毛细管重力循环柜供冷房间的室内热环境试验研究

2022-09-19李诗琪于英娜

东华大学学报（自然科学版） 2022年4期

李诗琪，梁珍，于英娜

(1.东华大学 a.环境科学与工程学院，b.暖通空调研究所，上海 201620；2.昆山开思拓空调技术有限公司，江苏苏州 215300)

据统计，全球每年的空调用电量约占总用电量的10% ，就我国而言,平均每100户的空调数量已高达115.6台，这带来了电力资源的巨大消耗[1]。毛细管辐射空调作为温湿度独立控制系统，其工作时辐射换热占50%以上[2]。在保证相同热舒适的条件下，毛细管辐射空调室内设计温度虽比传统吹风式高2.0～3.0 ℃[3]，但其利用高温冷冻水，可有效节能，此外由于夏季供水温度受到露点温度的制约，其有结露风险，需要引入新风除湿[4]。

1 毛细管重力循环柜及其研究现状

毛细管重力循环柜(简称重力循环柜)是毛细管的一种新型应用设备，其采用低温冷水，内部有凝水盘，集除湿、制冷、制热功能于一体[5]，使用时可开窗通风或者搭配最小通风量的通风系统，减少了风机能耗[6]。另外，相比传统式一次或二次回风的中央空调，重力循环柜可防止不同空间的交叉感染，适合在特殊时期使用。

试验的重力循环柜实物图如图1所示。由图1可知，这种重力循环柜是将5排外径为4.30 mm、单管长为2.00 m的毛细管网集成在尺寸为200 mm×1 100 mm×2 600 mm(即深×长×高，尺寸也可以随用户需求进行调整)的金属铝柜中，上下风口之间设置外辐射板并做内保温，其余板面也进行内保温，管网下方设置冷凝水集水盘。重力循环柜自然循环原理如图2所示。由图2可知，重力循环柜供冷时，空气在自然循环作用下，出风口在下，回风口在上，冷冻水在毛细管中则采用下供上回的方向，与空气自然对流方向相反[7]。

目前，国内外学者已经对重力循环柜的系统特性进行一系列研究。关于重力循环柜影响因素，Hazami等[8]研究重力循环式空调的水量、水温对对流换热系数的影响。关于重力循环柜的自然对流属性，马国彬等[9]对一种重力循环式空调进行数值模拟，这种空调工作原理是将室内空气通过表冷器冷却，并利用自重作用，使其沿管道间下降至底部开口流出管道，模拟结果显示较热空气集中在房间上部，水平面温度分布比较均匀。关于重力柜的优化:李翠敏等[10]对实验室及现场进行测量，重力循环柜在密闭性更好的实验室内供热时，0.05～1.50 m高度区间的竖向温差小于2.0 ℃，渗风作用对温度场影响较大;Li等[11]设计毛细管重力循环柜的毛细管间距、上下风口尺寸、供回水方向等柜体细节，重力循环柜的物理尺寸基本成形。在重力循环柜的实测研究中:金梧凤等[12]测试对比供冷工况时重力循环柜与分体式空调运行的特性，表明重力循环柜的循环水泵和控制阀的开/关次数少于分体式空调器的开/关次数，室内温度更加平稳；谷德军等[13]对比重力循环柜单独运行和联合吊顶辐射板运行的制冷量，表明联合运行时重力循环柜制冷量占比更高；陈慧等[14]研究重力循环柜与顶板辐射系统联合运行时重力循环柜的换热、除湿经济性最佳工况。在重力循环柜的数学计算方面:为了便于实际应用，韩东太等[15]拟合出毛细管单位传热面积、空气体积流量的计算式，但并未考虑长时间使用对效率的影响;葛玉箫等[6]给出高湿地区重力循环柜的辐射供冷量、总供冷量、除湿量计算式，但缺乏热舒适性及节能指标评价。

现有研究主要集中在重力循环柜的系统特性优化与负载量方面，关于其独立连续运行时房间的温度、风速分布等情况较少研究，几乎没有研究对其性能进行综合评价。本文采用试验测量的方法，以上海某办公室为例，对重力循环柜独立供冷时的气流组织特性、热舒适性展开研究，并进行能耗计算和综合评价，为重力循环柜的实际应用提供数据支撑。

2 试验设计

2.1 测试案例参数

本试验实测目标为上海某办公室，其长为4.30 m，宽为4.15 m，高为2.60 m，面积为17.90 m2,如图3所示。办公室南墙为外墙，其余为内墙，邻室均为空调房间。测试时房间内仅保留测试人员和被测人员，且无人员进出。测试房间安装1台毛细管重力循环柜，供水温度为10.0 ℃，供水流量为5 L/min，供回水温差为4.0 ℃，供冷量为1 400 W。

图3 被测房间测点布置图Fig.3 Layout of measuring points in the tested room

2.2 测试过程

测试时间为2020年8月28日至9月10日。温度测试采用J型热电偶，并利用安捷伦34970A进行数据采集，测量间隔时间为1 h。根据GB/T 50782—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》选取试验测点的位置为人体的脚踝、膝盖以及人体坐姿时和站立时的头部位置及天花板下0.10 m的位置，即分别为室内距离地面0.10、0.50、1.10、1.70及2.50 m所处的水平面上均匀布置J型热电偶，先将测试房间水平方向设定A、B、C、D4个测试点，在A、B、C、D等4点位的垂直方向形成4列测试位置，且每列的不同高度(即以上5个高度)处均布置4个测点，测点以及重力循环柜的分布位置如图4(a)、(b)所示。由图4可知，A列靠近外窗，C列靠近重力循环柜。试验共计20个热电偶测温点，量程为-40.0～80.0 ℃，测量误差为-0.5～0.5 ℃。同时采用无线万向风速仪，量程为0.05～30.00 m/s，精确度为-0.05～0.05 m/s，对房间中心同等高度处采集风速。并在重力循环柜进出口高度的距离柜表面0.10 、0.30 、0.50 、1.50 、2.00 、3.00 、4.00 m处采集风速，以此研究柜的风速特征。风速测点以及重力循环柜的分布位置如图4(c)、(d)所示。

图4 测点布置图Fig.4 Layout of measuring points

2.3 评价指标

2.3.1 温度不均匀系数

根据所测得的各个高度上的测点温度值，可以得到温度不均匀系数，当温度不均匀系数越小时，温度越均匀。温度不均匀系数kt定义如式(1)所示。

(1)

(2)

2.3.2 热舒适性评价指标

热舒适性指标PMV综合考虑人体活动状态、衣物热阻(衣着情况)、空气温湿度、平均辐射温度、空气流动速度等5个因素，以满足人体热平衡方程为基础，用于评价绝大多数人的冷暖感觉。根据GB/T 18049—2000《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》推荐热舒适要求：夏季从事较轻的、以坐姿为主的活动时，作业温度(有空调)应为23.0～26.0 ℃，相对湿度应为30%～70%，预测不满意率PPD≤10% 表示可以接受。如果环境条件处于推荐的舒适限度内，则预估将有80%以上的作业人员将认为这个热环境条件是可以接受的。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定：Ⅰ级热舒适度要求为-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%；Ⅱ级热舒适度要求为-1≤PMV<-0.5或0.5≤PMV<1，PPD≤27%。PMV和PPD的具体计算分别如式(3)和(4)所示。

PMV=(0.303e-0.036M+0.028){(M-W)-3.05×

10-3[573 3-6.99(M-W)-pa]-

0.42[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M·

(586 7-pa)-0.001 4M(34-ta)-3.96×1018·

(3)

(4)

2.3.3 温度垂直不满意率

人体局部部位的舒适程度是影响PMV的重要因素，热舒适标准ISO 7730—2005提出头部和脚踝的纵向温差Δta,h是衡量人体局部舒适度的主要条件，Δta,h越小，温度垂直不满意率越低，局部舒适度越好。根据标准推荐的式(5)计算温度垂直不满意率PD。

(5)

2.3.4 能量利用系数

评价置换通风房间的节能度常使用能量利用系数EUC，其反映人员活动区与非人员活动区域之间热环境的差异程度[16]。当EUC>1时工作区为节能状态，EUC值越大，能量利用程度越高，越节省能耗；当EUC<1时,设备不再节省能耗，EUC值越小，能量利用程度越低，耗能越高。EUC的计算如式(6)所示。

(6)

式中：tuz为毛细管重力循环柜回风口温度，℃；toz为室内人员活动区域即1.70 m高度以下的平均温度，℃；ts为重力循环柜送风温度，℃。

3 测试结果与分析

3.1 室内外温度分析

试验中连续记录14 d的室内外平均温度如图5所示。由图5可知，当室外温度降低2.0 ℃时，室内平均温度下降0.5 ℃，当室外平均温度上升3.5 ℃时，室内温度上升0.5 ℃，室内温差的波动在1.0 ℃以内。因此，重力循环柜可以在室外环境温度波动的情况下维持室内温度相对稳定，平均室温保持为22.5～24.0 ℃。室外温度参数来自中国天气网。

图5 室内外温度逐日变化Fig.5 Daily variation of indoor and outdoor temperature

以室外温度接近平均值的9月5日的数据为例进行详细分析。当日最高气温32.0 ℃，最低气温23.0 ℃，室外相对湿度57%，室内平均温度约23.4 ℃，相对湿度50%。

3.2 室内空气风速分析

房间中心的平均风速测量结果如图6所示。距离重力循环柜正面进出口的不同距离点的风速分布如图7所示。

图6 房间中心平均风速分布Fig.6 Average wind speed distribution in the center of the room

图7 离柜进出口不同距离的风速分布Fig.7 Wind speed distribution at different distances from cabinet inlet and outlet

由图6可知，独立运行重力循环柜的房间中心风速很低，均低于0.15 m/s，且室内人体头部位置风速仅为0.03 m/s，避免了传统吹风式空调以对流为主的不利因素，房间风速稳定，受动态变化的室外环境影响较小。由7可知，重力循环柜送风口风速为0.41 m/s，回风口风速为0.20 m/s，送风口风速大于回风口风速，且送风口前不同距离的风速整体大于回风口前的风速，送风口风速在吹出0.50 m后衰减至0.10 m/s以下。与传统置换通风房间距离地板0.30 m以内空间流速最高可达0.46 m/s相比[17]，独立运行重力循环柜的房间流速更低，在距离重力循环柜0.50 m以外不会有吹风感威胁，并且较小的风速避免了室内扬尘，减少了墙体及物品污染。

图8 z=0.10 m所处平面的温度分布Fig.8 Temperature distribution of z=0.1 m plane

图9 z=1.10 m所处平面的温度分布Fig.9 Temperature distribution of z=1.1 m plane

3.3 室内空气温度分析

3.3.1 水平方向上温度分布

为了研究室内水平方向上温度分布情况，以距地面不同高度z进行分析，试验对z=0.10、1.10 m的两个高度所处平面上的8个测点的逐时温度变化进行分析，结果如图8和图9所示。

由图8、9可知，实测得到重力循环柜的送风平均温度为14.1 ℃，z=0.10 m和z=1.10 m所处平面的平均温度分别是19.8和24.4 ℃。z=0.10 m所在平面逐时温度变化不大，z=1.10 m所处平面的温度从8：00时起随着室外气温升高而升高，在当日17：00时，温度达到最高值，全天温度保持为23.0～27.0 ℃，在20：00时以后室温逐渐降低并趋于稳定。z=0.10 m所处平面各点温度较z=1.10 m所处的平面更低，体现了重力循环柜在地面上方的蓄冷特征。

由图8可知，z=0.10 m所处平面最靠近柜的C1点所测的数据与A1、B1、D1相比明显偏低，其平均温度仅15.6 ℃。这是由于该点距离重力循环柜出风口最近，直线距离仅1.00 m，受到冷风下沉影响较大，因此需要进一步研究合适的供水温度。

由图9可知，z=1.10 m处的平面最靠近柜的C3点所测数据与A3、B3、D3等3点相比明显偏高。这是由于该测点位于柜送回风口之间的涡流区域，该区域气流混合不充分，热量不能很好地被处理而导致温度偏高。

3.3.2 垂直方向温度分布

房间垂直方向上的温度分布也是热舒适的重要方面，因此对该方向上的温度分布进行分析，距离重力循环柜进出口不同距离的温度分布如图10所示。将各水平面上的4个测点的测量结果求平均值，得到距地面0.10、0.50、1.10、1.70及2.50 m高度水平面上的温度平均值，如图11所示。

图10 距离重力循环柜进出口不同距离的温度分布Fig.10 Temperature distribution at different distances from the inlet and outlet of gravity circulation cabinet

图11 高度上的平均温度分布Fig.11 Distribution of average temperature at height

由图10可知，重力循环柜进口高度上温度变化很小，保持在26.8 ℃，其出口高程上温度由小变大，从14.6 ℃升高到21.7 ℃后再稍有降低，柜出风口前0.50 m距离内温度较低。

由图11可知：房间平均温度保持为22.5～25.4 ℃，在16：00时升高到峰值；z=0.10、0.50、1.10、1.70、2.50 m所处各水平面的日平均温度分别为19.8、22.5、24.0、24.8、25.4 ℃。白天随着冷负荷的增大，房间上部的气温大大升高，热量集聚在房间上部，在16：00时，房间上下的温差达到最大，但工作区气温仅有小幅升高；到夜间，各测点气温稳定，温差减小。在重力循环柜独立运行的房间，温度随着高度的增加而增加。空气在柜内发生对流换热之后从下风口吹进室内，地面存在低温的蓄冷现象，室内形成了稳定的温度梯度，温度梯度随高度的增加越来越小，这是由于上部空气混合更加均匀。z=1.10 m和z=1.70 m所处平面温度仅相差0.2 ℃，说明人站姿和坐姿的头部温差较小。

A列各测温点逐时温度测试结果如图12所示。由图12可知，z=2.50 m处的平面温度变化最大，在16：00时达到峰值30.5 ℃。由于A列各测温点靠近外窗，窗口的日射得热量较大，热空气上升，因此房间热量汇聚在上部，使得A5点温度较高，但工作区温度波动不大，不影响工作区的热舒适性；当日照得热逐渐消失，房间温差回归稳定值。从地面到1.10 m高度的温度梯度较大，而从1.10 m到2.50 m高度的温度梯度较小，房间存在明显的温度分层现象，符合置换通风的特点。

图12 各个高度上的 A 点温度分布Fig.12 Temperature distribution of point A at different height

3.4 温度不均匀系数

各个高度的逐时温度不均匀系数kt计算结果如图13所示。由图13可知，z=0.10 m所处的脚踝平面kt最大，z=2.50 m所处的房顶平面在16：00温度不均匀系数逐渐增加到最大，其余平面kt变化较小。房顶温度不均匀性的增大对工作区稳定的温度场没有影响。由于z=0.10 m所处的脚踝平面有一测点C离柜仅1.00 m间距，重力循环柜有出风口冷风下沉，温度较低(平均温度14.6 ℃)，而远离出风口处温度较高(平均温度21.0 ℃)，因此温度不均匀系数偏大，不建议人体在柜前1.00 m范围内停留太久。

图13 温度不均匀系数Fig.13 Temperature non-uniformity coefficient

3.5 热舒适性评价

根据z=1.10 m所处的平面在工作时间(8:00-20:00)的平均温度计算的热舒适PMV和PPD指标结果如图14所示。由图14可知，室内空气湿度为50%，室内物体平均辐射温度为25.0 ℃，人体(成年男子)的新陈代谢率为1.0 met，人体做功功率取0，穿着薄裤+短袖衬衫+袜子+鞋子的服装热阻为0.57 clo，计算结果得到z=1.10 m所处的平面PMV随时间逐渐增大，在17:00后逐渐减小，保持为-0.5～0.5，PPD在10%以内，满足I级热舒适要求。

图14 z=1.10 m所处平面的PMV和PPD分布Fig.14 PMV and PPD distribution in z=1.10 m plane

3.6 温度垂直不满意率

根据图11可知，房间内头部和脚踝的平均竖向温差Δta,h为4.2 ℃，重力循环柜工作时温度垂直不满意率PPD为10.3%，与文献[18]计算的供冷工况下3种毛细管敷设方式的温度垂直不满意率(顶棚辐射为29.0%，墙面辐射为48.0%，地面辐射为64.0%)相比，重力循环柜温度垂直不满意率更低。

3.7 节能性评价

实测得毛细管重力循环柜回风口平均温度为26.0 ℃，室内人员活动区域，即1.70 m高度以下的平均温度为22.5 ℃，重力循环柜送风温度为14.1 ℃，EUC计算得1.42。送风温度为21.0 ℃的侧送风系统的能量利用系数EUC为1.26[19],重力循环柜的EUC比其高12.7%，有更高的能量利用率。