指向型熱輻射裝置熱性能試驗研究

戴博斌， 馬景輝

（浙江理工大學建筑環境與能源應用工程系，杭州 310018）

0 引言

現代都市的生活，人們大部分時間在建筑物中度過，期望獲得令人滿意的室內熱舒適環境［1］。然而，由于建筑圍護結構的表面溫度不同，即使在室內空氣溫度均勻分布的條件下，人體的不同身體區域也經常暴露在不對稱輻射熱環境中［2-5］。由于人體的整體熱舒適與局部熱感覺密切相關，許多學者為改善室內不對稱熱環境下的人體熱舒適做出各種努力。Zhang等［6］通過冬季辦公室的個人暖腳器實驗，提出在“較低的供暖設定溫度加上居住者可控制的暖腳器”，與“較高的供暖設定溫度而不使用暖腳器”的條件相比，人體可以達到同等的熱舒適，且節能效果顯著。Akimoto等［7］研究了冬季相鄰工作站的局部通風設備對人體熱舒適的影響。結果顯示，通過調整局部通風系統的送風量和送風方向，人體能夠保持幾乎相同的整體熱舒適。Zeiler等［8，9］通過輻射熱燈照射手部的實驗，通過適當提高指尖溫度能夠使整體熱感覺達到中性。

綜上所述，現有的研究主要集中在利用對流傳熱、導熱裝置或增加高溫輻射面來改善人員的局部熱感覺。利用輻射的方向性改善局部輻射熱環境的研究并不充分。因此文中提出指向型熱輻射（DHR）裝置，從輻射裝置對室內局部作用溫度（LOT）的影響出發，闡述DHR熱輻射裝置的工作原理，并通過試驗研究了加熱條件下不同布置方式的DHR裝置的熱性能。

1 指向型熱輻射裝置

如圖1所示，在空間中，有一個反射罩開口面法線N1的DHR單元和一個法線N2的表面A2。DHR單元是一個可以旋轉的漫射單元，由一個輻射管和一個半圓柱形的反射罩組成，輻射管發射的輻射能經過直接照射和反射罩反射，從反射罩開口面A1發射到空間中。如圖1所示，當DHR單元的反射罩被固定在一個位置并正向設置時，N1和N2與連接線S的角度分別為β1和β2。反射罩開口面A1對表面A2的輻射能量QA1-A2和角系數FA1-A2如式（1）所示［10］。

式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，W·（m2·K4）-1；Tro為反射罩開口表面熱力學溫度，K；S為連接線長度，m；A1為反射罩開口面面積，m2。

由圖1所示，當DHR單元旋轉并指向表面A2（指向設置）時，反射罩開口面的法線N1和連接線S重合。面積A1、連接線長度S和角度β2不變，角系數FA1-A2隨著角度β1減小到0而增大，輻射能量QA1-A2增大，表面A2的輻射溫度增大。因此，當多個可旋轉的DHR單元組成的DHR裝置指向表面A2時，表面A2所在局部空間的作用溫度上升。

圖1 DHR單元工作原理圖

2 試驗概況

2.1 實驗室概況

DHR裝置熱輻射性能測試系統如圖2所示，該系統由冷熱源、保溫水箱、自吸泵、電磁流量計、DHR裝置模塊、全數字動態熱像儀等組成。圖3顯示了系統的示意圖。

圖2 DHR裝置熱輻射性能測試系統

圖3 系統示意圖

2.2 DHR實驗裝置模塊

如圖4所示，一個DHR單元由直徑d=12mm的紫銅管和寬度w=40mm的半圓柱形反射罩組成。在實驗中，銅管的外表面涂有發射率為ε1=0.95的石墨。半圓柱形反射罩的內表面具有反射率ρ=0.95的反射層，外表面用導熱系數λ=0.034W/（m·K）的10mm厚的橡塑保溫棉進行保溫。

圖4 DHR裝置模塊

DHR實驗裝置模塊由一個帶有50mm厚聚苯乙烯（EPS）泡沫板的隔熱室和一個DHR裝置組成。隔熱室的尺寸為1000mm×1000mm×1000mm（長×寬×高）。DHR裝置被布置在隔熱室墻壁的中央，由7個DHR單元組成，管間距為80mm，整體尺寸為520mm×520mm（長×寬）。在隔熱室的中心設有直徑40mm黑球溫度計，用于測量空間一點的局部作用溫度。

2.3 測試儀器

DHR裝置熱輻射性能測試系統的測點布置如圖5所示，黑球溫度計分別放置在DHR裝置表面中心的法線方向，分別測量100、200、300mm和400mm處的局部作用溫度θb，球體周圍的風速vea由德圖葉輪風速儀測量。如圖5所示，DHR單元被水平向下排列，其測點被安排在標有2和5的DHR單元。T型熱電偶沿水流方向每隔50mm放置，分別測量反射罩內壁溫度θri，1、管壁溫度θpo、反射罩空氣溫度θra和反射罩開口溫度θro。實驗室中使用的測量儀器如表1所示。

圖5 DHR裝置熱輻射性能測試系統的測點布置

表1 測試儀器及性能參數

2.4 實驗工況

為了研究不同布置方式DHR裝置的反射器角度α對不同位置局部作用溫度的影響，在加熱條件下進行了15次實驗，如表2所示。實驗室環境溫度設定為19.8±0.3℃，進水溫度為49.6±0.3℃，供水流量為7L/min。如圖6所示，在實驗中，DHR裝置的背面由50mm厚的橡膠絕緣棉進行保溫。每個條件的測試時間為30min，測試儀器的采集頻率為10s。

表2 實驗工況

圖6 3種不同布置方式的DHR裝置

3 實驗結果與分析

圖7顯示了供熱條件下垂直和正向設置的DHR裝置的熱像圖。如圖7所示，當DHR裝置正向設置時，在49.6℃的供水溫度下，反射罩內各表面溫度均在35℃以上。每個DHR單元都能將銅管的熱輻射集中在一個半圓柱形的反射罩中。

圖7 垂直和向前設置的DHR裝置的熱像

圖8顯示了3種不同布置方式下正向設置的DHR單元銅管每單位管長換熱量。從圖8中可以看出，相同供熱條件下，水平向下、垂直、水平向上布置的DHR單元的銅管表面溫度、反射罩內表面溫度和反射罩開口表面依次下降，銅管表面溫度分別為42.4、38.1℃和36.1℃，反射罩內表面溫度分別為39.6、34.5℃和33.1℃，反射罩開口表面溫度分別為36.9、28.8℃和24.7℃，而銅管能耗依次上升，銅管每單位管長換熱量分別為45.48、53.73W/m和63.73W/m。DHR裝置的銅管每單位管長換熱量隨水平向下、垂直、水平向上布置依次增長，但輻射換熱量占比依次下降，從97.39%下降到88.56%，對流換熱量占比依次上升，從2.61%上升到11.44%。可見，自然對流對不同布置方式下DHR單元的影響不可忽視，水平向上布置的DHR單元受自然對流影響最為顯著，導致DHR單元的銅管表面溫度和反射罩開口表面溫度顯著下降。

圖8 DHR單元內表面溫度及銅管每單位管長換熱量

圖9顯示了3種不同布置方式下的DHR裝置在正向和指向設置時，分別在距DHR裝置中心100、200、300mm和400mm處的局部作用溫度和相同距離下正向和指向設置時的局部作用溫度差Δθb。從圖9中可以看出，無論DHR裝置為正向或指向設置，在3種不同布置方式下，局部作用溫度均隨著距離的增加而降低，這是由于DHR裝置對黑球的輻射隨著距離的增加而衰減。DHR裝置正向設置，且分別水平向下、垂直和水平向上布置時，距DHR裝置中心100mm處的局部作用溫度分別為24.7、22.4℃和21.2℃，這是由于DHR裝置為水平向下且正向設置時，自然對流對DHR單元的影響較小，DHR單元各表面的溫度較高，局部作用溫度升高。

圖9 DHR裝置不同布置方式下局部作用溫度

從圖9中可以看出，在DHR裝置3種不同布置方式下，各DHR單元反射罩旋轉并聚焦在100、200、300mm和400mm處黑球時，相應位置的局部作用溫度達到最高值，這是由于反射罩旋轉之后，DHR單元對相應位置的黑球的角系數增加最多所引起的。DHR單元聚焦前后的相同位置的局部作用溫度差用來表述DHR裝置的局部加熱效果。如圖9（a）所示，指向設置和正向設置的DHR裝置在100、200、300mm和400mm處的局部作用溫度差分別為1.0、0.7、0.5℃和0.4℃。局部作用溫度差隨著與DHR裝置中心距離的增加而減小，且在相同距離下高于DHR裝置垂直和水平向上布置時的局部作用溫度差。DHR裝置在水平向下布置時對黑球的指向熱輻射效果最為明顯，約為水平向上布置的2倍。

為了明確文中實驗測量數據的可信賴程度，對實驗過程中直接測量值（溫度）和間接測量值（銅管每單位管長換熱量）進行了不確定性分析［11］。實驗數據的不確定度由不確定度A類分量ΔA和B類分量ΔB組成。不確定度A類分量先根據測量次數和每次測量值得出算術平均值m，再根據貝塞爾公式得出測量值的實驗標準偏差σm。不確定度B類分量由測量儀器標定的最大允差來表述。合成標準不確定度u由不確定度A類分量和B類分量的均方根進行計算，如式（2）所示。相對標準不確定度ur由合成標準不確定度和算術平均值計算得到，如式（3）所示。

根據測量儀器的不確定度、式（2）和式（3），結合各測量參數在實際測量過程中的數值，計算得到直接測量值的最大相對標準不確定度為±2.6%，間接測量值的最大相對標準不確定度為±5.7%。

4 結語

為了研究非均勻輻射熱環境下指向型熱輻射裝置對局部輻射熱環境的影響，文中從室內局部作用溫度出發，通過試驗研究了加熱條件下不同布置方式下DHR裝置的指向熱輻射性能，并對不同布置方式下DHR裝置的能耗進行分析，得到以下結論：

（1）DHR裝置在不同布置方式下，自然對流對其的影響不可忽視。DHR裝置水平向下布置時受自然對流影響最小，銅管單位管長換熱量最低。

（2）DHR裝置水平向下布置時，DHR單元內各表面溫度最高，因此指向熱輻射效果最好，是水平向上布置的2倍。

（3）文中通過試驗驗證了DHR裝置的指向熱輻射效果，為室內非均勻輻射熱環境下改善局部輻射熱環境提供了一種方法。