开放式辐射吊顶制冷性能的实验研究

乔俊宇 毕 晨 王 成 金梧凤

（1.天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 天津 300134；2.天津市建筑设计研究院有限公司 天津 300074）

引言

作为一种新型的室内热环境控制系统，辐射吊顶供冷系统（CRCP）在近年来逐渐受到行业的重视。CRCP系统具有优秀的热舒适性和节能性，但是存在易结露和制冷量不足的缺陷[1-3]，尤其是在湿热气候区（如中国长江流域）应用时，如何在不结露的前提下提高其制冷量成为一个关键问题[4,5]。

国内外学者针对辐射空调制冷量不足的问题进行了大量研究。Jeong 和 Mumma 提出了一种适用于自由悬挂式的金属吊顶辐射板的制冷量预测模型，研究表明与自然对流条件的制冷量相比，由机械通风引起的混合对流可使辐射板制冷量提高 （16 ～71）%[6,7]。Z. Tian 的研究发现[8]，与标准条件下实验室测的数据相比，实际应用时，CRCP 系统的制冷量可提高17.1 %，应该对辐射板标称制冷量应用修正系数来修正，以得到实际应用情况下的制冷量；L. Zhang 通过实验研究了一种带有倾斜铝翅片的自由悬挂辐射板的性能[9]。实验结果表明，在标准测试条件下，制冷量与自由悬挂的平板系统相比提高了19 %，与普通封闭式的辐射吊顶系统相比提高了92 %，M. Ye 和AA Serageldin 提出了一种用于辐射制冷板的分段和凹面结构，通过降低辐射板冷表面的温度不均匀性来实现较高的辐射板表面平均温度，相较于倾斜翅片辐射板和传统平板有更高的效率[10,11]。

本文提出通过开放式安装提高辐射吊顶供冷系统的制冷量。由于辐射板上表面可以降低上部空间的温度，通过辐射板之间不同的开口使上部空间较冷的空气下降到下部空间，而较暖的下部空间空气上升到上部空间，促进了测试房间内的空气混合从而增加系统的制冷量[12,13]。采取辐射板开放式安装的方式将成为解决辐射吊顶供冷系统制冷量不足的一种途径。另一方面，不同的建筑结构和装修需求也对辐射板的安装方式提出了更多元化的需求，因此，预计开放式安装的辐射吊顶系统将会增加。

但由于没有足够的关于开放式辐射吊顶的参考或设计数据，因此很难选择开放式安装这种设计方案。本文旨在得到关于开放式辐射吊顶系统制冷性能的基础数据，通过实验验证了开放式安装有助于提高CRCP 系统制冷量的假设，为进一步研究开放式CRCP 系统制冷性能奠定基础。

1 参考标准及基础理论

在进行实验之前，需要选定参考标准，便于制定实验方案，以及进行制冷量的计算。本文选定标准ASHRAE 138 中的测试方法进行实验[14]。

ASHRAE 138标准中将一面墙壁加热作为模拟外墙提供热源，更贴近实际情况，此外考虑到ASHRAE 138 中关于CRCP 系统制冷量的计算中对于特征温差的定义可以使研究结果的应用更加广泛，因此本文采用ASHRAE 138 对CRCP 系统进行测试。

在ASHRAE138 标准中，最终计算的CRCP 系统的制冷量是关于温差的函数，其计算公式如下所示：

式中：

Q—辐射板制冷量，W；

cp—水的比热容，取4.18 kJ/（kg·℃）；

m—辐射板供水流量，kg/s；

tout—辐射板回水温度，℃；

tin—辐射板供水温度，℃；

q—辐射板单位面积制冷量，W/m2；

A—辐射板面积，m2。

C 和n 为常数，在标准中其具体数值是由实际测试数据拟合而来，另外针对性能曲线中的温差 Δt，ASHRAE 中给出了三种定义：辐射板表面平均温度和室内空气温度的温差、供回水平均温度和室内空气温度的温差、供回水平均温度和室内操作温度的温差，其计算公式如下所示：

式中：

ta—室内空气温度，℃

tp—辐射板表面平均温度，℃

tm—供回水平均温度，℃

tmr—室内平均辐射温度，℃。

考虑到辐射板吊顶空气系统在制冷过程中，供回水向室内传递热量时，需要先对辐射板表面进行降温再通过板表面与室内空气换热，直接参与室内换热的是辐射板表面。由于不同的辐射板内部结构会对热量传递的过程造成不同的影响。本次研究为了得到适用性更广的研究结果，不考虑辐射板本身结构对辐射板制冷量的影响，因此本次研究采用公式（4）中的辐射板表面平均温度和室内空气温度的温差计算制冷量。

2 实验内容

2.1 实验概况

实验共分为两个部分：开放式CRCP 系统实验和传统封闭式CRCP 系统实验，通过对比开放式和封闭式系统的制冷量，验证开放式安装型式对提高制冷量的可行性，实验在如图1 所示辐射板距地面2 m 的4.8 m*3 m*2.3 m 的实验舱中进行[15,16]，实验台系统流程图如图2 所示。

图2 实验台系统流程图

ASHRAE 138 是将一面墙壁加热作为模拟外墙提供热源，因此为了使室内空气温度维持在24 ℃±2 ℃，需要改变模拟外墙的温度。采用在南侧外墙敷设3 m*1.7 m的电薄膜作为模拟外墙提供热源（电薄膜安装实物图如图5 所示），电薄膜温度控制精度为±0.5 ℃。为了防止电薄膜与室内局部隔射过大，在电薄膜前设置3 m*1.5 m 的挡板，其距离电薄膜0.45 m，挡板的上下部分要留出一定的空隙，上边界距离辐射板表面0.2 m，可以通过空气对流的形式将电薄膜的热量传递至室内。

房间共布置9 块尺寸为0.8 m*1.5 m 的辐射板，9块辐射板之间紧密布置，距离门侧内墙、东墙和西墙均为0.3 m，总面积为10.8 m2，共占房间总面积的75 %。组成水系统的管路当中，供回水主管外径为20 mm，毛细管网中的毛细管外径为4.3 mm，辐射板表面采用0.8 mm 的微孔铝板，毛细管与微孔铝板紧密接触，确保其具有良好的导热性，用于增强毛细管对室内空气的传热。辐射板安装和辐射板内部结构图分别如图3 和图4所示。为使辐射板表面温度均匀，在毛细管上敷设一层5 mm 厚的均热铝箔。对于封闭式CRCP 的实验，在辐射板上表面敷设20 mm 厚的保温层，而对于开放式CRCP的实验，由于辐射板上下空间连通，为了使辐射板上表面也参与换热，要将保温层去除。

图4 辐射板内部结构示意图

2.2 测点布置

1）辐射板表面温度测点

根据给出的CRCP 系统制冷量计算公式，需要对辐射板表面温度进行精确测量，为了防止测量的偶然误差，同时为了计算辐射板表面的平均温度，将在每个表面布置四个测点，其测点布置图如图6 所示。由于辐射板内的水系统也会导致各个辐射板之间的表面温度不均匀，在每块辐射板的上下表面都按照图6 的方法进行测点布置，每块辐射板上4 个测点所测得的温度的平均值将作为该辐射板表面的平均温度，由此可以得到总共9 块辐射板的表面温度。

图5 电薄膜实物图

图6 辐射板表面温度测点

2）室内空气温度测点布置

对于辐射板下方的空间，竖直方向上，分别在距离地面0.6 m 和1.1 m 高度的平面设置温度测点，对空气温度进行测量。在开放式CRCP 系统中，由于辐射板上表面也参与换热，因此在距离地面高度2.15 m 的平面也要设置温度测点，对辐射板上部空间的空气温度进行测量。对于因为设置电薄膜导致的房间纵向方向上的温度分布不均匀，本次实验在纵向方向上设置3 个测点，测点布置示意图如图7 所示，横向方向设置两个测点。黑球温度测点将布置在房间的中心位置，距离地面1.1 m 高度的平面上。

图7 室内温度测点布置图

2.3 测试仪器介绍

本次实验应用热电偶、黑球温度计、供回水温度传感器、电磁流量计对不同测量对象进行了测量。测试仪器的型号，量程和测量精度汇总至表1 中。

表1 测试仪器介绍

在数据采集方面，本文使用日本横河MX100 数据采集器进行数据记录。它的各种温度传感器将测得的温度信号转换成电信号，传输到数据采集器，而数据采集器又将传输的电信号转换成数字信号，直接反映在计算机中，从而实现数据的记录。

2.4 实验工况

实验工况参考标准ASHRAE 138，供水流量12.72 L/min，对四个工况分别进行测量（供回水平均温度分别为12 ℃、15 ℃、18 ℃和21 ℃）。实验工况见表2。

表2 实验工况

3 结果分析

3.1 单位面积制冷量比较

根据表2 的实验工况，分别对开放式CRCP 系统和封闭式CRCP 系统进行实验，并根据式（1）～（6）对制冷量进行计算，并对其制冷量性能曲线进行绘制，其结果如图8 所示。

图8 CRCP 系统单位面积制冷量比较

如图8 所示，开放式CRCP 和封闭式CRCP 的制冷量都随着温差的增大而增大，而开放式CRCP 系统的制冷量性能曲线的斜率与封闭式系统相比更大，在不同的工况条件下，开放式系统的单位面积制冷量都大于封闭式系统。在平均供回水温度为21 ℃、18 ℃、15 ℃和12 ℃时，开放式系统的单位面积制冷量比封闭式系统高49.42 %、64.41 %、61.59 %和57.98 %（此时测得的辐射板表面温度与空气温度的温差分别为0.96 ℃、4.03 ℃、6.93 ℃和9.87 ℃）。

3.1 总制冷量比较

需要注意的是，为了探讨辐射板采用开放式安装能增大制冷量的可行性，不仅应比较辐射板单位面积的制冷量，同时应比较系统的总制冷量。开放式CRCP 的实际辐射板面积会小于封闭式CRCP 的面积，在本次实验中，辐射板的面积为房间面积的75 %，将封闭式实验所得的单位面积制冷量应用至辐射板的面积等于房间面积的情形（即封闭式系统辐射板面积占房间面积100 %，而开放式系统辐射板的面积为房间面积的75 %），对总制冷量进行比较，其结果如图9 所示。

图9 CRCP 系统总制冷量比较

如图9 所示，虽然相较于封闭式系统，开放式系统减小了辐射板面积，但开放式系统的总制冷量相较于封闭式系统依然较高。供回水平均温度为21 ℃，18 ℃，15 ℃和12 ℃时（辐射板表面温度与空气温度的温差Δt分别为0.96 ℃、4.03 ℃、6.93 ℃和9.87 ℃），开放式系统的总制冷量比封闭式系统分别增大了12.06 %，23.31 %，21.20 %和18.48 %。

综上所述，与传统的封闭式CRCP 系统相比，尽管辐射板面积减少，但开放式CRCP 系统既提高了辐射板单位面积的制冷量，也提高了系统的总制冷量，因此，可以证明开放式安装辐射板以提高CRCP 系统制冷量的可行性。

4 总结

本文根据ASHRAE 制冷量测试标准，分别对开放式CRCP 系统和封闭式CRCP 系统在供回水平均温度12 ℃，15 ℃，18 ℃和21 ℃工况下进行了实验，通过比较开放式系统和封闭式系统的制冷量，证明了开放式系统对提高制冷量的可行性。

实验结果表明，当开放式CRCP 系统的辐射板面积为房间面积的75 %时，其辐射板单位面积制冷量相较于封闭式系统增大了（49.4 ～64.4）%；相较于辐射板面积占房间面积100 %的封闭式系统，其总制冷量增大了（12 ～23.3）%。

对于开放式辐射吊顶系统，由于辐射板上表面也参与换热，增大的制冷量是由于辐射板上下空间气流交换所引起的，因此可以推论，更大的开口面积和更分散的辐射板布置方式可以获得更大的辐射板单位面积制冷量，有必要进一步研究开放式CRCP 系统在不同的辐射板安装型式下制冷量的变化情况。得到开放式CRCP 系统制冷量的设计图表或预测模型，以扩展开放式CRCP 系统的适用性。