沟槽充液辐射板蓄冷特性研究

肖凱天，李曌然，邓美奇，杨绘乾，徐科文，刘冠志

（东北林业大学，哈尔滨 150040）

0 引言

近些年辐射供冷日趋发展，其研究方向也有很多方面，其中能耗特性的研究对于实现我国碳达峰、碳中和是有重要意义的，节能性是辐射供冷空调的一个值得关注的问题，可利用辐射末端的蓄能及削峰填谷作用降低建筑空调系统的尖峰能耗。本实验系统的蓄冷主要依靠辐射板内部铜管与沟槽间的冷水，在实际工程应用时可结合相变储能材料或利用建筑结构的蓄能联合使用。文献[1]提出了一种集相变材料、微槽道热管、丙烯酸树脂辐射制冷板为一体的新型节能墙体，得出了这种结合方法在降低室内温度方面和减少得热量方面有较好的节能作用的结论。目前，复合材料在预防潮解的情况下运行，也有望成为建筑内广泛应用的长期蓄热材料[2]。很多学者也对辐射板供冷量的影响因素开展研究，如邸宇航等[3]通过实验研究了供水温度、供水流量、辐射板表面风量、供水时间对表面换热量的影响，实验结果表明，供水温度与辐射板表面风量对辐射板表面换热量影响最大。辐射供冷也有很多优势，在未来有很大的市场前景，文献[4]研究辐射顶板空调系统得出结论：辐射制冷的冷效应快, 受热缓慢。在制冷期间围护结构、地面和环境中的设备表面吸收辐射冷量, 并贮存一部分冷量, 制冷停止后, 这些贮存的冷量开始向周边环境散发, 还可以保持一定的冷环境。因此对适宜于家用的小型蓄冷空调的需求也应运而生。

综上所述，随着国家双碳政策的提出，节能性已成为辐射供冷的研究热点，并且改善辐射末端能够起到有效削峰填谷的作用，进而降低建筑空调系统的尖峰能耗，有利于我国建设环境友好型社会，因为建筑能耗已占社会总能耗的相当一部分比例。本文研究的沟槽式辐射板为悬挂式辐射板，由于人体头部区域温度最高，所以顶板辐射供冷比墙面式、地面式有更好的热舒适性。因此，为进一步研究沟槽充液式辐射板的供冷性能，本文将对该新型辐射板的调峰特性、室内温度波动等情况开展研究，为该辐射板的推广上市做准备。

1 辐射供冷的优势与发展

在当前世界范围内能源短缺及我国节能减排的形势下, 空调制冷系统尽可能地采用低能耗方式已是大势所趋。辐射板供冷系统起源于20世纪70年代的欧洲，供冷辐射板进入国内的市场已经很长一段时间了，其应用类型主要分为毛细管型辐射板、混凝土型辐射板和金属辐射板。辐射板可与围护结构相配合，可充分利用室内的顶棚地板墙体，常见的形式有直埋、敷设、悬挂[5]。各种类型的辐射板都有一定的发展，文献[6]对混凝土辐射地板的蓄释热性能做了研究，结果表明：供暖工况的时间常数快于供冷工况,混凝土辐射地板温度更易趋于稳定。辐射供冷与传统空调相比，也有很大的优势。辐射供冷系统的相对优势主要在于显著节约能源，据Kurt W. Roth在Energy Saving Potntial中的研究表明，冷却板/冷梁与专用室外空气系统结合使用相对于可变风量系统可减少供冷和通风能耗25%～30%。空调的冷媒主要是比热容较小的空气，而辐射供冷的冷媒主要是比热容较大的水，这样在吸收相同冷负荷的情况下，辐射供冷需要介质的质量更少，那么从驱动冷媒流动的耗能角度来说，辐射供冷比传统的空调有很大的优势。常规的空调系统温湿度同时处理，一方面在降温除湿后再加热的方式能耗较大，另一方面用低温（一般为7 ℃）的冷冻水除湿，这样冷冻机的效率会下降，而辐射冷吊顶与新风系统联合使用能实现温湿度的独立控制，解决提高能量消耗解决湿度过高的问题，在节能方面有很大潜力。文献[7]对天棚辐射板+独立新风系统进行模拟，结果表明，其具有较高舒适度，变水温控制可减少结露风险。21世纪以来，除了对结露的除湿要求外，高温供冷也是学术界重点关心的问题，因为这种系统在降低冷热源温度品位方面具有显著优势。

2 实验末端与实验过程

辐射末端采用沟槽充液式辐射板，如图2所示，材料为铝合金，焊接，板长70 cm，宽50 cm，厚6 cm，下表面为向下突出的连续直角肋壁，在辐射板内部形成9个直角沟槽，每个沟槽内部布置一个直径为6 cm的U型供水铜管，运行时铜管内流动着供水温度为15～17 ℃的冷水作为冷媒，辐射板沟槽与铜管间也充满冷水，蓄存冷量，当室内有冲击冷负荷时，蓄存的冷量得以释放，可减少室内温度波动。板间的冷水使辐射板有良好的蓄冷性能，会使换热铜管与铝合金辐射板间传热效率更高。

图2 辐射板结构

本实验系统将北方冬季低温冷环境的冰块放在冰盒里作为系统的冷源，不使用冷水机组，符合节能减排的要求，冷源制出的冷水再与辐射板的冷媒通过中间换热桶（冷水箱）内的铜管进行换热。本次实验的研究有一定的实验基础，实验的数据采集设备是Agilent安捷伦34980A，数据实时传输至电脑中并被储存记录。温度测量的仪器为PT100热电阻温度传感器,测温精度为±0.1 ℃。本实验系统的原理如图1所示，实验时，将冰块放入蓄冰盒中作为系统的冷源，冷源制出的冷水与中间换热罐内的冷媒进行换热，具体换热过程为：设定温度开关的阈值，当冷水箱与辐射板换热使温度高于预定阈值时，温度开关打开，使系统冷源与冷水箱进行换热降温，新型沟槽辐射板安装在人工气候小室内，将输出的数据导入另一个房间的电脑内。

图1 实验系统原理图

3 实验数据及数据分析

时间常数表示响应变化的快慢，可将它作为辐射板热惯性大小的衡量尺度，从而分析其调峰特性，辐射板的时间常数可以用公式τ=∑{ciρiδi÷(1÷R+hc+hr)}作参考,式中：ci、ρi、δi分别为辐射板各层材料的比热、密度、厚度；R为辐射板热阻；hc为对流换热系数；hr为长波辐射换热系数。辐射板上方另附有δ=0.05 m的橡塑绝热材料，辐射板为单板结构，由厚度为1 mm的合金铝板焊接而成。

以下对供水流量为0.026 L/s，相对湿度为60%±5%，辐射板进、出口温度为17.6～19.2 ℃之间的典型工况进行阐述。实验中用电热膜将人工实验间的壁温加热至29℃，以此模拟实际房间的得热量。由于实际房间地板通常不构成热源，因此没有进行地板加热设计。在辐射板表面布置有温度测点（如图3），再将数据导入电脑，做出辐射板壁面温度逐时变化曲线（如图4），经计算，当温差变化为0.632ΔT时的时间为820 s，由于辐射板内表面与铜管间充有蓄冷介质，故辐射板壁面温度变化要比普通金属辐射板的温度变化慢，这也是当室内有温度扰动（如太阳辐射、进出人员）时，室内温度波动范围不大的主要原因，有很好的热舒适性。

图3 小室内辐射板测点分布情况

对于供冷量的研究，本实验用温度传感器逐时追踪供回水温度，辐射板入水口温度和出水口温度变化曲线如图5所示，用公式Q=ρVCp（t2-t1）来计算供冷量，式中：t2为辐射板出水口温度；t1为辐射板进水口温度。实验工况为：供水流量0.026 L/s，相对湿度为60%±5%，辐射板进、出口温度为17.6～19.2 ℃之间。计算得辐射供冷量为68.4～80.2 W/m2。

图5 出水口、入水口温度变化曲线

小室内空气是否稳定也是评价辐射板供冷的热舒适性依据之一，为此对小室内空气温度波动数据进行逐时追踪，实验数据如图6所示，可以得出结论：小室内空气温度波动最终稳定在27.5～28 ℃之间，从图6可见，在380 s左右小室内空气温度进入相对稳定的阶段。

图6 小室内空气温度变化曲线

为了考察沟槽式辐射板供冷的蓄冷调峰特性，该辐射板能提供多少蓄冷量也是重要的依据，根据出水口、入水口温度变化及小室内空气温度变化情况，本文选取多个实验工况，记录不同工况下该新型沟槽充液式辐射板的蓄冷量，获得的实验部分数据如表1所示。可以得出结论：沟槽充液式辐射板的供冷能力与市面上现有的金属平顶辐射板等相当，但经过后期设计（如加工表面纹路、增加材料等措施）形成最终的成品后供冷量还是非常可观的。

表1 人工气候小室内辐射板的蓄冷量值

4 结语

本文首先对辐射板的调峰特性进行研究，实验数据表明，该辐射板的时间常数为820 s，原因在于沟槽与铜管间储存有冷水，有较强的蓄冷性能，能很好地抵挡室内温度扰动，使室温恒定。应当指出的是，本文开展实验的不足之处在于冷源不够稳定，精度有待提高。然后依据JGJ 142-2012《辐射供暖供冷技术规程》搭建了辐射供冷实验平台，并且以人体在室内感受温度部位（头部、腰部、脚部）布置测点得到数据。小室内空气温度波动也最终稳定在27.5～28.0 ℃之间，在本文的实验工况下，该辐射板的供冷量为68.4～80.2 W/m2，有较好的供冷性能，也可减小室内安装面积。