新风送风方式对辐射吊顶制冷量影响研究

2020-05-06金梧凤崔奉洙王志强于志浩

流体机械 2020年3期

金梧凤，王成，崔奉洙，王志强，于志浩

（1.天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134；2.乐金电子（天津）电器有限公司，天津 300134）

0 引言

目前国内的住宅、办公、娱乐等场所使用的空调，大部分以强制空气对流作为末端形式，这种末端形式会使房间的温度分布不均，并且会形成强烈的吹风感，严重影响人体的舒适性，甚至会导致人体出现“空调病”等症状［1］。而辐射空调系统作为一种新型的空调末端，不但由于其无噪声，能使房间温度分布均匀的特点，极大改善人体的热舒适性［2］，而且由于其能够使用高温冷源的特点，使空调系统相较于传统的强制对流空调COP更高，从而达到节能的目的［3-7］。但是由于辐射板表面的结露问题制约了辐射板的制冷能力，使得辐射空调没有在国内得到广泛的应用［8-9］。

学者们已经针对辐射吊顶加独立新风系统做了大量研究，刘前龙等对毛细管辐射吊顶加独立新风系统的供冷性能进行了试验研究，结果表明：回水温度设定为18 ℃时，加入独立新风系统对辐射空调系统有很好的防结露特性，且有很好的舒适性［10］。毛磊等研究了在上供上回新风方式加辐射吊顶的条件下，不同的供水温度对辐射板特性的影响，研究结果表明：在此试验条件下，当供水温度高于14 ℃时，能够保证辐射顶棚不结露［11］。郎卫国对独立新风加辐射空调系统与变风量系统进行了对比研究，研究结果表明：独立新风加吊顶冷辐射空调系统更为节能，对室内净高影响更小，但受辐射顶板易结露，冷却能力有限［12］。

综上所述，大多数研究都是从防结露的角度出发，研究独立新风系统对辐射吊顶制冷量的影响，但是针对新风不同送风方式对辐射空调制冷量的影响的研究较少。本文对比分析贴附射流和置换通风对辐射吊顶制冷量的影响，给出两种送风方式下辐射空调制冷量的参考值，为以后进一步的研究提供数据支持。

1 试验概况

1.1 试验台风系统

本次试验在2个相同的试验室内进行，试验室尺寸为5 m×3 m×2.3 m，四周墙壁和屋顶材料为50 mm厚的聚苯彩钢板，其中南墙为外墙（3 m×2.3 m），墙上有3 m×1.45 m的外窗，北墙有一个0.62 m×1.72 m的门新风处理流程如图1所示。

图1 新风处理流程

东墙上设有2个尺寸为200 mm×200 mm的贴附射流风口，风口下边缘距地面1.8m，两风口相距2.5 m，试验室地面中心设有一个尺寸为300 mm×600 mm的置换通风风口，置换通风风口北侧为圆柱体的模拟热源（直径300 mm，高1.2 m），置换通风风口南侧为Swema热舒适仪，仪器上有一个相对湿度探头，一个黑球温度探头和三个风速探头。

风道中温度传感器测得新风送风温度数值，传输到MX100型数据采集器，再经过电脑处理发送指令调节新风机组的水流量，从而控制新风送风温度；新风送风速度通过手动调节高精度的风阀控制。

1.2 试验台水系统

空调系统的冷源为空气源热泵机组，供回水温度为6 ℃/12 ℃，冷水通过分水器一部分进入板式换热器与辐射吊顶回水换热，制得的高温冷水分别供给2个试验室的辐射末端，另一部分直接进入新风机组处理新风，空调水系统如图2所示。

图2 空调水系统流程

试验室辐射吊顶使用9块毛细管网金属辐射板［13］，每块尺寸为1 500 mm×800 mm。9块辐射板分为3排，每排3块，辐射板之间没有空隙，吊顶距离东、西墙均为0.3 m，距南、北墙分别为0.35，0.15 m。

流量传感器测得的数值传输到MX100型数据采集器，再经过电脑处理发送指令调节电动二通阀，从而控制辐射吊顶供水流量；温度传感器测得的数值传输到MX100型数据采集器，再经过电脑处理发送指令调节两个电磁阀的开度大小，从而控制辐射吊顶供水温度。

2 试验内容及测点布置

2.1 试验内容

为研究新风在不同送风方式下对辐射吊顶制冷能力的影响，本次试验在天津某大学进行，具体试验内容见表1。

表1 试验内容

2.2 测试仪器和测点分布

本次试验使用Swema热舒适仪用于模拟人体的热舒适性，3个速度探头的测量精度为±0.04 m/s，黑球温度探头测量精度为±0.1 ℃，相对湿度探头测量精度为±1%RH。

除此之外，为了更精确得计算室内平均温度和辐射板表面平均温度，每个试验室设置了36个PT100热电偶，布置位置如图3所示，分别布置在高度为0.1，0.6，1.1，1.7 m的平面，每个水平面布置9个热电偶，位于每块辐射板中心下方，用于测量室内空气温度；此外紧贴每块辐射板表面中心处布置铂电阻温度传感器用测量板表面温度。

图3 试验室内热电偶布置位置

3 试验结果分析

早晨8：00，向室内送入室外新风进行预除湿，预除湿之后开启辐射空调系统。若在60 min内，各个参数均能满足DIN EN14240标准［16］中判断稳定性要求时，可以认为试验室内达到稳态，记录各个温度传感器的示值。本次试验共测得5天的试验数据，可以此求出各测点温度的平均值，从而得到各平面平均温度见表2。

表2 不同送风方式下各平面平均温度

由表2的结果可以看出，在置换通风条件下，室内不同平面的平均温度均比在贴附射流条件下高，可以认为贴附射流的条件下比置换通风具有更好的制冷能力。制冷量可以根据Jeong和Mumma［17］提出的计算模型求出：

式中 qr——辐射传热量，W/m2；

TAUST—— 辐射表面外其余围护结构表面的加权平均温度，℃；

tp——辐射板表面平均温度；

qc——对流换热量，W/m2；

ta——室内空气平均温度；

Fc—— 由空气流动引起的对流换热系数，W/（m2·K）；

q ——辐射吊顶总换热量，W/m2。

Fc计算式为：

跟据ASHRAE标准，在采用辐射板制冷时，TAUST可近似由下式得出［18］：

其计算结果如图4所示。

图4 不同送风方式下的空调系统制冷量

计算结果可知，贴附射流条件下比置换通风总制冷量高出9.3%，这一方面是由于当冷空气从室内上方送入时，由于空气密度差，冷空气下沉带动室内空气流动增大了对流换热量，另一方面贴附射流直接带动辐射板表面贴附层的空气流动，直接增大了辐射板表面的对流换热系数，从对流换热量可以看出，贴附射流下的对流换热量比置换通风高出34.29%。而贴附射流送风方式下辐射换热量比置换通风低7.8%，这是由于辐射换热量取决于辐射板表面平均温度和室内平均温度的温差，与空气流速无关，从表2可以看出置换通风条件下室内温度和辐射板表面平均温度的温差达到6.3 ℃，但在贴附射流条件下，由于新风温度为20 ℃，高于辐射板表面温度，提高了辐射板表面温度，使室内温度和辐射板表面平均温度的温差只达到5.8 ℃，从而导致辐射换热量降低。

此外由图4可以看出，在辐射板面积和辐射板供水温度一定时，辐射换热量变化不大，不同送风方式主要通过改变对流换热量影响辐射空调的总制冷量，而对流换热量主要受对流换热系数的影响，所以工程上可通过增大贴附射流的送风速度提升其对流换热量。对于置换通风，增大送风速度虽然也可以提高房间对流换热系数，但提升效果没有贴附射流明显，反而可能会使人员感受到强烈的吹风感，影响人员的舒适度。

综上所述，相较于置换通风，贴附射流通过大幅度增加对流换热量提升总制冷量，但辐射换热量反而有所降低，另外贴附射流在不影响人员舒适度的前提下，可通过增大送风速度或减低送风温度提升制冷量。而使用置换通风时，若过多得增大送风速度或减低送风温度，则会影响人员舒适度，从而限制了其制冷量的提高。

因此建议工程中在确保辐射板表面不结露的条件下，可以通过增大贴附射流送风速度进一步提升对流换热量，也可以适当降低贴附射流送风温度来避免辐射换热量降低。