某石墨辐射板热性能实验测试研究

任豪 袁涛 李禹 刘靖

1 河南理工大学土木工程学院

2 中国建筑科学研究院有限公司

3 江苏碳元绿色建筑科技有限公司

0 引言

辐射板作为一种空调系统的末端装置，在欧洲、北美、日本等地得到了大面积的推广和应用，近年来在中国也有很大的发展。辐射供暖相比散热器供暖，散热面积扩大，可较均匀地加热房间空气。散热表面温度降低，减少了对流散热的比例，符合人体热舒适要求。热媒温度低，可以利用低品位热源。热稳定性好，抵抗外界干扰能力强。能与建筑结构实现较好的结合[1]。自从辐射空调与送风技术相结合在一定程度上解决了辐射板冷量与冷凝水问题后[2]，辐射吊顶空调也得以大力推广。

由于辐射供冷供暖具有以上优点，国内相关产品越来越多，但质量良莠不齐[3]，中国虽然发布了辐射供冷及供暖装置热性能测试方法的行业标准[4]，但目前还未有一套完善的标准测试系统装置，缺乏实测数据。而辐射板的实际应用中，一般采取估算方法来测算辐射板的供冷（暖）量及热性能相关参数，导致误差偏大，无法得到其准确的热性能参数，在某种程度上阻碍了辐射供冷及供暖技术的进一步推广及新型辐射板的研制与开发。

本文根据中国关于辐射供冷及供暖装置热性能测试的标准要求，研制出了新型的测试系统，并对某石墨辐射板以吊顶安装形式进行了热性能测试研究，根据实验结果提出了相应的建议。

1 测试系统组成及原理

辐射供冷及供暖装置测试系统主要由封闭式小室、冷却壁面的风系统、测试样品冷热媒制备及循环水系统和数据采集、处理及控制系统组成。具体如图1所示。

图1 测试系统示意图

图2 测试装置的风系统图

冷却壁面的风系统（如图2 所示）主要由一套空气处理机组组成，包括直接蒸发段，加热段和风机段，直接蒸发段与室外的5HP 风冷压缩冷凝机组相连接，用以初步调节夹层的送风温度。加热段用来进一步调节送风温度。

测试样品冷热媒制备及循环水系统（如图3 所示）由风冷冷水（热泵）机组、水箱、水泵、称重装置等组成，主要为辐射装置的运行提供冷冻水。通过粗调水箱及精调水箱加热使供水温度达到设定值，由于被试设备的水流量较小，因此通过调节平衡阀的开度来调节水流量，管路中设置浮子流量计作为调节流量的参考，为了满足测试精度要求，采用称重法进行水流量的测试。

图3 测试装置的水系统图

2 实验方法

通过开启冷却壁面的风系统、冷热媒制备及循环水系统，设定水箱温控器温度，同时开启水箱内搅拌器，使水箱内水温达到均匀一致，水箱中设有铂电阻温度传感器以监测水箱中的水温，在供水管路上安装管路电加热以精调供水温度，将室内温湿度调节至设定温度，待金属小室内壁面温度、室内空气温湿度、辐射板供回水温度稳定后，采集辐射板供回水温度、辐射板表面温度等参数，计算反向传热量及辐射板换热量。

3 辐射板热性能测试结果及分析

3.1 石墨辐射板及安装方式

单块石墨板规格为1220 mm×390 mm，石墨板内部U 型金属管内径9.5 mm，测试样品为16 块石墨辐射板拼接而成（如图4），辐射面积为7.6 m2，每4 块石墨板单元串联为一组，4 组石墨板再以同程式并联连接，石墨板之间连接采用10 mm 普通塑料管，供、回水主干管为20 mm 铝塑管，采用吊顶安装方式。

图4 石墨辐射板连接安装示意图

3.2 夏季制冷工况测试结果

实验测试原理参照辐射供冷及供暖装置热性能测试方法，供冷量特征公式的确定至少要在过余温度（样品进出水平均温度与基准点空气温度的差值）分别为11.0±1.0 K、8.5±1.0 K、6.5±.50 K 三个工况测试的基础上进行。因此夏季供冷工况测试中，分别选择7个不同供水温度，测试过程中房间空气温度控制在26±0.1 ℃，房间平均辐射温度控制在25±0.1 ℃，水的质量流量控制在42.38±10-3kg/s。各个工况下的实验结果如图5～8。

图5 单位面积反向传热量随供水温度变化

图6 供冷量随过余温度的变化

图7 单位面积供冷量随供水温度变化

图8 辐射板平均温度随供水温度的变化

在供冷工况下，供水温度和单位面积供冷量、单位面积反向传热量均呈负线性关系，同一供水温度下，单位面积反向传热量越小单位面积供冷量则越大，可根据供水温度确定所需辐射板的面积。辐射板表面平均温度与供水温度呈正线性关系，辐射板表面温度低于周围空气温度引起结露时，会对家装带来卫生、腐蚀等一系列问题，表面温度是判断辐射板是否结露的一个关键参数。供冷量与过余温度之间呈幂函数关系，测试得到的供冷量标准特征公式Qsc=83.26202×ΔT0.88662。对于同一款材质的成品来说，特征公式将有效的显示出环境温度的变化与换热量之间的变化关系。

3.3 冬季供暖工况测试结果

供热量特征公式的确定至少要在过余温度分别为15.5±2.0 K、19.5±1.0 K、28.5±2.0 K 三个工况测试的基础上进行。因此冬季供暖工况测试中，分别选择8 个不同供水温度，测试过程中房间空气温度控制在18±0.1 ℃，房间平均辐射温度控制在25±0.1 ℃，水的质量流量控制在44.10×10-3kg/s。各个工况下的实验结果如图9～12。

图9 单位面积反向传热量随供水温度变化

图10 供热量与过余温度的变化

图11 单位面积供热量随供水温度变化

图12 辐射板平均温度随供水温度

在供热工况下，供水温度与单位面积供热量、单位面积反向传热量、辐射板表面平均温度均呈正线性关系，同一供水温度下，单位面积反向传热量越大则单位面积供热量越小，可以根据合适的供水温度确定所需辐射板的面积。当辐射板表面温度低于周围空气温度引起结露时，会对家装带来卫生、腐蚀等一系列问题，表面温度是判断辐射板是否结露的一个关键参数。供热量与过余温度呈幂函数关系，测试得到的供热量标准特征公式为Qsh=21.90458×ΔT1.26472，对于同一款材质的成品来说，特征公式将有效的显示出环境温度的变化与换热量之间的变化关系。

4 结论

1）在标准制冷工况下，单位面积供冷量q=71.06 W，当过余温度ΔT=8.5 K 时，标准单位面积供冷量qc=72.94 W。在标准制热工况下，单位面积供热量q=119.54 W，当过余温度ΔT=19.5 K 时，标准单位面积供热量qh=123.18 W。

2）实际设计时可以根据实际供水温度和室内冷负荷，计算石墨板铺设面积。供热工况由于供回水平均温度与室内温度差增加，因此辐射板换热能力有所增加，但也应根据房间热负荷，计算所需的石墨板铺设面积，对夏季工况计算出来的选型参数进行校核。

3）实际设计过程中，设计师应根据室内负荷计算结果、室内设计温度、设计水温三者查询图6、图8、图10、图12 计算得出石墨辐射板用量面积，结合建筑形式及装修要求合理设计石墨辐射板铺设面积与形式。

4）在辐射板安装过程中，每4 块石墨板单元串联为一组石墨板，在同一石墨板内，单块石墨板之间采用带保温塑料管连接，平均每根塑料管长度达到0.7 m，塑料管存在一定的散热量，实际计算的单位面积供冷（热）量包含此部分管路的散热量。