贴附射流辐射冷顶板复合空调系统的性能研究

李念平 孙烨瑶　钱佳炜　苏林　张絮涵

摘 要：通过实验小室进行对比实验，研究采用贴附射流与辐射冷顶板空调系统复合后对室内热环境的影响，以及该复合系统防止辐射冷顶板结露的效果.结果表明，贴附射流与辐射冷顶板复合空调系统相对单纯的辐射冷顶板空调系统而言，复合空调系统的辐射冷顶板降温速度更快，降温幅度更大，在室内热环境方面，其壁面温度及室内空气温湿度更低.可以认为采用贴附射流与辐射冷顶板空调系统复合运行时，能有效降低辐射冷顶板附近空气的露点温度，防止辐射冷顶板结露，且此时辐射冷顶板空调系统的制冷性能更佳.

关键词：结露；辐射冷顶板；贴附射流；室内热环境

中图分类号：TU831 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2015）11-0119-06

辐射供冷空调系统是近几年在国内开始应用的一种新型空调方式，通过降低围护结构内表面中一个或多个表面的温度，形成不同形式的冷辐射面，依靠冷辐射面与人体、家具及围护结构其余表面的辐射热交换进行降温[1-2].

辐射供冷空调系统具有节能、舒适性强、污染性小等优点，但同时也存在易结露、供冷能力有限、新风不足等问题，制约着辐射供冷的推广应用[3-5].为了解决这几大问题，国内外学者做了大量研究，其中以运用低温送风技术与辐射供冷相结合的研究较为广泛.我们可以大致将此类复合系统分为3类：地板送风与地板辐射供冷复合系统，置换通风与辐射供冷复合空调系统，以及贴附射流与辐射供冷复合空调系统[6-12].

一方面，地板辐射供冷除了一般侧壁或顶板辐射供冷的易结露、供冷能力受限的缺点外，还存在另外两大缺陷：一是过低的地板辐射面温度易引起人体的不舒适感；二是受冷却地板辐射面的影响，密度较大的冷气流下沉，易形成较大的室内竖向温差[13].

而另一方面，由周根明的研究中我们了解到在同样的辐射板工作温度设定下，置换通风辐射板系统可能较贴附射流辐射板系统更易发生结露现象；而对于相同冷负荷的房间，贴附射流辐射板系统在人体断面处平均温度更低，人体脚部断面气流的分布也更不容易产生“吹风感”[14]，即贴附射流辐射板系统无论是防结露效果还是室内环境的舒适度都优于置换通风辐射板系统.

因此，我们可以预见，贴附射流辐射供冷复合系统将是解决辐射供冷系统问题，推广辐射供冷空调系统的最佳途径.现在国内关于贴附射流辐射供冷复合系统的研究多依赖于计算机CFD模拟[15-17]，实验研究的情况较少，本文即针对独立新风贴附射流与辐射冷顶板复合空调系统搭建实验小室进行研究.

1 实验装置

1.1 实验小室介绍

为进行实验，搭建了一个应用贴附射流与辐射冷顶板复合空调系统的模拟实验小室.为了保持更稳定的环境，避免日晒雨淋的影响，实验小室建在室内，分为两个独立的腔室，上层腔室的建立是为了模拟楼上的建筑物.下层为实验空间，尺寸为（长×宽×高）：1.5 m×1.5 m×1.5 m，实验小室西面开尺寸为0.72 m×0.51 m的小窗，作为安装风管及人员进出的通道（图1及图2）.

房间墙体材料为加气混凝土砌块，顶面辐射盘管管材采用PE-Xc管，管径为DN20，使用双回路布置方式，当两个回路一起运行时，管间距为150 mm.实验小室的尺寸结构及详细材料见图3，管路布置见图4.辐射冷顶板采取热源塔作为冷源，独立新风由普通空调机组处理室外新风后提供.

1.2 实验仪器布置

由于实际实验中要实现温度、湿度分布的连续测量难度较大，因此，本文仅针对顶板、壁面及室内固定点进行仪器布置监测对比.温度传感器为Pt-100，混凝土辐射冷顶板及地板均布置4个测点，实验小室壁面各布置3个测点，均匀分布，测点布置图见图5；室内空气温湿度由TD记录仪测量，分别设置于混凝土辐射冷顶板下及房间中心.实验测量仪器及精度见表1.

2 实验方案

根据所搭建的实验小室及研究目的，设置A，B两组实验进行对比.

A：采用独立新风贴附射流与辐射冷顶板复合空调系统供冷.贴附射流送风口为0.05 m×1.00 m的条状送风口，设置位置见图5.

B：仅采用辐射冷顶板系统单独供冷.为最大程度减少可变因素，消除独立新风对对比实验结果的影响，拟采用风速低，对室内气流分布影响小的送风方式向室内送入与方案A等量且处理到相同状态下的独立新风.在实际操作中，采用在送风管末端接一管径与送风管管径同等大小的空心圆柱体，其上均匀分布小孔，置于实验小室中心进行送风.

具体实验设置参数如表2所示.

70%注：由于提供独立新风的空调机组存在一定的间歇起停情况，以上送风数据为一次起停循环中启动状态下的平均值.

辐射冷顶板供冷采用回水温度控制法，控制回水温度为10 ℃，室内设置功率为500 W的电磁炉，作为内热源.

本实验中，拟测量观测的参数为：

1）混凝土辐射冷顶板温度；

2）实验小室各壁面温度；

3）实验小室内空气温湿度.

3 实验结果及分析

3.1 辐射冷顶板运行状况对比

如图6所示，实验B进行至16：25时，辐射冷顶板的温度为19.575 ℃，而由图10和图11可知，此时辐射冷顶板下方空气温湿度分别为27.8 ℃，61%，可查得空气含温量为14.469 g/kg，露点温度为19.597 ℃，此时辐射冷顶板温度已低于空气露点温度.在设置测量仪器的锡箔纸处，由于其表面光滑，我们已经可以观察到出现了一定的膜状雾气（图7（a））.继续进行实验，在17：30时辐射冷顶板下方空气温湿度分别为27.5 ℃，59%，可以查得空气含湿量为13.735 g/kg，露点温度为18.782 ℃，辐射冷顶板的温度为18.75 ℃，此时混凝土顶板也可以观察到明显结露情况（图7（b）），实验小室内空气温湿度分别为28.2 ℃，55%.

而实验A系统运行至18：00时，辐射冷顶板下方空气温湿度分别为19.6 ℃，68%，可以查得空气含湿量为9.769 g/kg，露点温度为13.544 ℃，辐射冷顶板的温度为16.775 ℃，仍然在空气露点温度之上，无结露现象发生，此时，实验小室内空气温湿度分别为20.3 ℃，60%.

由以上分析可以得知，采用独立新风贴附射流能够有效降低辐射冷顶板下方空气的露点温度，防止辐射冷顶板结露.此方法能够在一定程度上增加辐射冷顶板的降温极限范围，提高制冷能力，降低室内空气温度.在本次实验中，实验A的辐射冷顶板的最低温度与实验B相较降低了近2 ℃，而室内空气温度则相差8 ℃左右.

3.2 辐射冷顶板温度对比

对不同实验条件下辐射冷顶板的降温情况进行简单的线性拟合后（图8），可得实验A的拟合直线斜率为-2.088 5，实验B的拟合直线斜率为-2.041 65，我们注意到，实验A中辐射冷顶板的降温速度更快，在实际应用中可更迅速地达到使用者的要求温度.

3.3 实验小室各壁面温度对比

由图9我们观察到，实验A中实验小室各壁面降温速度同样较实验B快，且最终的壁面温度均低于实验B中的壁面温度，可说明实验A的复合系统制冷效果较实验B好.但实验B中各壁面温度相差较小，而实验A中西、南方向壁面温度则明显低于东、北方向壁面.造成这一现象主要是贴附射流风口安装在东面墙端部，低温低湿的独立新风正面吹向该壁面的缘故.

3.4 室内空气温湿度对比

室内空气的温度对比情况也与辐射冷顶板及室内壁面的对比情况类似，采用贴附射流与辐射冷顶板复合空调系统供冷的实验A中，靠近辐射冷顶板部位的空气及实验小室中部的空气温度都远远低于实验B中的情况，且实验小室内空气温度的下降速率也较实验B要快，从图10可以明显看到，实验A中两处测点的空气温度均在短短15 min内陡降6 ℃以上，这正是独立新风贴附射流造成的影响.

而室内空气的湿度分布情况，我们从图11中看出，实验A中实验小室内的空气湿度虽然整体平均水平较实验B低，但其波动情况比实验B中的空气湿度波动剧烈，经过方差计算可知，实验A中实验小室湿度变化的标准差为4.277，实验B则为5.813，可认为实验A中实验小室内的空气湿度因为送风方式的不同，更易受到独立新风间歇送风的影响.

4 结 论

由此次实验的结果分析我们发现，应用独立新风贴附射流的辐射冷顶板空调系统：

1）辐射冷顶板降温速度更快，且由于其下方空气为贴附射流风口送出的独立新风，露点温度低，辐射冷顶板不易结露，因此降温幅度更大；

2）由于辐射冷顶板降温幅度增大，可承担的冷负荷也随之增加，室内壁面温度及空气温度均大大低于不采用贴附射流的辐射冷顶板空调系统；

3）但室内的空气湿度波动较大，易受到贴附射流送入独立新风的间歇性、不稳定性的影响.

我们认为，辐射冷顶板空调系统在实际应用中可以采用独立新风贴附射流的方式来解决顶板易结露的问题，且该方式可以增加空调系统的制冷量，改善辐射冷顶板空调系统冷负荷受限的情况.但是同时我们也要注意到，由于提供独立新风的空调机组会存在一定的间歇性和波动性，对室内空气湿度的稳定性将造成较大影响，不适用于对空气温湿度有严格要求的场所.

当然，本文也存在不足之处.由于实验小室的大小限制，仅针对贴附射流与辐射冷顶板复合空调系统对室内壁面温度及空气温湿度的影响进行了分析，实际应用时贴附射流对室内的气流分布也十分重要，对人体的热舒适性存在一定的影响.另外独立新风与辐射冷顶板分别承担冷负荷的分配问题也与该方案的经济适用性有所关联.对于这些相关问题的探讨我们将在以后的研究中继续努力完善.

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