種溝槽充液式吊頂冷輻射板，為了研究這種新型冷輻射板的性能開發了一種利用北方冬季室外低溫環境作為冷源的輻射板供冷性能測試的實驗系統。該實驗系統不使用冷水機組作為人工氣候小室和輻射供冷的冷源，可大幅度降低實驗費用。

2 實驗模擬系統的組成

本文中輻射空調系統的冷源來自于北方地區冬季室外低溫環境，這樣可以不使用冷水機組，一方面簡化了實驗系統設備及安裝的初投資，也體現了實驗過程節能環保的理念，是值得推廣和實踐的實驗設計方法。本實驗系統由4部分構成：1)系統冷源及換熱調溫水箱；2)人工氣候小室及小室環境調控裝置；3)實驗用溝槽充液式冷輻射板；4)實驗數據采集記錄裝置。實驗系統圖如圖1所示。

2.1 系統冷源及換熱調溫水箱

實驗系統冷源獲得方法：使用20個PE材質貯水瓶，內部充注純凈水，將這些貯水瓶置于北方冬季的室外環境，冷凍成冰塊后放到貯有50 L的儲水箱中，通過換熱獲得水溫為0 ℃～3 ℃的冷水作為輻射空調系統的冷源。為了獲得所需溫度的冷媒水(14 ℃～20 ℃)，當冷水箱內冷媒由于承擔輻射板負荷而溫升到控制溫度時，溫度控制開關自動啟動換熱水泵，通過換熱盤管使冷水箱內冷媒水與系統冷源儲水箱換熱，從而實現冷水箱內輻射板供冷水水溫恒定在所控范圍。

2.2 人工氣候小室及小室環境調控裝置

人工氣候小室按5∶1的縮尺模型建造，小室尺寸為1 600 mm×1 200 mm×900 mm(長×寬×高)，結構材料使用厚度為17 mm的高密度板，小室外部包裹厚度為20 mm的橡塑保溫材料。小室內壁表面貼有調溫電熱膜，電熱膜外表面貼有壁紙，通過控制電熱膜的加熱量控制壁紙表面溫度，從而模擬夏季室內墻壁表面溫度變化的實際工況。

2.3 實驗用溝槽充液式冷輻射板

實驗用溝槽充液式冷輻射板為單板結構，由厚度為1 mm的合金鋁板焊接而成，輻射板尺寸為700 mm×500 mm×60 mm(長×寬×高)，輻射板內部共有9個溝槽，每個溝槽由高度為30 mm，底邊長為78 mm的等腰直角三角形鋁板組成。輻射板內每間隔一個溝槽，布有直徑為6 mm銅管作為輻射板內換熱盤管。為了使輻射板有更好的蓄冷性能，以及換熱銅管與輻射板間更好的傳熱，實驗時將輻射板內部充注純凈水。人工小室內的輻射板供回水通過PPR管與冷水箱連接，連接管路上設有循環水泵和流量調節閥。

2.4 實驗數據采集記錄裝置

實驗數據采集設備是安捷倫34980A，并通過臺式機電腦實時動態采集記錄實驗數據。實驗中各溫度測點的布置：人工氣候小室內總計布有21個溫度測點，采用PT100熱電阻溫度傳感器,測溫精度為±0.1 ℃。溫度測點包括小室墻壁表面8個測點，地板表面溫度2個測點，輻射板表面6個測點，模擬人體頭部、腰部、踝部3測點，輻射板供、回水水溫2個測點。

3 實驗方案設計

輻射板的供冷性能與其冷媒流量正相關，實驗中通過調節流量開關，設置兩組不同輻射板冷媒供回水流量：0.026 L/s，0.039 L/s。本實驗中輻射板冷媒水流量較常規實際工程輻射板冷媒水流量高約1倍～1.5倍[7]符合相關的輻射板制冷國家規范，這樣設計可以縮短輻射制冷的啟動時間，同時可以加快輻射板蓄冷過程。人工氣候小室內的加濕器將室內相對濕度(RH)分別控制在50%±5%，60%±5%，70%±5%，小室中心空氣溫度控制在29 ℃±0.5 ℃，30 ℃±0.5 ℃，31 ℃±0.5 ℃三個溫度范圍，符合實際的輻射板制冷運行工況。根據所設計的工況可以考察輻射板冷媒流量、室內空氣溫度以及相對濕度這三個主要指標變化對溝槽式輻射板的供冷性能的影響。實驗設計時通過以上三個參數變化組合，共測試了18個工況。

4 實驗結果及實驗改進

現以代表性工況2(RH50%)、工況5(RH60%)、工況8(RH70%)為例進行分析，這三個工況的供回水流量都是0.026 L/s，小室空氣溫度均為30 ℃(35 cm溫度測點)。考慮到三個工況的供冷時長均為1 h，為了反映輻射板穩定供冷時的性能，去掉了300 s以前采集的數據。表1給出這三個工況下實驗數據，主要是小室圍護結構內表面溫度，輻射板供冷時表面平均溫度，輻射板的供冷量等。實驗中通過控制小室壁面電熱膜的加熱量保持壁面溫度為29.5 ℃～32.5 ℃，以此模擬實際房間的得熱量。地板溫度控制范圍是24.1 ℃～26.2 ℃，主要考慮到實際房間地板通常不構成熱源，故沒有進行地板加熱設計。輻射板的進、出水水溫控制17.94 ℃～19.31 ℃，進、出口水溫差在0.59 ℃～0.78 ℃之間。在此條件下，工況2、工況5、工況8的單位面積供冷量(按垂直方向投影面積計算，且折算成標準流量)分別是73.2 W,90.2 W和97.2 W，與普通金屬輻射板供冷能力相當。由表1的工況2與工況3數據比較可以看出，當輻射板表面溫度相同時，溝槽式輻射板的供冷能力主要與圍護結構表面溫度有關，當圍護結構表面溫度提高2.1 ℃～2.5 ℃時，輻射板的供回水溫差加大，工況5的單板供冷量較工況2提高約23%。

表1 工況2、工況5、工況8的實驗數據(部分)

圖2～圖4給出了輻射板在工況時輻射板表面14～19溫度測點以及板入口和出口溫度的變化值。

由圖2～圖4可見，對于三個工況，在實驗時間內，溝槽式輻射板供回水溫差均保持較穩定。輻射板表面各測點的溫度值隨供回水平均溫度的升高而升高。在各工況下，同一時刻板間各測點溫度差值較明顯，反映出溝槽式輻射板表面仍然存在較大的溫度不均勻性。對于14～19各測點，工況2、工況5、工況8板間最大溫差分別是2.36 ℃，2.3 ℃和2.1 ℃。

工況2、工況5、工況8對應的室內的空氣溫度均為30 ℃，在實驗中對溝槽式輻射板的結露情況進行了觀察。實驗結果表明RH在45%～55%時的(工況2)輻射板的板表面沒有結露，RH在55%～65%時的(工況5)輻射板的板表面有輕微結露，當RH在65%～75%時，輻射板的板表面結露情況比較嚴重，但無露水從溝槽式輻射板上掉落。

為了考察溝槽式輻射板供冷時室內垂直方向的溫度變化，根據相似理論，在縮尺模型下，本文實驗測定了同一流量(0.026 L/s)下，輻射板供冷的9個工況時的小室地板0 cm,2 cm處(模擬實際情況10 cm處)，22 cm處(模擬實際情況1.1 m處)，35 cm處(模擬實際情況1.75 m處)的空氣溫度。獲得的實驗數據如表2所示。

表2 工況1～工況9人工氣候小室垂直方向各測點溫度變化值

由實驗數據可以得出，溝槽式輻射板供冷的小室內22 cm測點處的溫度與35 cm測點處的溫度差相差不超過0.6 ℃。這種工況相當于實際房間內采用本文的溝槽式輻射板供冷時，人員活動區域內垂直方向上溫度梯度小于3 ℃/m，符合ISO 7730 標準。考慮到本實驗中地板表面溫度較低，實際上起到了對其表面附近的空氣及物體進行供冷的作用，因此本實驗中，小室內垂直方向上溫度場受多因素影響，其溫度數值不能完全反映溝槽式輻射板的熱舒適性能，相關實驗設計還有待于完善。

5 結語

本文利用北方冬季室外低溫環境的天然冷源，所開發的輻射板供冷性能測試的實驗系統，可以較好的完成輻射板供冷性能實驗，并大幅度降低實驗費用。本實驗中采用的溝槽式輻射板具有較穩定的供冷性能，單位面積供熱量為70 W～100 W。輻射板壁面各測點最高溫度與最低溫度的差值均不超過2.5 ℃，表明該輻射板表面溫度分布較均勻。采用本輻射板供冷的人工氣候小室室內空氣溫度場滿足室內熱舒適性標準。