輻射誘導空調系統運行和結露特性實驗研究

司　強　 徐國英　 張小松

(東南大學能源與環境學院, 南京 210096)

為了提供符合標準的室內舒適環境,建筑物的空調系統需要消耗大量能源．隨著我國經濟的高速發展和人們對舒適環境的需求越來越高,建筑能耗占到了總能耗的26%．目前,具有高舒適性和能效的輻射空調系統越來越廣泛地應用于新型商業建筑和公寓[1]．

輻射空調的高能效受到了學者們的廣泛關注.Hao等[2]研究了結合干燥劑除濕下冷吊頂的能耗,發現耦合系統在熱濕氣候下與傳統空調系統相比,通過采用蒸發冷源可以節能80%,同時能為居住者提供更高的舒適性[3-4],其中一個重要原因是輻射空調能大幅度減少室內吹風感．由于輻射空調僅處理室內顯熱負荷,室內的濕負荷需要單獨的除濕系統來處理．因此,為了提高室內舒適性同時防止結露,室內濕度控制對于輻射空調系統來說十分重要．對于防結露的研究主要集中于控制策略和輻射板的結露特性,Song等[5]提出了結合除濕通風來預防結露的輻射地板系統,并提出系統對于負荷變化的響應能力需要改進．Tang等[6]通過實驗研究了金屬輻射板的結露現象,發現一定壓力下冷凝水的溫度低于相應壓力下飽和溫度的差值,即過冷度(SCD)低于3 ℃時,輻射板表面形成結露所需的時間超過10 h．Xia等[7]對輻射吊頂結合送風設備的綜合系統進行了系統概念、傳熱特性、結露控制、能耗和舒適性等多方面的研究．Zhang等[8]實驗研究了安裝傾斜鋁翅片的懸浮金屬輻射板的制冷和供暖性能,并得出了輻射和對流傳熱處理的負荷比例．

輻射誘導空調系統是一種輻射空調和送風的新型耦合系統,具有系統簡單、容易控制和更有效防止結露等優勢[9-10]．本文研究了作為輻射誘導空調系統室內末端的輻射誘導器的結露現象．從理論上分析了開孔輻射板表面附近結露和對流的相似性,將結露過程中通過實驗和理論分析得出的傳質系數回歸成舍伍德數和瑞利數的經驗關系式．通過實驗得出了輻射誘導器在不同工況下的臨界結露溫度和結露速率,從而得出對輻射誘導空調系統的響應和改變室內熱環境速度的要求．據此研究輻射誘導空調在普通辦公室,即非穩態環境下的啟動和運行特性,并依據實驗數據,得出優化的啟動控制策略．

1　實驗系統

1.1　系統描述

實驗系統建于6.5 m×6 m×2.6 m 的辦公室內．墻面為蒸壓加氣混凝土砌塊,表面為薄抹灰．地板為擠塑聚苯乙烯保溫板．北墻裝有采光窗．圖1為輻射誘導空調的末端設備輻射誘導器．實驗室內共裝有8臺輻射誘導器且均可以獨立控制,本文選用面積為2 m2的4臺進行研究．該設備的箱體上部接靜壓箱,內部有誘導風道、混合室和底部的開孔輻射板等部件．開孔輻射板上安裝有換熱盤管．輻射誘導器除了以水為工質的普通輻射空調運行模式外,還有以空氣為工質的全空氣運行模式．其運行原理為,來自空氣處理機組的一次風通過靜壓箱的條形噴嘴送入混合室內,從而在噴嘴和混合室入口之間形成負壓,誘導室內回風通過輻射板兩側的誘導回風口通過誘導風道進入混合室內與一次風混合．由于一次風與室內誘導回風混合后還要與輻射板換熱,因此相比誘導比(誘導進混合室的室內回風量與一次風量之比)在3～5左右的冷梁系統,輻射誘導器采用了誘導比在1以下的條形噴口,從而保持了混合空氣與輻射板的換熱溫差,同時減少了送風阻力和噪音．混合空氣與開孔輻射板換熱后通過輻射板上的送風孔進入室內．

圖1　輻射誘導器剖面圖

圖2為實驗系統,除了安裝于辦公室內的輻射誘導器外,系統還包括空氣處理機組和采用非共沸混合制冷劑的雙蒸發器制冷機組,該機組制冷時可提供7～17 ℃的冷凍水．機組內安裝有低溫蒸發器和高溫蒸發器,兩者可以分別連接至需要較低溫度冷凍水的分段式空氣處理機組和需要較高溫度冷凍水的輻射誘導器的換熱盤管．并且通過閥門切換，可以將通過高溫套管式蒸發器和低溫套管式蒸發器連續蒸發換熱所得的低溫冷凍水連續通過分段式空氣處理機組的表冷段和輻射誘導器的換熱盤管,同時達到冷卻除濕的效果．

1.2　數據采集

對于房間內存在溫度分層的空調系統,為保證室內人員的舒適性要求,需要對2 m以下工作區內人員的頭部和腳踝處的溫度加以控制．其中腳踝和頭部的高度分別為0.1和1.7 m,人員坐下時頭部的高度一般為1.1 m．實驗室設置了4根直桿(直桿1～直桿4)并每根設置12個測點,以測量各工況下實驗室內豎直溫度分布,包括高度為0.1,1.1,1.7 m和3種高度之間各3個,以及距開孔輻射板150 mm的3個．對于圍護結構的壁面溫度分別取工作區高度2 m 以下3種高度測量．地面和天花板分別設有4個溫度測點．溫度傳感器采用型號為PT-100熱電偶,具體測點分布及測點高度如圖3所示．

1—輻射誘導器;2—空氣處理機組;3—雙蒸發器制冷機組;4—膨脹水箱;5—空氣處理機組循環水泵;6—輔助電加熱器;7—電子流量控制閥;8—末端循環水泵;9—上部回風口;10—下部回風口;11—回風負壓風機;V1～V11—閥門

圖2實驗系統圖

圖3　實驗室內測點分布

對于輻射誘導器開孔輻射板的結露工況及其附近的熱環境,采用露點傳感器測試露點溫度．當室內溫度進入穩定狀態,用吸水紙采集1 h內輻射板表面形成的露水，并用精度為0.01 g的電子分析天平稱重，以測量結露速度．由結露速度和露點傳感器所得環境空氣下和輻射板表面溫度下的水蒸氣質量分數可計算得出傳質系數,通過傳質系數結合實驗數據即可得出傳質分析所需的舍伍德數Shc.

2　理論分析

2.1　熱質傳遞的類比

結露現象是一個傳熱傳質過程，為了得出各無因次量綱之間的關系，本文對其進行理論分析.設平行于紙平面的輻射誘導器的開孔輻射板部件長度為L.當輻射板表面溫度Tp,i小于露點溫度Td時，發生結露現象.由于干冷空氣密度大于熱濕空氣，干冷空氣會沉降而熱濕空氣會上升.因此結露過程同時受送入室內混合空氣的強制對流及熱量和質量擴散帶來的綜合浮力所引起自然對流的影響.設環境氣溫為T∞，環境水蒸氣質量分數為ω∞；輻射板表面某節點溫度為Ti，水蒸氣質量分數為ωi.假設忽略平面上不可壓縮流體的自然對流層流的黏性耗散，并假設流體性質不變.在布辛涅斯克近似(Boussinesq approximation)簡化條件下所得如下質量守恒、沖量守恒和能量守恒以及水蒸氣質量守恒的控制方程[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，v為空氣速度,m/s;ρ為密度,kg/m3;p為壓力,Pa;μ為動力黏度,Pa·s;g為重力加速度, m/s2；α為擴散系數，m2/s;D為質量擴散系數，m2/s;t為時間.

空氣密度的變化ρi-ρ∞表征了環境空氣和輻射板表面之間溫濕度差的聯合作用，該作用決定了對流流動產生的浮力.在給定的高度下壓力對空氣密度的影響可以忽略，但是需要考慮溫度和質量分數變化時影響的線性項，即

ρ∞-ρ=ρβ(T-T∞)+ρβ*(ω-ω∞)

(5)

式中，β為空氣體積膨脹系數；β*為空氣質量分數變化時的膨脹系數.表達式為

(6)

由于全空氣模式下的輻射誘導器僅以空氣為工質，因此控制方程中可將路易斯數(流體的擴散系數)近似看作為1，即Le=1[12].熱量和質量轉移類比可由無量綱分析推導所得.

首先將方程(2)中的壓力項分離為對流區域內的氣流動壓pm和靜壓ph兩部分.然后將各項無因次化，并將方程(5)中的密度項線性化后，將控制方程轉換成無因次形式，即

(7)

(8)

(9)

(10)

θ(τ,X,Y)=ω(τ,X,Y)

(11)

Nu=Sh

(12)

又因為θ=ω，無因次動量守恒方程(8)可轉化為

(13)

根據控制方程和邊界初始條件，θ和Gr可反映綜合浮力效應θGr，因而可將熱質耗散的綜合浮力效應產生的對流計算轉換成通用的對流計算.因此，結露過程和舍伍德數的關系與對流過程和努塞爾特數的關系相同.

熱量和質量轉移類比可由式(12)表示，其中

(14)

(15)

式中，h為對流換熱系數，W/(m2·K)；k為導熱系數，W/(m·K)；hm為傳質系數，mm/s.

大多數傳熱相關關系式中，努塞爾特數與瑞利數之間的關系通常用如下冪函數表示[14-16]：

Nu=CRan

(16)

Ra=GrPr

(17)

(18)

式中，C為冪函數系數.結露時舍伍德數也可以用瑞利數的冪函數表示，即

Sh=CRan

(19)

在對流傳熱中，空氣密度的變化僅受溫度影響.但是，由式(5)可以看出，在發生結露時，空氣密度同時受溫度和濕度的影響.

2.2　傳質系數的計算

開孔輻射板表面的結露速率可由實驗得出.傳質系數作為影響結露速率的重要參數可由2種方法得出.

1) 由于輻射板表面的結露速率m可由傳質系數表示為

m=hmρ∞(ω∞-ωi)

(20)

因此，傳質系數可由下式求得：

(21)

另外，由Nu=Sh和Le=1可得結露時劉易斯關系式為

(22)

式中，ρa，cp,a為空氣的密度和比熱.

2) 在環境溫度與輻射板表面附近飽和空氣之間的焓差中包含了對流換熱的動力，因此傳質系數也可由輻射板的能量平衡關系式求得，即

(23)

式中，qt為輻射誘導器的總換熱量，W；qc為輻射誘導器的對流換熱量，W；qr為輻射誘導器的輻射換熱量，W；i∞為環境空氣焓值，kJ/kg;ii為輻射極表面空氣焓值kJ/kg.qt可由雙蒸發器制冷機組所提供的冷凍水的供回水溫差求得，即

qt=ερwcp,wG(Tout-Tin)-ql

(24)

式中，ε為空氣處理機組換熱器換熱效率；cp,w為冷冰水比熱，J/(kg·℃);Tin,Tout為冷冰室進、出口溫度；ql為風管沿程熱損，W.由于空氣處理機組與實驗室僅相隔一面墻，一次送風管很短，風管內一次風溫度幾乎不變，因此ql忽略不計.其中輻射換熱量qr可根據斯特藩-玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann law)由輻射板表面及其周圍環境計算求得.

3　實驗結果與分析

3.1　結露速率與傳質分析

3.1.1結露速率和傳質系數

相比傳統輻射板,輻射誘導器在開孔輻射板附近形成的空氣層使其在相同條件下結露溫度更低,因而具有更好的防結露性能,其結露溫度主要受一次風溫度和一次風量的影響[9]．當輻射誘導器在結露工況下運行時,定義結露速率為發生結露時結露表面單位時間內產生露珠的質量．首先通過實驗研究輻射誘導器的開孔輻射板在結露情況下的傳熱能力,從而測得傳熱性能隨過冷度的變化．圖4為傳熱能力隨著過冷度變化的曲線圖．可以看出,當一次風量不變時輻射板表面溫度下降,總傳熱量隨之增加．這是由于輻射板附近的飽和濕空氣與環境空氣之間的焓差隨過冷度增加．輻射板的總傳熱量隨著過冷度的增加由100 W/m2增加至接近200 W/m2,這是因為其中很大一部分傳熱量會用于維持結露產生的露珠從而造成浪費．隨著送風量的增加,傳熱量的變化規律相似．但是最高傳熱量出現在低一次風量和高過冷度的狀態下,可見室內熱環境達到穩定狀態后,影響輻射板換熱性能的主要是一次風溫度．

圖4　傳熱能力隨著過冷度變化曲線圖

本文采用傳質的相關性來分析輻射板表面的結露速率．根據實驗結果,將在環境溫度34 ℃、相對濕度65%時輻射板表面的結露相關參數整理如圖5和圖6所示．從圖5可以看出,傳質系數隨著過冷度增加而略有上升．并且隨著一次風量上升,結露速率上升幅度逐漸增加．圖6顯示結露速率隨著過冷度近似線性增長．與傳質系數相似,其上升幅度也隨著一次風量上升而逐漸增加．對于輻射空調的結露預防和控制策略來說,結露速率是一個基本參數,它直接影響輻射板表面露珠對室內環境的影響程度．在室內熱環境達到穩定狀態時,大風量更容易產生高結露速率,使得系統的控制難度增加．

圖5　傳質系數與過冷度之間的關系

圖6　結露速率與過冷度之間的關系

3.1.2傳質分析

用于描述傳質系數的無因次項包括瑞利數Ra、舍伍德數Sh和施密特數Sc.不同尺寸的輻射板的傳質系數和相對空氣密度變化可以用無因次瑞利數Ra和舍伍德數Sh表述.由于對輻射誘導器來說，空氣為唯一工質，因此舍伍德數Sh和施密特數Sc之間的關系在此不予討論.本文采用實驗采集法和平衡計算法得出傳質系數.實驗采集法的舍伍德數記為Shc，平衡計算法的舍伍德數記為Shb.Shb由式(24)求得的hm代入式(15)得出.圖7給出了舍伍德數Sh和瑞利數Ra的關系曲線.由回歸分析得出舍伍德數Sh和瑞利數Ra之間為冪函數關系，這與對流過程中的奴塞爾特數Nu和瑞利數Ra相似，即

Sh=0.180 3Ra0.340 1

(25)

對比以上2種傳質系數計算方法的計算結果發現，兩者吻合較好，誤差最大為15.3%.通過結露采集方法所得出的傳質系數大部分小于通過能量平衡關系式所得的傳質系數，這是由于在實驗過程中存在未能完全采集輻射板表面的結露場合，另外在計算過程中將劉易斯數Le近似為1.該結果一方面驗證了實驗的準確性，另一方面驗證了傳質類比Nu=Sh的正確性.

圖7　舍伍德數Sh和瑞利數Ra的關系曲線

3.2　系統啟動特性

為了測試輻射誘導空調的啟動特性并優化運行策略,本文采集了不同工況下室內空氣溫度和圍護結構內表面溫度的變化過程，并與傳統的輻射空調進行對比,從而分析得出系統啟動和響應的特性．

圖8和圖9為夏季工況下普通輻射空調模式和輻射誘導模式下室內空氣和各圍護結構表面平均溫度隨時間的變化過程．安裝于相鄰兩間同規格實驗室內的2種系統均以實驗中穩定狀態、相同室外環境下達到相同室內熱環境(28 ℃,65%)時的控制參數下運行．2種工況系統剛啟動時,天花板處溫度下降速度較快,一段時間后變化趨勢逐漸平穩．同時,其他圍護結構的表面溫度均在輻射和對流換熱的作用下逐漸降低．普通輻射空調模式在室內溫度趨于穩定的過程中溫度下降的速度越來越慢,到達穩定狀態所需時間在6 h以上．輻射誘導模式下系統通過輻射板上送風孔的送風強制對流換熱,與其他圍護結構內表面和室內空氣溫度下降速度之間的差異比普通輻射空調模式?。貏e是室內空氣,先于其他圍護結構內表面與誘導送風對流換熱,其溫度下降速度甚至高于圍護結構．大幅縮短的啟動時間意味著大幅減少了室內熱環境進入穩定狀態之前的能耗．

圖8　普通輻射空調模式各溫度變化

圖9　輻射誘導空調模式各溫度變化

圖10為不同工況下2種模式的啟動時間匯總圖．對于普通輻射空調模式,輻射板進水溫度從16 ℃減少到8 ℃,其啟動時間減少了0.8 h,而相對最長將近7 h的啟動時間來說變化幅度并不大．對于輻射誘導模式,一次風量越大,達到穩定狀態時間越短．一次風量達到650 m3/h以上時,啟動時間大幅度縮短,這是因為進入室內的風速過大,直接與工作區內的空氣強制對流換熱,通過溫度傳感器可采集到該劇烈溫度的變化．另一方面一次風溫度的變化對啟動時間的影響不大．不同一次風量下,隨著溫度從12 ℃增加到16 ℃,啟動時間的變化幅度在0.5 h以內．結合圖9可看出,在穩定狀態下,由于熱惰性,負荷變化對于室內熱環境的改變幅度同樣較小且緩慢,改變一次風溫度時系統的響應能力足以滿足室內舒適性,但是實際效果還需進一步測試．由于在穩定狀態不宜采用較大且變化幅度大的風量,因此通過保持一次風量來控制一次風溫度．

圖10　各工況2種模式的啟動時間匯總圖

4　結論

1) 當在一定一次風量下輻射板表面溫度下降時,總傳熱量隨之增加．最高傳熱量出現在低一次風量和高過冷度的狀態后．傳質系數隨著過冷度增加而略有上升，并且隨著一次風量上升,其上升幅度逐漸增加．

2) 結露速率隨著過冷度近似線性增長．在室內熱環境達到穩定狀態后,結露速率隨風量增大．

3) 普通輻射空調模式與輻射誘導模式下室內熱環境變化規律相似,但是誘導輻射模式可以大幅度縮短進入穩定狀態的時間．且一次風量越大,達到穩定狀態時間越短．根據各工況下的啟動階段時間可知,在未發生結露的前提下,室內熱環境達到穩定時采用較低溫度的低風量一次風更為合理．如果出現結露,則優先控制能產生較快響應速度的一次風量．

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