辐射诱导空调系统运行和结露特性实验研究

司　强　 徐国英　 张小松

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

为了提供符合标准的室内舒适环境,建筑物的空调系统需要消耗大量能源．随着我国经济的高速发展和人们对舒适环境的需求越来越高,建筑能耗占到了总能耗的26%．目前,具有高舒适性和能效的辐射空调系统越来越广泛地应用于新型商业建筑和公寓[1]．

辐射空调的高能效受到了学者们的广泛关注.Hao等[2]研究了结合干燥剂除湿下冷吊顶的能耗,发现耦合系统在热湿气候下与传统空调系统相比,通过采用蒸发冷源可以节能80%,同时能为居住者提供更高的舒适性[3-4],其中一个重要原因是辐射空调能大幅度减少室内吹风感．由于辐射空调仅处理室内显热负荷,室内的湿负荷需要单独的除湿系统来处理．因此,为了提高室内舒适性同时防止结露,室内湿度控制对于辐射空调系统来说十分重要．对于防结露的研究主要集中于控制策略和辐射板的结露特性,Song等[5]提出了结合除湿通风来预防结露的辐射地板系统,并提出系统对于负荷变化的响应能力需要改进．Tang等[6]通过实验研究了金属辐射板的结露现象,发现一定压力下冷凝水的温度低于相应压力下饱和温度的差值,即过冷度(SCD)低于3 ℃时,辐射板表面形成结露所需的时间超过10 h．Xia等[7]对辐射吊顶结合送风设备的综合系统进行了系统概念、传热特性、结露控制、能耗和舒适性等多方面的研究．Zhang等[8]实验研究了安装倾斜铝翅片的悬浮金属辐射板的制冷和供暖性能,并得出了辐射和对流传热处理的负荷比例．

辐射诱导空调系统是一种辐射空调和送风的新型耦合系统,具有系统简单、容易控制和更有效防止结露等优势[9-10]．本文研究了作为辐射诱导空调系统室内末端的辐射诱导器的结露现象．从理论上分析了开孔辐射板表面附近结露和对流的相似性,将结露过程中通过实验和理论分析得出的传质系数回归成舍伍德数和瑞利数的经验关系式．通过实验得出了辐射诱导器在不同工况下的临界结露温度和结露速率,从而得出对辐射诱导空调系统的响应和改变室内热环境速度的要求．据此研究辐射诱导空调在普通办公室,即非稳态环境下的启动和运行特性,并依据实验数据,得出优化的启动控制策略．

1　实验系统

1.1　系统描述

实验系统建于6.5 m×6 m×2.6 m 的办公室内．墙面为蒸压加气混凝土砌块,表面为薄抹灰．地板为挤塑聚苯乙烯保温板．北墙装有采光窗．图1为辐射诱导空调的末端设备辐射诱导器．实验室内共装有8台辐射诱导器且均可以独立控制,本文选用面积为2 m2的4台进行研究．该设备的箱体上部接静压箱,内部有诱导风道、混合室和底部的开孔辐射板等部件．开孔辐射板上安装有换热盘管．辐射诱导器除了以水为工质的普通辐射空调运行模式外,还有以空气为工质的全空气运行模式．其运行原理为,来自空气处理机组的一次风通过静压箱的条形喷嘴送入混合室内,从而在喷嘴和混合室入口之间形成负压,诱导室内回风通过辐射板两侧的诱导回风口通过诱导风道进入混合室内与一次风混合．由于一次风与室内诱导回风混合后还要与辐射板换热,因此相比诱导比(诱导进混合室的室内回风量与一次风量之比)在3～5左右的冷梁系统,辐射诱导器采用了诱导比在1以下的条形喷口,从而保持了混合空气与辐射板的换热温差,同时减少了送风阻力和噪音．混合空气与开孔辐射板换热后通过辐射板上的送风孔进入室内．

图1　辐射诱导器剖面图

图2为实验系统,除了安装于办公室内的辐射诱导器外,系统还包括空气处理机组和采用非共沸混合制冷剂的双蒸发器制冷机组,该机组制冷时可提供7～17 ℃的冷冻水．机组内安装有低温蒸发器和高温蒸发器,两者可以分别连接至需要较低温度冷冻水的分段式空气处理机组和需要较高温度冷冻水的辐射诱导器的换热盘管．并且通过阀门切换，可以将通过高温套管式蒸发器和低温套管式蒸发器连续蒸发换热所得的低温冷冻水连续通过分段式空气处理机组的表冷段和辐射诱导器的换热盘管,同时达到冷却除湿的效果．

1.2　数据采集

对于房间内存在温度分层的空调系统,为保证室内人员的舒适性要求,需要对2 m以下工作区内人员的头部和脚踝处的温度加以控制．其中脚踝和头部的高度分别为0.1和1.7 m,人员坐下时头部的高度一般为1.1 m．实验室设置了4根直杆(直杆1～直杆4)并每根设置12个测点,以测量各工况下实验室内竖直温度分布,包括高度为0.1,1.1,1.7 m和3种高度之间各3个,以及距开孔辐射板150 mm的3个．对于围护结构的壁面温度分别取工作区高度2 m 以下3种高度测量．地面和天花板分别设有4个温度测点．温度传感器采用型号为PT-100热电偶,具体测点分布及测点高度如图3所示．

1—辐射诱导器;2—空气处理机组;3—双蒸发器制冷机组;4—膨胀水箱;5—空气处理机组循环水泵;6—辅助电加热器;7—电子流量控制阀;8—末端循环水泵;9—上部回风口;10—下部回风口;11—回风负压风机;V1～V11—阀门

图2实验系统图

图3　实验室内测点分布

对于辐射诱导器开孔辐射板的结露工况及其附近的热环境,采用露点传感器测试露点温度．当室内温度进入稳定状态,用吸水纸采集1 h内辐射板表面形成的露水，并用精度为0.01 g的电子分析天平称重，以测量结露速度．由结露速度和露点传感器所得环境空气下和辐射板表面温度下的水蒸气质量分数可计算得出传质系数,通过传质系数结合实验数据即可得出传质分析所需的舍伍德数Shc.

2　理论分析

2.1　热质传递的类比

结露现象是一个传热传质过程，为了得出各无因次量纲之间的关系，本文对其进行理论分析.设平行于纸平面的辐射诱导器的开孔辐射板部件长度为L.当辐射板表面温度Tp,i小于露点温度Td时，发生结露现象.由于干冷空气密度大于热湿空气，干冷空气会沉降而热湿空气会上升.因此结露过程同时受送入室内混合空气的强制对流及热量和质量扩散带来的综合浮力所引起自然对流的影响.设环境气温为T∞，环境水蒸气质量分数为ω∞；辐射板表面某节点温度为Ti，水蒸气质量分数为ωi.假设忽略平面上不可压缩流体的自然对流层流的黏性耗散，并假设流体性质不变.在布辛涅斯克近似(Boussinesq approximation)简化条件下所得如下质量守恒、冲量守恒和能量守恒以及水蒸气质量守恒的控制方程[11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，v为空气速度,m/s;ρ为密度,kg/m3;p为压力,Pa;μ为动力黏度,Pa·s;g为重力加速度, m/s2；α为扩散系数，m2/s;D为质量扩散系数，m2/s;t为时间.

空气密度的变化ρi-ρ∞表征了环境空气和辐射板表面之间温湿度差的联合作用，该作用决定了对流流动产生的浮力.在给定的高度下压力对空气密度的影响可以忽略，但是需要考虑温度和质量分数变化时影响的线性项，即

ρ∞-ρ=ρβ(T-T∞)+ρβ*(ω-ω∞)

(5)

式中，β为空气体积膨胀系数；β*为空气质量分数变化时的膨胀系数.表达式为

(6)

由于全空气模式下的辐射诱导器仅以空气为工质，因此控制方程中可将路易斯数(流体的扩散系数)近似看作为1，即Le=1[12].热量和质量转移类比可由无量纲分析推导所得.

首先将方程(2)中的压力项分离为对流区域内的气流动压pm和静压ph两部分.然后将各项无因次化，并将方程(5)中的密度项线性化后，将控制方程转换成无因次形式，即

(7)

(8)

(9)

(10)

θ(τ,X,Y)=ω(τ,X,Y)

(11)

Nu=Sh

(12)

又因为θ=ω，无因次动量守恒方程(8)可转化为

(13)

根据控制方程和边界初始条件，θ和Gr可反映综合浮力效应θGr，因而可将热质耗散的综合浮力效应产生的对流计算转换成通用的对流计算.因此，结露过程和舍伍德数的关系与对流过程和努塞尔特数的关系相同.

热量和质量转移类比可由式(12)表示，其中

(14)

(15)

式中，h为对流换热系数，W/(m2·K)；k为导热系数，W/(m·K)；hm为传质系数，mm/s.

大多数传热相关关系式中，努塞尔特数与瑞利数之间的关系通常用如下幂函数表示[14-16]：

Nu=CRan

(16)

Ra=GrPr

(17)

(18)

式中，C为幂函数系数.结露时舍伍德数也可以用瑞利数的幂函数表示，即

Sh=CRan

(19)

在对流传热中，空气密度的变化仅受温度影响.但是，由式(5)可以看出，在发生结露时，空气密度同时受温度和湿度的影响.

2.2　传质系数的计算

开孔辐射板表面的结露速率可由实验得出.传质系数作为影响结露速率的重要参数可由2种方法得出.

1) 由于辐射板表面的结露速率m可由传质系数表示为

m=hmρ∞(ω∞-ωi)

(20)

因此，传质系数可由下式求得：

(21)

另外，由Nu=Sh和Le=1可得结露时刘易斯关系式为

(22)

式中，ρa，cp,a为空气的密度和比热.

2) 在环境温度与辐射板表面附近饱和空气之间的焓差中包含了对流换热的动力，因此传质系数也可由辐射板的能量平衡关系式求得，即

(23)

式中，qt为辐射诱导器的总换热量，W；qc为辐射诱导器的对流换热量，W；qr为辐射诱导器的辐射换热量，W；i∞为环境空气焓值，kJ/kg;ii为辐射极表面空气焓值kJ/kg.qt可由双蒸发器制冷机组所提供的冷冻水的供回水温差求得，即

qt=ερwcp,wG(Tout-Tin)-ql

(24)

式中，ε为空气处理机组换热器换热效率；cp,w为冷冰水比热，J/(kg·℃);Tin,Tout为冷冰室进、出口温度；ql为风管沿程热损，W.由于空气处理机组与实验室仅相隔一面墙，一次送风管很短，风管内一次风温度几乎不变，因此ql忽略不计.其中辐射换热量qr可根据斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)由辐射板表面及其周围环境计算求得.

3　实验结果与分析

3.1　结露速率与传质分析

3.1.1结露速率和传质系数

相比传统辐射板,辐射诱导器在开孔辐射板附近形成的空气层使其在相同条件下结露温度更低,因而具有更好的防结露性能,其结露温度主要受一次风温度和一次风量的影响[9]．当辐射诱导器在结露工况下运行时,定义结露速率为发生结露时结露表面单位时间内产生露珠的质量．首先通过实验研究辐射诱导器的开孔辐射板在结露情况下的传热能力,从而测得传热性能随过冷度的变化．图4为传热能力随着过冷度变化的曲线图．可以看出,当一次风量不变时辐射板表面温度下降,总传热量随之增加．这是由于辐射板附近的饱和湿空气与环境空气之间的焓差随过冷度增加．辐射板的总传热量随着过冷度的增加由100 W/m2增加至接近200 W/m2,这是因为其中很大一部分传热量会用于维持结露产生的露珠从而造成浪费．随着送风量的增加,传热量的变化规律相似．但是最高传热量出现在低一次风量和高过冷度的状态下,可见室内热环境达到稳定状态后,影响辐射板换热性能的主要是一次风温度．

图4　传热能力随着过冷度变化曲线图

本文采用传质的相关性来分析辐射板表面的结露速率．根据实验结果,将在环境温度34 ℃、相对湿度65%时辐射板表面的结露相关参数整理如图5和图6所示．从图5可以看出,传质系数随着过冷度增加而略有上升．并且随着一次风量上升,结露速率上升幅度逐渐增加．图6显示结露速率随着过冷度近似线性增长．与传质系数相似,其上升幅度也随着一次风量上升而逐渐增加．对于辐射空调的结露预防和控制策略来说,结露速率是一个基本参数,它直接影响辐射板表面露珠对室内环境的影响程度．在室内热环境达到稳定状态时,大风量更容易产生高结露速率,使得系统的控制难度增加．

图5　传质系数与过冷度之间的关系

图6　结露速率与过冷度之间的关系

3.1.2传质分析

用于描述传质系数的无因次项包括瑞利数Ra、舍伍德数Sh和施密特数Sc.不同尺寸的辐射板的传质系数和相对空气密度变化可以用无因次瑞利数Ra和舍伍德数Sh表述.由于对辐射诱导器来说，空气为唯一工质，因此舍伍德数Sh和施密特数Sc之间的关系在此不予讨论.本文采用实验采集法和平衡计算法得出传质系数.实验采集法的舍伍德数记为Shc，平衡计算法的舍伍德数记为Shb.Shb由式(24)求得的hm代入式(15)得出.图7给出了舍伍德数Sh和瑞利数Ra的关系曲线.由回归分析得出舍伍德数Sh和瑞利数Ra之间为幂函数关系，这与对流过程中的奴塞尔特数Nu和瑞利数Ra相似，即

Sh=0.180 3Ra0.340 1

(25)

对比以上2种传质系数计算方法的计算结果发现，两者吻合较好，误差最大为15.3%.通过结露采集方法所得出的传质系数大部分小于通过能量平衡关系式所得的传质系数，这是由于在实验过程中存在未能完全采集辐射板表面的结露场合，另外在计算过程中将刘易斯数Le近似为1.该结果一方面验证了实验的准确性，另一方面验证了传质类比Nu=Sh的正确性.

图7　舍伍德数Sh和瑞利数Ra的关系曲线

3.2　系统启动特性

为了测试辐射诱导空调的启动特性并优化运行策略,本文采集了不同工况下室内空气温度和围护结构内表面温度的变化过程，并与传统的辐射空调进行对比,从而分析得出系统启动和响应的特性．

图8和图9为夏季工况下普通辐射空调模式和辐射诱导模式下室内空气和各围护结构表面平均温度随时间的变化过程．安装于相邻两间同规格实验室内的2种系统均以实验中稳定状态、相同室外环境下达到相同室内热环境(28 ℃,65%)时的控制参数下运行．2种工况系统刚启动时,天花板处温度下降速度较快,一段时间后变化趋势逐渐平稳．同时,其他围护结构的表面温度均在辐射和对流换热的作用下逐渐降低．普通辐射空调模式在室内温度趋于稳定的过程中温度下降的速度越来越慢,到达稳定状态所需时间在6 h以上．辐射诱导模式下系统通过辐射板上送风孔的送风强制对流换热,与其他围护结构内表面和室内空气温度下降速度之间的差异比普通辐射空调模式小．特别是室内空气,先于其他围护结构内表面与诱导送风对流换热,其温度下降速度甚至高于围护结构．大幅缩短的启动时间意味着大幅减少了室内热环境进入稳定状态之前的能耗．

图8　普通辐射空调模式各温度变化

图9　辐射诱导空调模式各温度变化

图10为不同工况下2种模式的启动时间汇总图．对于普通辐射空调模式,辐射板进水温度从16 ℃减少到8 ℃,其启动时间减少了0.8 h,而相对最长将近7 h的启动时间来说变化幅度并不大．对于辐射诱导模式,一次风量越大,达到稳定状态时间越短．一次风量达到650 m3/h以上时,启动时间大幅度缩短,这是因为进入室内的风速过大,直接与工作区内的空气强制对流换热,通过温度传感器可采集到该剧烈温度的变化．另一方面一次风温度的变化对启动时间的影响不大．不同一次风量下,随着温度从12 ℃增加到16 ℃,启动时间的变化幅度在0.5 h以内．结合图9可看出,在稳定状态下,由于热惰性,负荷变化对于室内热环境的改变幅度同样较小且缓慢,改变一次风温度时系统的响应能力足以满足室内舒适性,但是实际效果还需进一步测试．由于在稳定状态不宜采用较大且变化幅度大的风量,因此通过保持一次风量来控制一次风温度．

图10　各工况2种模式的启动时间汇总图

4　结论

1) 当在一定一次风量下辐射板表面温度下降时,总传热量随之增加．最高传热量出现在低一次风量和高过冷度的状态后．传质系数随着过冷度增加而略有上升，并且随着一次风量上升,其上升幅度逐渐增加．

2) 结露速率随着过冷度近似线性增长．在室内热环境达到稳定状态后,结露速率随风量增大．

3) 普通辐射空调模式与辐射诱导模式下室内热环境变化规律相似,但是诱导辐射模式可以大幅度缩短进入稳定状态的时间．且一次风量越大,达到稳定状态时间越短．根据各工况下的启动阶段时间可知,在未发生结露的前提下,室内热环境达到稳定时采用较低温度的低风量一次风更为合理．如果出现结露,则优先控制能产生较快响应速度的一次风量．

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