金属辐射板与双冷源新风机组联合运行供暖特性试验研究

2022-03-03宗天晴傅允准

流体机械 2022年1期

宗天晴，傅允准

（上海工程技术大学，上海 201620）

0 引言

辐射空调系统具有舒适性好、能耗低和节省空间等特点，应用前景广阔。夏季工况时，双冷源新风除湿机比普通除湿机的除湿效果更佳。使用单一冷源调节很难使室内环境温湿度同时满足要求，当热湿比不匹配时通常会牺牲湿度来优先满足温度要求，最终导致室内湿度无法满足要求［1］。双冷源新风机组利用2种不同的工作温度对新风进行除湿、降温处理，可以充分实现能源的梯级利用，并实现对新风温度、湿度的精确控制［2］。李鹏魁等［3］介绍了辐射空调专用的两级新风除湿机的工作原理，并对设计开发的该两级新风除湿机进行了性能测试。

目前，国内外学者对辐射空调舒适性、能耗以及系统优化等方面进行了大量研究。SHEN等［4］提出了一种新颖的热电辐射空调系统（TERAC），该系统采用热电模块作为辐射板代替了传统的水力发电板。XUE等［5］利用㶲分析的方法，说明设计工况下辐射末端火用效率为普通风机盘管的1.6～1.9倍。ABDALLA等［6］提出了一种使用太阳能驱动的液体干燥剂蒸发式冷却器辐射式空调系统。ZHAO等［7］研究表明基于新型可变制冷剂流量（VRF）的辐射空调系统实现了最佳的能源效率，为中小型住宅建筑中温度和湿度的独立控制提供了有希望的解决方案。SI等［8］提出了一种将诱导通风和辐射空调相结合的空调系统，该系统可以在垂直方向和水平方向上形成一个整体均匀的室内温度场，从而可以在室内热环境中产生更好的整体舒适感。ZHOU等［9］分析了辐射冷却吊顶与转轮机组的组合系统，该系统解决了辐射冷却吊顶系统中通常出现的除湿，制冷效率和室内空气质量等问题。龚光彩等［10］提出了一种顶板与侧墙结合的复合式空气载能辐射末端新形式，该形式在满足冬季供暖需求的同时具备节能舒适的特点。XIE等［11］提出了一种地源热泵辐射顶板（GSHP-RC）系统的参数协同优化方法，在确保室内热舒适性的同时最大化系统性能并降低运营成本来找到最佳设定点组合。韩磊峰等［12］针对生物气溶胶引起的院内呼吸感染，提出一种独立新风加冷暖辐射空调系统的新思路。DING等［13］研究了不同送风方式对辐射空调室内热舒适性与湿度分布的影响。余志锋［14］提出了采用射流空气膜以隔绝室内空气与辐射板接触的方法防止辐射板结露。DU等［15］通过模拟仿真研究了人在睡眠状态下，基于辐射工位空调系统的的不同板温、发射率、板床距时的热舒适性指标。HAN［16］计算了毛细管辐射在不同位置铺设的热舒适指数数据PMV-PPD，分析了铺设位置对热舒适PMV-PPD以及冷热条件下能量供求平均温度的影响。PENG等［17］通过试验说明空气携带能量辐射空调系统（ACERS）与分体式空调相比，ACES的温度调节范围更大，并且ACERS的热舒适性更好。KASSIM等［18］研究了室内空气温度和辐射地板采暖板位置对居住区热状况的影响。王鑫昊等［19］采用CFD数值模拟法对多块金属辐射板在串联结构下的换热性能进行了模拟分析。曹振等［20］对双冷源新风除湿机与辐射板联合制冷系统应用于会议室的运行特性进行研究。

本次研究主要对应用于上海某高校试验室的金属辐射板与双冷源新风机组空调系统供暖时的运行特性进行测试研究，其研究结果对该系统的进一步研究及工程应用具有一定的参考价值。

1 试验研究

为了研究金属板辐射板供热性能以及金属辐射板与双冷源新风机组空调系统供热运行特性，在上海某高校的试验室进行实际测试。试验室位于一楼，尺寸为8.3 m（长）×4.0 m（宽）×3.25 m（高），最大显热冷负荷为3 182 W，湿负荷为1 720.56 g/h，铺设有25.92 m2金属辐射吊顶板，新风系统采用地板送风顶板回风的方式。

1.1 试验系统

试验系统如图1所示，主要包括空气源热泵主机、金属辐射板末端、双冷源新风机组。

图1 试验系统Fig.1 The experimental system

空气源热泵产生的35 ℃的低温热水一部分提供给金属辐射末端供热，另一部分提供给新风机组的加热盘管用于加热新风，双冷源新风机组的内部结构如图2所示。由图2可知，双冷源新风机组内部主要由过滤段、热盘管段、再热、湿膜加湿段及送风段组成。室外新风经过全热交换器和双冷源新风机组内的热盘管段后，温度为22 ℃左右，经过湿膜加湿段后，含湿量为7 g/kg左右，最后被送入室内，供热工况制冷除湿压缩机不工作，该试验系统主要设备选型见表1。

图2 双冷源新风机组工作原理Fig.2 Working principle diagram of double-cold-source fresh air handling unit

表1 试验系统主要设备选型Tab.1 Selection of main equipment in experimental system

房间辐射板连接采用多块串联方式，主要以5块为主，多块金属辐射板的串联连接方式如图3所示。

图3 多块串联金属辐射板连接方式Fig.3 Connection mode of multiple metal radiation panels in series

1.2 试验仪器

室内温度场和辐射板表面温度使用PT100热电偶温度传感器进行测量，并由安捷伦数据采集器采集并记录（测量精度±0.1 ℃）。辐射板进回水温度由温度传感器进行测量（测量精度0.05%/1 ℃），数据经控制面板读取。室内、室外及送风口的温湿度由Testo温湿度记录仪（测量精度±0.4 ℃）进行记录。室内CO2浓度由Testo多功能测量仪进行测量（测量精度±（75 mg/L CO2+3%测量值）），PM2.5浓度由PM2.5传感器进行测量（测量精度±10%）。

2 试验结果分析

2.1 双冷源新风机组运行状态分析

测试时间为2020年12月12-13日，共2天，室外温湿度、送风口温湿度、室外与送风口含湿量分别如图4～6所示。由图4可知，第1天室外温度在6～12 ℃之间变化，相对湿度则在47%～83%之间变化。第2天气温降低，温度在4～13 ℃之间变化，相对湿度则在34%～87%之间变化，较第1天波动幅度大。

图4 室外温度和湿度变化情况Fig.4 Variation of outdoor temperature and humidity

由图5可知，全热交换器和双冷源新风机组内的热盘管段工作8 h后，送风口的送风温度在22 ℃左右波动，上、下波动幅度为1 ℃左右。而相对湿度在42%左右波动，波动幅度在5%以内。

图5 送风口温度和湿度变化情况Fig.5 Variation of temperature and humidity of supply-air outlet

由图6可知，第1天室外空气含湿量在4～6 g/kg之间波动，第2天室外空气含湿量在3～6 g/kg之间波动，波动幅度较大。而室内送风口的空气含湿量2天中均在6.5～8 g/kg之间波动，相对室外空气波动幅度较小。双冷源新风机组中的水膜加湿器加湿室外空气保证送风口湿度的恒定。

图6 室外与送风口含湿量对比Fig.6 Comparison of the absolute humidity between outdoor and supply-air outlet

2.2 空气源热泵运行状态分析

测试期间，空气源热泵主机的供回水温度如图7所示。由图7可知，2天中空气源热泵主机的供回水温度变化规律基本相同，供水温度在34～39 ℃之间波动，回水温度在32～36 ℃之间波动，供水平均温度为36.4 ℃左右，回水平均温度为36.2 ℃左右。

图7 空气源热泵主机供回水温度Fig.7 Supply and return water temperature of air source heat pump

2.3 辐射供暖室内热湿环境分析

辐射供暖时，室内温湿度以及室内垂直方向温度梯度变化情况如图8，9所示。

由图8可知，开机85 min后室内温度达到设定值22 ℃，开机8 h后室内温度和相对湿度基本达到稳定，稳定之后，第1天室内温度在24～25 ℃之间变化，相对湿度在34%～38%之间变化。第2天温度在24～26 ℃之间变化，相对湿度在32%～36%之间变化。因此可知，系统运行期间，第2天比第1天室内温度略高，而其相对湿度则会比第1天时略低。

图8 室内温湿度变化情况Fig.8 Variation of indoor temperature and humidity

图9示出室内中间位置两处垂直方向温度梯度测量结果，由图可知，开机8 h内室内温度迅速上升，8 h后则缓慢上升并逐渐达到稳定，稳定后第1天室内工作区不同高度温度在23～25.5 ℃之间变化，第2天时不同高度温度都在23.5～26.5 ℃之间变化。室内垂直温差为0.89 ℃/m，垂直方向温度分布均匀，舒适程度较高。

图9 室内垂直方向测点温度梯度分布Fig.9 Temperature gradient distribution of indoor measuring points in vertical direction

2.4 室内空气品质分析

辐射供暖时，室内CO2浓度以及PM2.5浓度变化情况如图10，11所示。图10示出室内CO2浓度变化情况，开机后由于室内连续不断的新风补充，CO2浓度迅速下降，随后持续缓慢下降至433 mg/L，并且稳定在该值附近。图中3次CO2浓度的波动均为人员流动造成。其中第3次最大幅度的波动是由于2名人员进入试验室活动约710 min。综上所述，虽然随着人员流动室内CO2浓度有一定的波动，但是随着机组连续运行，新风不断补充，整体上呈下降趋势，室内空气质量较好。

图10 室内CO2浓度变化情况Fig.10 Variation of indoor CO2 concentration

由图11可知，开机后，双冷源新风机组中过滤段开始工作，送入室内的新风PM2.5浓度开始下降。开机1 h内，室内PM2.5浓度由141 μg/m3迅速下降至55 μg/m3，已降到我国《环境空气质量标准》中PM2.5的二级限值75 μg/m3以下。随后缓慢下降，在试验进行到1 200 min时，室内PM2.5浓度降至我国《环境空气质量标准》中PM2.5的一级限值35 μg/m3。当试验进行到1 660 min时，室内PM2.5浓度降至10 μg/m3，已达到世界卫生组织（WHO）发布的《关于颗粒物、臭氧、二氧化氮，二氧化硫空气质量准则》中的最高标准，不会增大人体健康的风险。综上所述，室内PM2.5浓度稳步下降，室内空气品质很好。