重力循环柜的供热性能及室内热环境实测研究

葛玉箫 梁珍 于英娜

1 东华大学环境与工程学院

2 昆山KST 空调技术有限公司

0 引言

目前，在我国建筑暖通空调系统中，冬季供热一般采用对流式风机盘管末端和辐射式换热末端。对于对流式供暖，存在明显的噪音和气流扰动，热响应较快。对于辐射式供暖，是一种卫生和舒适条件较好的暖方式[1]。据此本文研究的重点是毛细管重力循环柜，该设备能够实现自然对流循环供暖及外辐射板供暖，具备对流供暖和辐射供暖双重功能[2]。

毛细管重力循环设备作为毛细管辐射系统的一部分，是毛细管网一种新的应用，主要依靠自然对流与室内环境换热[3]。该设备简易且集成度高，作为一种典型换热设备，已有文献对重力循环柜进行了夏季供冷除湿方面的研究[4]，然而对重力循环柜的供热性能研究较少，因此本文主要针对该设备的供热工况进行实测与分析，为设备的推广奠定研究基础。本文实验测试地区选择在江苏昆山，属于夏热冬冷气候，测试月份选择12 月份，为供暖季节。

1 设备的构造及原理

1.1 重力循环柜设备的构造

测试房间中重力循环柜尺寸为2.1 m（高度）×1.1 m（宽度）×0.2 m（厚度），内部换热部分是由垂直分布的5 排毛细管组成，每排150 根，毛细管材料为外径4.3 mm，厚度0.8 mm 的PP 管，管道布局为异程下供上回的送回水方式，单管长为180 mm，管间距为5.7 mm，毛细管中流动的介质为热水，重力循环柜设备的实物图如图1 所示。

图1 重力循环柜实物图

1.2 重力循环柜运行原理

重力循环柜与室内环境换热的原理是将悬挂毛细管网置于特殊制作的柜壳中，外表面为铝板，其他板面做保温处理，对外面板上下开风口，依靠柜内空气与室内空气的密度差，在房间与柜之间形成仅依靠热压作用的空气自然对流循环，达到需求室温的目的[5]，其自然循环过程中的气流组织如图2 所示。

如图2 所示，即为重力循环柜与室内环境换热供暖的流程，热泵提供40～45 ℃热水，经过分集水器供入到重力循环柜，运行过程中，房间下部低温空气经由柜下部进口进入，经过毛细管网换热形成热空气，从柜体的上部出口排出，集聚在房间上部并向下挤压，与热源进行换热，继而从房间下部进入重力循环柜完成循环过程，其中，外柜面因受柜内热空气导热，对室内环境具备一定的辐射热[6]。

图2 冬季重力循环柜运行图

2 实测方法及仪器

2.1 实验方法

实验系统采用Smart aero1 空气源热泵来运行重力循环柜，热泵通过混水中心得到合适温度的水，供水管道上装设阀门来控制水流量，从而进一步来满足室内工况需求。重力循环柜冬季一般供入高温热水40～45 ℃，实测过程中，选用40 ℃、42 ℃、44 ℃三种供水温度，3 L/min、4 L/min、5 L/min 三种供水流量，来探讨合适的供水温度与供水流量，以及这些变量对室内环境的影响程度，从而达到热舒适目的，实验测试原理如图3 所示。

图3 实验测试原理图

2.2 测量仪器

室内温度测试采用Agilent 34970A 型数据采集仪，并使用多个T 型热电偶对室内测点同时进行测温。毛细管壁面温度采用红外线温度计，这主要因为毛细管外径较小，不适合热电偶测温。风口风速的测试采用AR866A 型风速测量仪，主要对重力循环柜上下开口处进行风速测量。供水流量的调节以及测定采用LZB-7 型转子流量计，量程为0～7 L/min。

为了保证实验测试数据的准确度，在仪器测量之前，需进行仪器标定，对于热电偶，是采用恒温水槽和标准水银温度计对热电偶进行标定，根据标定结果采用最小二乘法曲线拟合出测量值与实际值间的函数关系式，并进行校验调整。

2.3 测点布置

选取的测试房间尺寸为6.8 m（长度）×3.6 m（宽度）×2.8 m（高度），外窗尺寸为0.7 m（宽度）×1.75 m（高度），房间的围护结构保温性能良好。实验过程中，需要测量的数据包括：供回水温度、进出口风速、供水流量、室内环境温度。

考虑到重力循环柜置换送风的功能，室内温湿度的测点布置如图4 所示，选择高度为0.1 m，1.1 m 和1.7 m 的截面为测试截面，每个截面选取9 个点作为测点，共布置27 个测点。通常Z=0.1 m 截面为人体脚踝位置，Z=1.1 m 截面为人体在办公、学习、休息等静坐时人体头部的位置，Z=1.7 m 截面为人体在走路、运动等站立时人体头部的位置。

图4 室内测点图

3 供热量的计算

3.1 辐射供热量

重力循环柜的辐射供热主要来源于外辐射板，辐射板辐射供热量可用式（1）和式（2）确定[7]。

式中：qr为每平米重力循环柜辐射板换热量，W/m2；AUST 为室内非供热表面的加权平均温度，℃；Tp为外辐射板表面的平均温度，℃；s 为重力循环柜外辐射板面积，m2；Qr为重力循环柜辐射供热量，W。

3.2 总供热量

重力循环柜的供热量主要由两部分组成，一部分是供热量是由外辐射板产生的热量。另一部分供热量是由上部出风口对流产生的热量。总供热量可利用冷热量平衡的原理，测量出重力循环柜的进出口水温度和流量，便可计算出重力循环柜的总供热量，总供热量可用式（3）确定[8]。

式中：Q 为重力循环柜供热量，W；L 为供水水流量，m3/s；c 为水的比热容，J/(kg·℃)；ρ 为水的密度，kg/m3；tin为毛细管供水温度，℃；tout为毛细管回水温度，℃。

4 实测数据分析

4.1 毛细管壁温升情况

在毛细管壁温随供水流量变化的测定过程中，选取高度上每间隔250 mm 的测点确定测温点，设定供水温度为42 ℃，得出如图5 所示的冬季工况下3 L/min、4 L/min、5 L/min 三种不同水流量下的毛细管壁温分布情况。

图5 毛细壁温分布情况

从图5 可以看出，毛细管壁温在三种不同供水流量下存在温度差异，毛细管壁温随着毛细管高度的提升而下降，高度越高，壁温差异逐渐显现，流量越大，壁温随高度变化的斜率绝对值越小。当重力循环柜供水流量从3 L/min 上升到4 L/min、5 L/min 时，相应的供回水温差从5.8 ℃下降到4.8 ℃、3.9 ℃。

根据图5 及相关测试数据，得出如表1 的冬季工况下重力循环柜的供水流量与供回水温差关系表。

表1 毛细管供水流量与供回水温差关系表

在毛细管壁温随供水温度变化的测定过程中，选取高度上每间隔250 mm 的测点确定测温点，设定供水流量为4 L/min，得出如图6 所示的冬季工况下40 ℃、42 ℃、44 ℃三种不同供水温度下的毛细管壁温分布情况。

图6 毛细管壁温随供水温度变化

从图6 可以看出，毛细管壁温在三种不同供水温度下变化趋势相同，且相同高度的管壁温差在2 ℃左右，这主要是因为供水流量的设定值相同，故而毛细管供回水的温差值相似，差异不太明显。当重力循环柜供水温度从40 ℃上升到42 ℃、44 ℃时，相应的回水温度从35.2 ℃上升到37.3 ℃、39.2 ℃。

4.2 室内测点温度分布情况

测试时冬季室外温度为6.7 ℃，通过三个不同截面高度的测点温度数据分析，得出如图7 所示的室内不同高度的测点温度分布。

图7 室内测点温度分布

从图7 可以看出，室内温度不低于19 ℃，测点之间温度相差不大，水平截面的温度分布较为均匀，但垂直截面的温度分层现象明显。另外，可以看到靠近重力柜附近的7、8、9 测点温度较高，且不同截面高度间温差较大，最大温差值大于3 ℃，可能会对人体带来热感觉的不舒适[9]，这是因为这些测点靠近重力柜，上部送风口吹出的热空气密度较小，聚集在房间上部，进而向房间底部沉降，使得重力柜附近的上部区域温度与下部区域温度存在温度差值。

4.3 柜进出口参数分析

使用热线风速仪对重力循环柜进出口进行风速和温度测量，在数据测量过程中，测点的选取是在风口均匀取5 个点，并通过测量各点数值点求平均值的方法求取实测风速和温度值，得出如图8 所示的风口附近温度和风速分布情况。

图8 柜进出口附近温度和速度分布

从图8 可以看出，对于速度分布，重力循环柜出风口风速一般大于进风口风速，出风口风速衰减较慢于进风口风速衰减的速度，可知重力循环柜出风口带来的气流扰动大于进风口带来的气流扰动，同时，可以看出进出口的风速范围在0.2～0.5 m/s 之间，风速扰动范围较小。对于温度分布，重力循环柜的进出风口温度存在较大差值，这是因为温差是重力柜柜内空气流动的动力源，使得重力柜与室内环境产生联系。随着离柜距离的增加，进出口截面高度之间的温差减小，并保持稳定。

4.4 供热性能

重力循环柜的供热量主要由两部分组成，一部分是外部辐射板受到内部空气传热影响，具备一定的辐射供热量。另一部分供热是由送风口送出的热风，对流产生的热量。使用红外线测温仪测试重力柜外辐射板表面温度，便可计算出辐射板供热量。使用专用仪器测量出重力柜进出口温度和流量，便可以通过计算得出重力柜的换热量。通过外辐射板辐射供热量与重力柜总供热量对比，得出如图9 所示的重力柜辐射供热占比图。

从图9 可以看出，在冬季工况下，供水温度越高，重力循环柜的总供热量和辐射供热量越高，但辐射供热占比情况大致相同，三种供水温度下的重力柜辐射供热占比分别为10.6%、10.5%、10.4%。当供水温度在40～44 ℃范围时，辐射供热量在120～140 W 之间，总供热量在1000～1700 W 之间，辐射供热量约占总供热量的10%左右，剩下供热量主要由出口对流供热提供。

图9 重力柜辐射供热占比

4.5 室内外热湿环境变化情况

通过对冬季工况下的测试房间室内外温湿度测试，得到如图10 和如图11 所示的室内外温湿度随时刻变化情况。

图10 室内外温度随时刻变化图

图11 室内外相对湿度随时刻变化图

由图10、11 所示为冬季室内外温湿度变化图，由图中的变化可以看出：室内热湿响应于45 min 左右达到平衡，25～45 min 之间热湿响应速度最快，45 min 后热湿响应曲线趋于平缓。对于室内环境温度，由于重力柜冬季供暖的功能，使得室内的温度经过热响应后，温度升高明显，趋于稳定在19～24 ℃范围内。对于室内环境相对湿度，室内相对湿度受室外相对湿度影响较大，受重力柜供暖的影响，室内的相对湿度稳定在30%～50%范围内，且低于室外的相对湿度。

5 结论

本文针对冬季工况下重力循环柜的运行性能进行实验测试，选取江苏昆山作为夏热冬冷气候的代表城市，通过仪器测试温度、湿度、风速等参数，得出以下相关结论：

1）毛细管壁温随高度的变化接近线性关系，不同供水流量下壁温存在温差，供水流量越大，壁温随高度变化的斜率绝对值越小。不同供水温度下毛细管壁温随高度的变化趋势相同，供水的温度越高，回水的温度越高。

2）通过重力循环柜的外辐射板辐射以及送风口上送热风，使得房间内水平截面的温度分布较为均匀，垂直截面的温度分层现象明显。其中，重力循环柜附近测点不同截面高度的温差较大，可能会引起人体热感觉的不舒适。

3）重力循环柜出风口带来的气流扰动大于进风口带来的气流扰动，且风速范围在0.2～0.5 m/s 之间。重力循环柜的进出风口温差较大，随着离柜距离的增加，进出口截面高度之间的温差减小。

4）冬季工况下，当供水温度在40～44 ℃时，重力循环柜的辐射供热量在120～140 W 之间，总供热量在1000～1700 W 之间，辐射供热占比10%左右。

5）房间热湿响应时间约为45 min，热湿响应过程中，室内温度升高明显，稳定在19～24 ℃范围内，室内相对湿度降低明显，稳定在30%～50%范围内。