重力柜聯合輻射吊頂運行特性研究

金梧鳳 趙 田 王志強

（天津商業大學，天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134）

引言

隨著我國生活水平的提高，輻射空調作為一種高效、節能的空調方式，被越來越多的應用在建筑中[1-4]。然而，輻射空調系統存在由于輻射表面易結露導致其制冷能力不足的缺點，當因某種原因，室內顯熱負荷突然增大時，輻射空調系統無法保證室內熱舒適的環境，需要補助制冷方式進行降溫處理[5,6]。

高志宏等[7]研究發現輻射空調的供冷能力與安裝形式、室內溫度、供回水溫差有關。楊瑩超[8]通過實驗與模擬相結合的手段，研究輻射空調自身因素對制冷能力的影響。胡小倩[9]重點研究了輻射供冷與置換通風復合系統的室內熱環境及供冷特性。吳倩蕓等[10]針對全天負荷變化較大的建筑提出一種輻射與對流耦合系統，夜間負荷低時由獨立新風與輻射頂板承擔，白天負荷較大時采用風機盤管作為補冷設備。何中凱等[11]梳理了影響毛細管網輻射空調系統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]研究了太陽輻射對輻射頂板供冷能力的影響。綜上所述，目前對輻射空調的研究主要從其本身的供冷能力出發，關于輻射空調補冷設備的研究較少。因此，筆者通過試驗研究的方法對重力柜與輻射吊頂聯合運行時室內溫度分布情況進行研究，并對影響重力柜供冷能力的影響因素進行分析，為補助制冷裝置重力柜的應用提供依據。

1 試驗介紹

在試驗規定的工況下，對重力柜與輻射吊頂聯合運行時的室內溫度的分布情況進行研究，從而判斷重力柜作為輻射吊頂補助制冷裝置的制冷效果。試驗主要的測試參數有室內空氣溫度，以及按區域劃分的不同位置的溫度分布，進而對空氣溫度是否下降到設定溫度，靠近重力柜附近區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行分析。

1.1 試驗臺介紹

試驗房間布置如圖1所示，試驗臺房間尺寸為5 m×3 m×2.3 m，房間南墻為實驗室的外墻。輻射吊頂尺寸為1.5 m×0.8 m×0.04 m，共計9塊。實驗室為置換通風系統，新風口和排風口布置于東墻和吊頂。根據設計要求，所選重力柜尺寸為1.2 m×0.15 m×1.9 m，其送風口和回風口尺寸均為1 m×0.1 m。重力柜內部安裝有3排毛細管網，貼壁面處布置的毛細管網由16 ℃的高溫冷水管構成，而另外2排被安置在重力柜內部的毛細管網則由7 ℃的低溫冷水管構成，網排間距為30 mm，毛細管網尺寸為1.5 m×1.0 m。此外，構成內置毛細管網的毛細管均為U10型，外徑為4.3 mm，壁厚0.9 mm。

圖1 試驗臺布置

1.2 重力柜聯合輻射吊頂運行模式

重力柜與輻射吊頂聯合運行時，須首先保證輻射吊頂能夠發揮其制冷能力，重力柜作為其補助制冷設備，壁面毛細管高溫冷水管不運行。當室內溫度高出設定溫度0.2 ℃時，重力柜內低溫冷水管運行；當室內溫度較設定值低0.2 ℃時或者重力柜壁面溫度較露點溫度高2 ℃時，重力柜停止供冷。

1.3 試驗條件

由于本次試驗主要研究重力柜與輻射吊頂聯合運行時室內溫度分布情況，且考慮毛細管網中為7 ℃低溫冷水，以及輻射吊頂結露問題，故研究工況為室內空氣干球溫度與室內空氣設定溫度差值大于0.5 ℃，小于2 ℃時的情況，濕度設定為50 %，并結合試驗條件，設定室內溫/濕度為23 ℃/50 %。試驗條件如表1所示。

表1 試驗條件確定

1.4 測點布置

試驗測點布置如圖2和圖3所示，圖2所示為x-y平面上測點水平分布圖，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，中間和右側截面。圖3所示為y-z平面上測點分布圖，共計45個溫度測點。選用橫河MX100采集房間不同位置熱電偶信號。

圖2 測點水平分布圖

圖3 測點垂直分布圖

1.5 試驗結果及分析

在規定工況下，對重力柜與輻射吊頂聯合運行時的室內溫度分布進行分析，試驗結果如圖4～圖6所示。

圖4 x=0.45 m處截面上測點溫度分布圖

圖5 x=0.95 m處截面上測點溫度分布圖

圖6 x=2.15 m處截面上測點溫度分布圖

由圖4～圖6可以看出各個測點溫度分布在（23～24.01）℃之間，在設定溫度允許誤差范圍內。在相同高度和距離重力柜相同距離處，由于重力柜左側截面處有人體熱源，故此處溫度最高，其次是重力柜右側截面上各測點溫度，重力柜中心位置截面上各測點溫度最低。并且不同高度的水平面上溫差均在0～0.31 ℃范圍內，可認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，重力柜左側截面，中心位置和右側截面處均具有相同的變化趨勢，在0.1～1.5 m的高度范圍內溫度逐漸上升，1.5～1.9 m范圍內溫度逐漸下降。出現這種現象的原因是：由于重力柜出風口在下方，故距地面0.1 m位置溫度最低，隨著室內熱源的加熱，溫度逐漸升高，在高度為1.5 m的位置，室內溫度達到最大值。輻射吊頂同時向室內供冷，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ASHRAE手冊[13]中人體熱舒適性標準的要求，一般垂直溫差應小于3 ℃，試驗中各個截面處最大垂直溫差為0.6 ℃，即各個測點的垂直溫差均在要求范圍內。

綜上，重力柜與輻射吊頂聯合運行時，不同斷面位置垂直溫差以及靠近重力柜區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助制冷裝置與輻射吊頂聯合運行時室內溫度能夠達到設定溫度要求，進一步通過模擬的方法對影響重力柜毛細管網供冷能力的影響因素進行研究，為提升重力柜的供冷能力提供依據。

2.1 模型建立

2.1.1 三維物理模型

依據前述試驗臺參數建立三維模型，假設向室內傳遞的熱量主要是維護結構得熱以及室內模擬人員散熱，提供冷量的末端主要有吊頂輻射板和重力柜。省略室內人員、設備等模型的建立，簡化為白熾燈作為室內的熱源，加濕器模擬室內的散濕情況，不存在其他障礙物，并做出如下假設：室內氣體為穩態、不可壓縮流體。

2.1.2 數學模型

假定室內氣體為穩態，不可壓縮流體，在模擬中采用浮力模型，氣體流動為湍流流動。采用Fluent軟件進行模擬：采用k-ε湍流模型作為湍流附加方程，并采用低雷諾數法解決近壁處流動為層流狀態的問題，對質量、能量方程聯合求解，得到室內溫度場。

2.2 邊界條件

1）數值模擬過程中，為了簡化計算過程，根據圍護結構的面積，將房間的得熱量設定為1 200 W，熱釋放率為34 W/m3。

2）毛細管重力循環柜入口、出口處均采用壓力邊界條件，新風系統送風入口采用速度入口，送風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，考慮到浮升力項和重力作用，認為氣流的密度變化符合Boussinesq假設。實驗室南墻為建筑承重墻，其傳熱系數為1.5 W/（m2·K），其余墻體及重力柜外殼均設為絕熱邊界條件。

2.3 模型準確性驗證

為驗證建立模型的準確性，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，將試驗得到的數據與模擬結果進行對比分析，由試驗結果得：在同一截面處，在同一截面處，不同點的溫度基本一致，所以在模型驗證時一個高度僅選取一個點進行分析。由于沿y方向劃分的重力柜右側截面位置溫度受太陽輻射以及重力柜影響最小，故模型與試驗均選取重力柜右側截面與x=0.7 m，x=1.5 m和x=2.3 m截面的交線上的點的溫度進行分析。結果如圖7所示。

圖7 試驗值與模擬值對比圖

由圖7可以看出，試驗值和模擬值總體趨勢保持一致，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值誤差最大，為0.13 ℃，相對誤差在5 %以內，可驗證所建立的數學模型具有較好的準確性。產生誤差的主要原因是置換通風作用的影響，設計工況下置換通風不承擔室內負荷，而在試驗中由于短時間內溫度沒有下降到設定的溫度范圍內，導致置換通風承擔了部分負荷，試驗溫度值低于模擬溫度值，且又存在測試系統精確度、試驗操作誤差等問題，因此存在一定的偏差是合理的。

2.4 模擬結果分析

采用ASHRAE手冊[13]中規定的輻射空調供冷量的計算方法對重力柜產生的輻射換熱量進行計算，運用自然對流公式計算重力柜自然對流換熱量。

計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流供冷量（W/m2）。

計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（℃）。

計算單位面積輻射壁面對流供冷量為：

式中：

ta—室內空氣溫度（℃）。

計算自然對流換熱量：

式中：

Q—自然對流換熱量（W）；

c—空氣平均比熱容（J/（kg·K））；

m—空氣質量流量（kg/s）；

Δt—重力柜上下出風口溫差（K）。

2.4.1 毛細管網管間距的影響

分析重力柜內毛細管對供冷能力的影響，分別研究毛細管間距為30 mm，20 mm和10 mm時重力柜所能提供的冷量，重力柜送風口溫度變化如表2所示。

表2 毛細管間距變化時重力柜送風口溫度

由表2可知，重力柜送風口溫度隨著毛細管間距的減小而減小，重力柜內毛細管間距分布為30 mm，20 mm和10 mm時，送風口溫度分別為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?？梢钥闯?，隨著毛細管間距的減小，毛細官網總面積增大，重力柜總供冷量逐漸上升，出風口溫度和單位面積供冷量逐漸下降。毛細管網管間距由30 mm變為20 mm以及由20 mm變為10 mm時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 毛細管網管排數的影響

毛細管網管間距為20 mm時，對毛細管網管排數為1排，2排和3排，排間距為30 mm時重力柜供冷能力進行分析，重力柜送風口溫度如圖8所示。

圖8 重力柜送風口溫度隨毛細管網排數變化

由圖8可以看出，毛細管網管排數分別為1排，2排和3排時，送風口溫度分別為23.7 ℃，22.3 ℃和19.7 ℃，對應的總供冷量分別為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。管排數為1排和2排時，每排管能提供的總供冷量和單位供冷量相近，而當管排數由2排增加到3排時，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 毛細管網安裝距離的影響

分別對重力柜內毛細管網為1排以及毛細管網為3排時，毛細管網與后壁面的距離對重力柜供冷量的影響進行研究。重力柜內1排毛細管網，毛細管網與后壁面距離分別為20 mm，60 mm和120 mm時，送風口溫度分別為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3排毛細管網，排間距為30mm且毛細管網與后壁面距離為20 mm，30 mm和40 mm時，送風口溫度分別為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。毛細管網與后壁面距離間距為30 mm時，重力柜總供冷量達到最大，分析其原因，這是由于此時管網前后兩側氣流流動空間較大，且空氣分配較均勻。綜合分析可得，重力柜內毛細管網安裝距離對重力柜供冷量影響不大。

3 結論

1）重力柜作為補助制冷設備與輻射吊頂聯合運行時，室內溫度下降到設定溫度允許誤差范圍內。室內垂直溫差最大為0.6 ℃，小于3 ℃，水平溫差最大為0.31 ℃，滿足人體要求。

2）重力柜與輻射空調聯合運行時，重力柜出風口附近區域表面溫度較低，由于地面具有蓄冷作用，所以可以通過輻射、對流形式消除部分室內負荷。

3）重力柜內單排毛細管網時，毛細管間距越小，相應的毛細管數增多，總供冷量越大，單位供冷量下降；重力柜內毛細管網管排數對供冷量影響最大，當管排數由2排增加到3排時，單位面積供冷量顯著提升，增加的供冷量約為29.26 W/m2；毛細管網與后壁面距離對供冷量的影響最小，改變毛細管網安裝距離，總供冷量和單位面積供冷量基本保持不變。