冷冻水调节模式对冷辐射板性能的影响

马琛，丁云飞,2

(1. 广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006; 2. 广州大学 广东省建筑节能与应用技术重点实验室，广东 广州 510006)

辐射空调是一种新型的空调，在辐射空调系统末端的换热形式中，辐射换热形式的占比在50%以上[1].冷辐射板的换热主要是通过与人体、室内壁面和家具等进行辐射换热，达到制冷的效果[2-4].辐射空调系统能够很好地避免传统空调带来的垂直温差大、吹风感大等问题，并减少能源的浪费[5].但是，冷辐射板的制冷量小和易结露一直是困扰其工程应用的问题.针对冷辐射板结露问题，学者们进行了大量研究，主要集中在以不同的送风方式防止冷辐射板结露[6-12]及特殊冷辐射板结构[13-14]等方面.Yang等[6]通过模拟分析，认为辐射空调系统与置换通风相结合会形成“空气湖”，从而使室内的通气效果较好、气体混合均匀，能够有效地防止冷辐射板表面结露；文献[7-8]通过实验分析，认为冷却地板与置换通风相结合工艺风险低，热舒适性高，能够有效弥补地板供冷系统的不足，减少冷辐射板结露;安迎超[9]通过对比分析，认为置换通风能够增强地板辐射供冷的对流换热效果；周根明等[10]通过实验对比分析，认为贴附射流与辐射空调系统相结合能够形成类似置换通风的分层效果，并在辐射板表面形成干燥的空气隔离层，起到较好的防结露效果；钱佳炜等[11]将辐射空调系统与置换通风和贴附射流两种通风形式相结合，认为结合的系统不易让人产生吹风感，能够更高效地防止结露；于志浩等[12]将置换通风和贴附射流两种结合的通风形式与单一的通风系统进行对比，认为两种通风方式结合的防结露效果远比单种通风系统好，还会有更好的节能性和舒适性；Kang等[13]在置换通风上附加喷射器，发现空调系统明显优于地板辐射冷却置换通风空调系统；Tang等[14]在不改变辐射板换热性能的条件下，制备新型辐射板，使冷辐射板表面形成疏水的状态，减少冷辐射板的表面结露;刘龙斌等[15]通过模拟实验分析，确定出水系统的布置形式及水冷机组设备投入情况会对辐射板的性能产生影响.

在冷辐射板的运行过程中，由于室内散湿量突然发生变化，极易导致冷辐射板结露.目前，常用的方法是当室内空气露点高于冷冻水供水温度时，将冷冻水阀门关闭，防止辐射板表面结露，但这导致冷辐射板表面温度上升及制冷量大幅衰减，从而降低人体的热舒适感.利用电动调节阀对冷辐射板冷冻水进水进行比例积分微分(PID)调节，可以在一定程度上改善上述现象.本文借助冷辐射顶板实验台，从冷辐射板的防结霜效果、制冷能力和室内热舒适性3个方面，对冷冻水阀门通断调节模式和PID调节模式进行比较.

1 实验装置及方案

1.1 实验装置

冷冻水系统由制冷机组、保温水箱、水泵、控制阀门和测量仪器等组成，其控制原理图，如图1所示.制冷机组为2台制冷量19.5 kW的水冷式机组，保温水箱容积约为4 m3.流量计为玻璃转子流量计，测量精度为±0.5%；冷量计为超声波冷热量表，测量精度为±0.1 ℃.

图1 冷冻水系统控制原理图Fig.1 Control schematic diagram of cooling water system

实验开始前，首先启动制冷机组，将保温水箱的水降至所需要的温度.通过水泵及阀门3联合调节维持冷辐射板供应水量，通过调节阀门2维持冷冻水供水温度.冷冻水供水温度的控制精度为±0.2 ℃，冷冻水供水流速控制精度为±0.03 m·s-1.

冷辐射实验室的室内尺寸(长×宽×高)为5.2 m×4.6 m×2.7 m,各冷辐射板并联连接在供回水管上.冷辐射板平面图和剖面图，如图2所示.

(a) 平面图 (b) 剖面图 图2 冷辐射板平面图和剖面图Fig.2 Plan and section views of cold radiation panel

实验室顶板共有44块冷辐射板，冷辐射板的形状均为长方形，每块辐射板的长度为1.2 m,宽度为0.42 m.冷辐射板的剖面结构形式为常规的辐射板形式.测点的编号和实景，如图3所示.图3中的单元编号分别与测试点相对应，并在每个编号单元的中央位置及其下方0.1 m处分别布置12个T型热电偶，用于测量板表面温度的变化及板下方空气温度的变化，测量精度为±0.1 ℃.按照美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHARE)和欧洲辐射测量标准(EN 14240-2004)的要求，将黑球温度计布置于室内的正中央，离地高1.2 m处，测量精度为±0.1 ℃.

(a) 编号 (b) 实景图3 测试点的编号和实景Fig.3 Numbering and scene of test points

冷辐射板间的水管采用常见的并联连接形式实现制冷(图3(a)).按照EN 14240-2004的要求对模拟热源进行标准制作(图3(b))，并选用24个模拟热源均匀布置，每个模拟热源的发热量为180 W，以确保室内单位面积的冷负荷为180 W·m-2.根据EN 14240-2004的测量要求，四周的墙壁和地板均选用白色表面的隔热壁面，壁面发射率大于0.95，且具有良好的隔热效果，可以减少外界环境带来的干扰.

1.2 测试方案

结合欧洲标准EN 14240-2004的要求，测量方案有如下6个步骤.

步骤1将模拟热源均匀布置于室内，使室内的单位面积冷负荷为180 W·m-2.确保室内密闭，避免外来因素的干扰.

步骤2利用室内空调的通风系统对室内空气进行除湿，使室内的相对湿度为(60±3)%，并设定辐射板冷冻水系统的初始参数，即供水温度为20 ℃，供水流速为(0.75±0.03) m·s-1.

步骤3待室内空气参数稳定后，降低供水温度，直到冷辐射板的表面温度快要降低至室内空气露点温度时，关闭阀门3；测试室内参数，每30 s测一次，共测量600 s.

步骤4重复步骤2，待空气状态参数稳定后降低供水温度，直至冷辐射板的表面温度降低到室内空气露点温度时，调节阀门3；控制进入辐射板冷冻的流速为0.60 m·s-1，测试相关参数.

步骤5重复步骤4，分别控制流速为0.45,0.30,0.15 m·s-1,测试相关参数.

步骤6将室内的模拟热源取出，抽选身体健康，内穿长袖衬衣、外穿长裤和普通外衣(服装热阻为0.155 m2·K·W-1,即在空气温度21 ℃、空气流速不超过0.05 m·s-1、相对湿度不超过50%的环境中，静坐者感到舒适所需要的服装热阻[4])的男、女各12名，静坐于室内，重复步骤1～5(每组测试工况前均对室内进行除湿，确保室内的湿度为(60±3)%)，测试人体对不同工况环境的逐时评价情况.

2 实验结果与分析

为避免冷辐射板表面结露，供水阀门通常采用通断调节模式，但这会使冷辐射板表面温度升幅过快、室内热舒适性变差.而供水阀门采用PID调节模式可以有效地改善这种情况.实验从冷辐射板的防结霜效果、制冷能力和室内热舒适性3个方面，分析通断调节和PID调节模式下的冷辐射板性能.

2.1 通断模式下冷辐射板的性能

2.1.1 防结霜效果 冷辐射板结露是由于冷辐射板的表面温度低于周围空气的露点温度时，引起周围空气结露，但冷辐射板的表面温度大于周围空气露点温度时不会引起结露；同样，防结露温差(冷辐射板表面温度与周围空气露点温度的正差值)越大，冷辐射板就越不容易结露，并且冷辐射板在受外界环境因素干扰下出现结露的可能性越小，防结霜效果就越好.通断模式下的平均防结露温差变化，如图4所示.图4中：Δθ为防结露温差；t为实验进行的时间.

由图4可知：在阀门通断模式下，冷辐射板的平均防结露温差在短暂平稳后迅速上升，在600 s内平均上升率约为0.55 ℃·min-1,并在330 s时，平均防结露温差已经大于2 ℃，能够满足EN 14240-2004的运行要求.说明阀门通断模式下的防结露效果较好，能够在短时间内有效地避免冷辐射板表面结露现象的出现.

2.1.2 制冷能力 冷辐射板的表面平均温度能反映冷辐射板制冷能力的大小.表面平均温度的数值和上升幅度越大，说明冷辐射板表面通过辐射等形式产生的冷量无法满足室内的散热需要，使冷辐射板表面温度急剧上升；表面平均温度越低、上升幅度越小，说明冷辐射板的制冷能力就越强.通断模式下的表面平均温度变化情况，如图5所示.图5中：θ为表面平均温度.

图4 通断模式下的平均防结露温差变化 图5 通断模式下的表面平均温度变化Fig.4 Average temperature variation of Fig.5 Average surface temperatureanti-condensation under on-off mode variation under on-off mode

由图5可知：在阀门通断后的90 s，由于冷辐射板内的水管仍有少量的冷冻水，冷辐射板的表面温度变化不大，此时的冷辐射板依然有一定的制冷能力;此后,冷辐射板表面平均温度呈稳定的直线上升状态，并在300 s内，表面平均温度上升2 ℃，此时的冷辐射板制冷能力较低.

2.1.3 室内热舒适性 预测平均评价(PMV)指标表示同一工况条件下,绝大多数人的热感觉可以作为评价热环境舒适与否的衡量标准[16].根据人体的冷热情况，可将PMV指标分成7个级别分度[4]，正值越大，人体就感觉越热.经测试，实验只使用了4个PMV指标+3，+2，+1，0，对应使用的PMV热感觉标尺分别为很热、热、有点热和中性.

图6 通断模式下的PMV变化Fig.6 PMV variation under on-off mode

根据热感觉标尺，对身体健康,内穿长袖衬衣、外穿长裤和普通外衣(服装热阻为0.155 m2·K·W-1)，静坐于室内的24人的热感觉情况进行求和平均，得到相应工况条件下的室内热舒适变化情况.通断模式下的PMV变化,如图6所示.

由图6可知：在阀门通断后的90 s内，由于换热的延时，室内的热舒适情况没有出现明显变化，室内的人体依旧处在较为舒适的状态；但是在阀门通断90 s后，人体的热舒适情况迅速发生变化，冷辐射板的制冷量不能满足室内的散热需要，室内人体的热负荷正值快速增大，炎热感觉会越来越强；在进行到300 s时，人体已经开始感觉到炎热；在进行到540 s时，人体已经出现明显的炎热状态，此时,人体感觉到明显的不适.

2.2 PID调节模式下冷辐射板的性能

2.2.1 防结霜效果 PID调节模式下的平均防结露温差变化，如图7所示.图7中：v为供水流速.由图7可知：PID调节模式下的供水流速越低，平均防结露温差就越大.当v=0.15 m·s-1时,防结露温差和升幅都最大，上升率约为0.21 ℃·min-1，改善结露的效果最好；当供水流速为0～0.45 m·s-1时，平均防结露温差的最低上升率约为0.1 ℃·min-1，在测量的时间内至少能够上升0.7 ℃;当v>0.45 m·s-1时，平均防结露温差最大仅上升0.4 ℃，上升率小于0.05 ℃·min-1，不同供水流速下的平均防结露温差波动范围小于0.3 ℃，改善结露的效果相近且不明显.因此，当PID调节模式下的供水流速为0～0.45 m·s-1时，冷辐射板的防结霜效果较好.

2.2.2 制冷能力 PID调节模式下的表面平均温度变化，如图8所示.由图8所示：当PID调节模式下的供水流速v≤0.30 m·s-1时，其表面平均温度曲线呈现先水平稳定后迅速升高的状态，且在不同供水流速(0.15，0.30 m·s-1)下，产生的制冷效果差异大,表面温度最大差值大于1.2 ℃；当v>0.30 m·s-1时，其表面平均温度曲线在短时间上升后逐渐平稳或以较低幅度的速度增长，在不同供水流速(0.45，0.60,0.75 m·s-1)下，产生的制冷效果变化小；当供水流速由0.30 m·s-1增大到0.75 m·s-1时，其表面温度最大差值小于0.9 ℃.

图7 PID调节模式下的平均防结露温差变化 图8 PID调节模式下的表面平均温度变化 Fig.7 Average temperature variation of Fig.8 Average surface temperature anti-condensation under PID regulation mode variation under PID regulation mode

综上可知，当PID调节模式下的供水流速v≤0.30 m·s-1时，消耗较少的能量就能有效地改善冷辐射板的制冷能力，通过消耗能量带来的回报成果多，回报率较高；相比之下，当v>0.30 m·s-1时，空调系统消耗更多的能量却不能明显地改善室内的制冷效果，回报率低.可见，在空调系统消耗等量的能量后，v≤0.30 m·s-1时的制冷效果会有很明显的改善，但当v>0.30 m·s-1时的制冷效果改善不明显.因此，在PID调节模式下，v=0.30 m·s-1时的工况条件不仅能够满足室内的制冷需要，还能在最大程度上减少空调能耗，同时，供水流速越大，制冷效果越好，但是耗能会更大，回报率低.

图9 PID调节模式下的PMV变化Fig.9 PMV variation under PID regulation mode

PID调节模式下的PMV变化，如图9所示.由图9可知：在冷辐射板表面快要结露时，不同流速下的PID调节模式会产生不同的室内舒适效果.在刚开始的120 s内，由于换热的延时性，室内的PMV值均没有出现明显变化，但随着PMV值的不断上升，流速越小，相应的热舒适水平变化就越快，室内越炎热.当v=0.15 m·s-1时，PMV值上升最明显，在330 s时人体就会感觉到热，在510 s时人体出现明显的热感觉；当v=0.30 m·s-1时，在480 s时人体才有一点热感觉；但当v>0.30 m·s-1时，在测试的600 s内，PMV曲线普遍小于1，人体不会出现热感觉，此时的室内环境较为舒适.

综上可知，在辐射板表面快要结露时，启动PID调节模式后，室内人体开始感觉到热的时刻会随着供水流速的增大而延迟.

2.2.3 室内热舒适性 冷辐射板快要结露时，PID调节模式下冷辐射板各项性能较好的供水流速范围，如表1所示.

表1 冷辐射板各项性能较好的供水流速范围Tab.1 Flow speed range for benign performance of cold radiation plate

由表1可知：在测量范围内，当供水流速v>0.30 m·s-1时，不同PID调节模式下的冷辐射板制冷能力相近，流速增大，相应的制冷效果提升不多，故PID调节模式下的供水流速大于0.30 m·s-1即可.在辐射板表面快要结露时，为使冷辐射板的各项性能均达到较佳的效果，阀门PID调节模式的供水流速应控制在0.30～0.45 m·s-1时较为合适，此时的供水流速不仅能够保证辐射板的防结霜效果和制冷能力较好，还能维持室内的热舒适性.

3 结束语

在冷辐射板表面快要结露时，冷冻水阀门通断调节模式能有效改善冷辐射板表面结露的问题，但会使室内的制冷效果大幅下降，热舒适性明显降低；相比之下，冷冻水阀门PID调节模式则可在一定程度上改善该缺点.实验结果表明:在冷辐射板表面快要结露时，冷冻水阀门在PID调节模式下，供水流速为0.30～0.45 m·s-1时，冷辐射板能有效地减少结露现象，并保持较好的制冷效果和室内热舒适性.