重力柜聯(lián)合輻射吊頂運(yùn)行特性研究

金梧鳳 趙 田 王志強(qiáng)

（天津商業(yè)大學(xué)，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134）

引言

隨著我國(guó)生活水平的提高，輻射空調(diào)作為一種高效、節(jié)能的空調(diào)方式，被越來越多的應(yīng)用在建筑中[1-4]。然而，輻射空調(diào)系統(tǒng)存在由于輻射表面易結(jié)露導(dǎo)致其制冷能力不足的缺點(diǎn)，當(dāng)因某種原因，室內(nèi)顯熱負(fù)荷突然增大時(shí)，輻射空調(diào)系統(tǒng)無法保證室內(nèi)熱舒適的環(huán)境，需要補(bǔ)助制冷方式進(jìn)行降溫處理[5,6]。

高志宏等[7]研究發(fā)現(xiàn)輻射空調(diào)的供冷能力與安裝形式、室內(nèi)溫度、供回水溫差有關(guān)。楊瑩超[8]通過實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的手段，研究輻射空調(diào)自身因素對(duì)制冷能力的影響。胡小倩[9]重點(diǎn)研究了輻射供冷與置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)的室內(nèi)熱環(huán)境及供冷特性。吳倩蕓等[10]針對(duì)全天負(fù)荷變化較大的建筑提出一種輻射與對(duì)流耦合系統(tǒng)，夜間負(fù)荷低時(shí)由獨(dú)立新風(fēng)與輻射頂板承擔(dān)，白天負(fù)荷較大時(shí)采用風(fēng)機(jī)盤管作為補(bǔ)冷設(shè)備。何中凱等[11]梳理了影響毛細(xì)管網(wǎng)輻射空調(diào)系統(tǒng)的供冷能力的主要因素，提出通過合理降低供水溫度提高其供冷能力，加大抹灰厚度可提升輻射面溫度的均勻性。黃小軍等[12]研究了太陽(yáng)輻射對(duì)輻射頂板供冷能力的影響。綜上所述，目前對(duì)輻射空調(diào)的研究主要從其本身的供冷能力出發(fā)，關(guān)于輻射空調(diào)補(bǔ)冷設(shè)備的研究較少。因此，筆者通過試驗(yàn)研究的方法對(duì)重力柜與輻射吊頂聯(lián)合運(yùn)行時(shí)室內(nèi)溫度分布情況進(jìn)行研究，并對(duì)影響重力柜供冷能力的影響因素進(jìn)行分析，為補(bǔ)助制冷裝置重力柜的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)介紹

在試驗(yàn)規(guī)定的工況下，對(duì)重力柜與輻射吊頂聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的室內(nèi)溫度的分布情況進(jìn)行研究，從而判斷重力柜作為輻射吊頂補(bǔ)助制冷裝置的制冷效果。試驗(yàn)主要的測(cè)試參數(shù)有室內(nèi)空氣溫度，以及按區(qū)域劃分的不同位置的溫度分布，進(jìn)而對(duì)空氣溫度是否下降到設(shè)定溫度，靠近重力柜附近區(qū)域的垂直溫差是否滿足人體舒適度要求，以及水平方向上溫度是否均勻進(jìn)行分析。

1.1 試驗(yàn)臺(tái)介紹

試驗(yàn)房間布置如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)房間尺寸為5 m×3 m×2.3 m，房間南墻為實(shí)驗(yàn)室的外墻。輻射吊頂尺寸為1.5 m×0.8 m×0.04 m，共計(jì)9塊。實(shí)驗(yàn)室為置換通風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)口和排風(fēng)口布置于東墻和吊頂。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所選重力柜尺寸為1.2 m×0.15 m×1.9 m，其送風(fēng)口和回風(fēng)口尺寸均為1 m×0.1 m。重力柜內(nèi)部安裝有3排毛細(xì)管網(wǎng)，貼壁面處布置的毛細(xì)管網(wǎng)由16 ℃的高溫冷水管構(gòu)成，而另外2排被安置在重力柜內(nèi)部的毛細(xì)管網(wǎng)則由7 ℃的低溫冷水管構(gòu)成，網(wǎng)排間距為30 mm，毛細(xì)管網(wǎng)尺寸為1.5 m×1.0 m。此外，構(gòu)成內(nèi)置毛細(xì)管網(wǎng)的毛細(xì)管均為U10型，外徑為4.3 mm，壁厚0.9 mm。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)布置

1.2 重力柜聯(lián)合輻射吊頂運(yùn)行模式

重力柜與輻射吊頂聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，須首先保證輻射吊頂能夠發(fā)揮其制冷能力，重力柜作為其補(bǔ)助制冷設(shè)備，壁面毛細(xì)管高溫冷水管不運(yùn)行。當(dāng)室內(nèi)溫度高出設(shè)定溫度0.2 ℃時(shí)，重力柜內(nèi)低溫冷水管運(yùn)行；當(dāng)室內(nèi)溫度較設(shè)定值低0.2 ℃時(shí)或者重力柜壁面溫度較露點(diǎn)溫度高2 ℃時(shí)，重力柜停止供冷。

1.3 試驗(yàn)條件

由于本次試驗(yàn)主要研究重力柜與輻射吊頂聯(lián)合運(yùn)行時(shí)室內(nèi)溫度分布情況，且考慮毛細(xì)管網(wǎng)中為7 ℃低溫冷水，以及輻射吊頂結(jié)露問題，故研究工況為室內(nèi)空氣干球溫度與室內(nèi)空氣設(shè)定溫度差值大于0.5 ℃，小于2 ℃時(shí)的情況，濕度設(shè)定為50 %，并結(jié)合試驗(yàn)條件，設(shè)定室內(nèi)溫/濕度為23 ℃/50 %。試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件確定

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖2和圖3所示，圖2所示為x-y平面上測(cè)點(diǎn)水平分布圖，圖中a，b，c分別為距離重力柜0.3 m，0.8 m和2 m距離處的截面，即x=0.45 m處截面，x=0.95 m處截面和x=2.15 m處截面；左，中，右分別為重力柜左側(cè)，中間和右側(cè)截面。圖3所示為y-z平面上測(cè)點(diǎn)分布圖，共計(jì)45個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。選用橫河MX100采集房間不同位置熱電偶信號(hào)。

圖2 測(cè)點(diǎn)水平分布圖

圖3 測(cè)點(diǎn)垂直分布圖

1.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在規(guī)定工況下，對(duì)重力柜與輻射吊頂聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的室內(nèi)溫度分布進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 x=0.45 m處截面上測(cè)點(diǎn)溫度分布圖

圖5 x=0.95 m處截面上測(cè)點(diǎn)溫度分布圖

圖6 x=2.15 m處截面上測(cè)點(diǎn)溫度分布圖

由圖4～圖6可以看出各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度分布在（23～24.01）℃之間，在設(shè)定溫度允許誤差范圍內(nèi)。在相同高度和距離重力柜相同距離處，由于重力柜左側(cè)截面處有人體熱源，故此處溫度最高，其次是重力柜右側(cè)截面上各測(cè)點(diǎn)溫度，重力柜中心位置截面上各測(cè)點(diǎn)溫度最低。并且不同高度的水平面上溫差均在0～0.31 ℃范圍內(nèi)，可認(rèn)為溫度分布近似均勻。

由圖4～圖6所示，在距離重力柜不同距離處，重力柜左側(cè)截面，中心位置和右側(cè)截面處均具有相同的變化趨勢(shì)，在0.1～1.5 m的高度范圍內(nèi)溫度逐漸上升，1.5～1.9 m范圍內(nèi)溫度逐漸下降。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：由于重力柜出風(fēng)口在下方，故距地面0.1 m位置溫度最低，隨著室內(nèi)熱源的加熱，溫度逐漸升高，在高度為1.5 m的位置，室內(nèi)溫度達(dá)到最大值。輻射吊頂同時(shí)向室內(nèi)供冷，所以溫度又隨著高度的升高逐漸降低。x=0.45 m處截面由于靠近重力柜，在高度0.1 m處的初始溫度較低，故溫度變化斜率較大。根據(jù)ASHRAE手冊(cè)[13]中人體熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)的要求，一般垂直溫差應(yīng)小于3 ℃，試驗(yàn)中各個(gè)截面處最大垂直溫差為0.6 ℃，即各個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂直溫差均在要求范圍內(nèi)。

綜上，重力柜與輻射吊頂聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，不同斷面位置垂直溫差以及靠近重力柜區(qū)域溫度均滿足人體要求，水平溫度分布近似均勻。

2 模擬研究

通過前述分析得到重力柜作為補(bǔ)助制冷裝置與輻射吊頂聯(lián)合運(yùn)行時(shí)室內(nèi)溫度能夠達(dá)到設(shè)定溫度要求，進(jìn)一步通過模擬的方法對(duì)影響重力柜毛細(xì)管網(wǎng)供冷能力的影響因素進(jìn)行研究，為提升重力柜的供冷能力提供依據(jù)。

2.1 模型建立

2.1.1 三維物理模型

依據(jù)前述試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)建立三維模型，假設(shè)向室內(nèi)傳遞的熱量主要是維護(hù)結(jié)構(gòu)得熱以及室內(nèi)模擬人員散熱，提供冷量的末端主要有吊頂輻射板和重力柜。省略室內(nèi)人員、設(shè)備等模型的建立，簡(jiǎn)化為白熾燈作為室內(nèi)的熱源，加濕器模擬室內(nèi)的散濕情況，不存在其他障礙物，并做出如下假設(shè)：室內(nèi)氣體為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流體。

2.1.2 數(shù)學(xué)模型

假定室內(nèi)氣體為穩(wěn)態(tài)，不可壓縮流體，在模擬中采用浮力模型，氣體流動(dòng)為湍流流動(dòng)。采用Fluent軟件進(jìn)行模擬：采用k-ε湍流模型作為湍流附加方程，并采用低雷諾數(shù)法解決近壁處流動(dòng)為層流狀態(tài)的問題，對(duì)質(zhì)量、能量方程聯(lián)合求解，得到室內(nèi)溫度場(chǎng)。

2.2 邊界條件

1）數(shù)值模擬過程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，將房間的得熱量設(shè)定為1 200 W，熱釋放率為34 W/m3。

2）毛細(xì)管重力循環(huán)柜入口、出口處均采用壓力邊界條件，新風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)入口采用速度入口，送風(fēng)出口為壓力出口邊界條件。

3）由于距離重力柜不同位置溫度不同，考慮到浮升力項(xiàng)和重力作用，認(rèn)為氣流的密度變化符合Boussinesq假設(shè)。實(shí)驗(yàn)室南墻為建筑承重墻，其傳熱系數(shù)為1.5 W/（m2·K），其余墻體及重力柜外殼均設(shè)為絕熱邊界條件。

2.3 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證建立模型的準(zhǔn)確性，選取距離重力柜0.55 m，1.35 m，2.15 m的截面，即 x=0.7 m，x=1.5 m和x=2.3 m截面，將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，由試驗(yàn)結(jié)果得：在同一截面處，在同一截面處，不同點(diǎn)的溫度基本一致，所以在模型驗(yàn)證時(shí)一個(gè)高度僅選取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析。由于沿y方向劃分的重力柜右側(cè)截面位置溫度受太陽(yáng)輻射以及重力柜影響最小，故模型與試驗(yàn)均選取重力柜右側(cè)截面與x=0.7 m，x=1.5 m和x=2.3 m截面的交線上的點(diǎn)的溫度進(jìn)行分析。結(jié)果如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比圖

由圖7可以看出，試驗(yàn)值和模擬值總體趨勢(shì)保持一致，但之間仍存在一定的誤差，在離地面較近的位置兩者吻合性較好，隨著高度的增加，模擬得到的溫度普遍要高于試驗(yàn)得到的溫度，在距離重力柜水平距離0.7 m截面1.1 m高度處的模擬值與試驗(yàn)值誤差最大，為0.13 ℃，相對(duì)誤差在5 %以內(nèi)，可驗(yàn)證所建立的數(shù)學(xué)模型具有較好的準(zhǔn)確性。產(chǎn)生誤差的主要原因是置換通風(fēng)作用的影響，設(shè)計(jì)工況下置換通風(fēng)不承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷，而在試驗(yàn)中由于短時(shí)間內(nèi)溫度沒有下降到設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)致置換通風(fēng)承擔(dān)了部分負(fù)荷，試驗(yàn)溫度值低于模擬溫度值，且又存在測(cè)試系統(tǒng)精確度、試驗(yàn)操作誤差等問題，因此存在一定的偏差是合理的。

2.4 模擬結(jié)果分析

采用ASHRAE手冊(cè)[13]中規(guī)定的輻射空調(diào)供冷量的計(jì)算方法對(duì)重力柜產(chǎn)生的輻射換熱量進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)用自然對(duì)流公式計(jì)算重力柜自然對(duì)流換熱量。

計(jì)算單位面積輻射壁面總供冷量為：

式中：

q—單位面積輻射壁面板總供冷量（W/m2）；

qr—單位面積輻射壁面輻射供冷量（W/m2）；

qc—單位面積輻射壁面對(duì)流供冷量（W/m2）。

計(jì)算單位面積輻射壁面輻射供冷量為：

式中：

AUST—平均輻射溫度（℃）；

tb—輻射壁面表面溫度（℃）。

計(jì)算單位面積輻射壁面對(duì)流供冷量為：

式中：

ta—室內(nèi)空氣溫度（℃）。

計(jì)算自然對(duì)流換熱量：

式中：

Q—自然對(duì)流換熱量（W）；

c—空氣平均比熱容（J/（kg·K））；

m—空氣質(zhì)量流量（kg/s）；

Δt—重力柜上下出風(fēng)口溫差（K）。

2.4.1 毛細(xì)管網(wǎng)管間距的影響

分析重力柜內(nèi)毛細(xì)管對(duì)供冷能力的影響，分別研究毛細(xì)管間距為30 mm，20 mm和10 mm時(shí)重力柜所能提供的冷量，重力柜送風(fēng)口溫度變化如表2所示。

表2 毛細(xì)管間距變化時(shí)重力柜送風(fēng)口溫度

由表2可知，重力柜送風(fēng)口溫度隨著毛細(xì)管間距的減小而減小，重力柜內(nèi)毛細(xì)管間距分布為30 mm，20 mm和10 mm時(shí)，送風(fēng)口溫度分別為24.1 ℃，23.7 ℃和23.04 ℃，提供的總供冷量分別為197.4 W，218.4 W和249.7 W，單位面積供冷量分別為243.67 W/m2，207.38 W/m2和176.13 W/m2。可以看出，隨著毛細(xì)管間距的減小，毛細(xì)官網(wǎng)總面積增大，重力柜總供冷量逐漸上升，出風(fēng)口溫度和單位面積供冷量逐漸下降。毛細(xì)管網(wǎng)管間距由30 mm變?yōu)?0 mm以及由20 mm變?yōu)?0 mm時(shí)提升的總供冷量變化速率約為2.10 W/mm和3.13 W/mm，隨著管間距的減小，總供冷量的上升速率逐漸增大。

2.4.2 毛細(xì)管網(wǎng)管排數(shù)的影響

毛細(xì)管網(wǎng)管間距為20 mm時(shí)，對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)管排數(shù)為1排，2排和3排，排間距為30 mm時(shí)重力柜供冷能力進(jìn)行分析，重力柜送風(fēng)口溫度如圖8所示。

圖8 重力柜送風(fēng)口溫度隨毛細(xì)管網(wǎng)排數(shù)變化

由圖8可以看出，毛細(xì)管網(wǎng)管排數(shù)分別為1排，2排和3排時(shí)，送風(fēng)口溫度分別為23.7 ℃，22.3 ℃和19.7 ℃，對(duì)應(yīng)的總供冷量分別為218.4 W，430.1 W和737.6 W，重力柜提供的總供冷量顯著上升，單位面積供冷量分別為 207.38 W/m2，204.2 W/m2和 233.46 W/m2。管排數(shù)為1排和2排時(shí)，每排管能提供的總供冷量和單位供冷量相近，而當(dāng)管排數(shù)由2排增加到3排時(shí)，單位面積供冷量顯著提升，增加的供冷量約為 9.26 W/m2。

2.4.3 毛細(xì)管網(wǎng)安裝距離的影響

分別對(duì)重力柜內(nèi)毛細(xì)管網(wǎng)為1排以及毛細(xì)管網(wǎng)為3排時(shí)，毛細(xì)管網(wǎng)與后壁面的距離對(duì)重力柜供冷量的影響進(jìn)行研究。重力柜內(nèi)1排毛細(xì)管網(wǎng)，毛細(xì)管網(wǎng)與后壁面距離分別為20 mm，60 mm和120 mm時(shí)，送風(fēng)口溫度分別為24.1 ℃，23.7 ℃和24.2 ℃，總供冷量分別為201.4 W，218.4 W和195.3 W，單位面積供冷量分別為191.2 W/m2，207.38 W/m2和185.44 W/m2。重力柜內(nèi)3排毛細(xì)管網(wǎng)，排間距為30mm且毛細(xì)管網(wǎng)與后壁面距離為20 mm，30 mm和40 mm時(shí)，送風(fēng)口溫度分別為19.7 ℃，19.6 ℃和19.8 ℃，溫度相差不大，總供冷量分別為737.6 W，741.2 W和730.2 W，單位面積供冷量分別為233.46 W/m2，234.6 W/m2和231.11 W/m2。毛細(xì)管網(wǎng)與后壁面距離間距為30 mm時(shí)，重力柜總供冷量達(dá)到最大，分析其原因，這是由于此時(shí)管網(wǎng)前后兩側(cè)氣流流動(dòng)空間較大，且空氣分配較均勻。綜合分析可得，重力柜內(nèi)毛細(xì)管網(wǎng)安裝距離對(duì)重力柜供冷量影響不大。

3 結(jié)論

1）重力柜作為補(bǔ)助制冷設(shè)備與輻射吊頂聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)溫度下降到設(shè)定溫度允許誤差范圍內(nèi)。室內(nèi)垂直溫差最大為0.6 ℃，小于3 ℃，水平溫差最大為0.31 ℃，滿足人體要求。

2）重力柜與輻射空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，重力柜出風(fēng)口附近區(qū)域表面溫度較低，由于地面具有蓄冷作用，所以可以通過輻射、對(duì)流形式消除部分室內(nèi)負(fù)荷。

3）重力柜內(nèi)單排毛細(xì)管網(wǎng)時(shí)，毛細(xì)管間距越小，相應(yīng)的毛細(xì)管數(shù)增多，總供冷量越大，單位供冷量下降；重力柜內(nèi)毛細(xì)管網(wǎng)管排數(shù)對(duì)供冷量影響最大，當(dāng)管排數(shù)由2排增加到3排時(shí)，單位面積供冷量顯著提升，增加的供冷量約為29.26 W/m2；毛細(xì)管網(wǎng)與后壁面距離對(duì)供冷量的影響最小，改變毛細(xì)管網(wǎng)安裝距離，總供冷量和單位面積供冷量基本保持不變。