毛细管辐射加独立新风系统供冷性能实验研究

刘前龙, 傅允准

(上海工程技术大学 机械工程学院, 上海 201620)

毛细管辐射加独立新风系统供冷性能实验研究

刘前龙, 傅允准

(上海工程技术大学 机械工程学院, 上海 201620)

通过搭建毛细管辐射供冷加独立新风系统实验平台,测试了毛细管单独辐射供冷情况下实验房间室内和围护结构温度响应特性和毛细管表面结露特性；在毛细管辐射供冷加独立新风系统在连续运行情况下,测试了室内空气温度和湿度分布均匀性及响应特性。实验测试结果表明:回水温度设定为18 ℃、毛细管单独供冷时,毛细管管壁存在少量结露现象、室内垂直方向存在温度梯度；毛细管辐射供冷加新风系统时,毛细管管壁不会出现结露现象,室内温湿度能够满足实验房间的热湿负荷要求,具有良好的舒适性。

毛细管辐射供冷; 独立新风; 温度响应; 温度梯度; 结露

辐射空调系统较之传统的全空气空调系统,或是风机盘管加新风空调系统,其在提高热舒适性、降低吹风感、简约美观性、声学舒适性等方面具有明显的优势。狄洪发等[1]对辐射吊顶供冷性能的测试表明,毛细管冷吊顶辐射供冷实验房间存在较大温度梯度。于志浩、金梧凤等[2]对毛细管辐射供冷与新风耦合的空调形式进行了数值模拟与实验测试,测试结果是室内工作温差小于3 ℃,满足ISO7730舒适性标准。其他学者对毛细管辐射供冷空调的设计应用以及容易出现的结露等问题也进行了相关的研究工作[3-12]。但是毛细管辐射空调系统发展速度缓慢,并没有被大规模推广应用。究其原因,除了一直困扰毛细管辐射供冷空调的结露问题外,地区气候条件的差异使得对房间的湿度控制变得比较困难。本文针对上海地区夏季气候特点,详细测试分析了毛细管辐射供冷、毛细管辐射供冷加独立新风空调系统在连续运行状况下的工作特性以及供冷房间的温湿度响应特性,以期为该空调系统的工程设计和应用提供有益的参考和借鉴。

1 实验系统

1.1 实验房间

实验房间位于实验楼一层,房间尺寸为(长×宽×高)8 300 mm×4 000 mm×3 100 mm,南墙为外墙,其余为内墙。外窗尺寸(宽×高)为3 760 mm×2 400 mm,厚度为5 mm。毛细管冷吊顶铺设示意图见图1。

图1 毛细管铺设示意图

1.2 房间辐射板设计计算

房间维护结构均与正常办公建筑相似,不具备很好的保温绝热和气密性,室内负荷除了受到室内人员流动以及电脑、电灯等热源影响外,室外温度的变化对房间负荷会有一定影响。系统主要设计参数见表1。

表1 系统设计参数

室内毛细管顶棚铺设最大面积20.52 m2,若取80 W/m2单位换热量,毛细管承担1641.6 W室内显热负荷,新风需承担4311.4 W显热、潜热以及新风负荷。

1.3 新风匹配计算

根据ASHRAE推荐的办公场所新风量标准,实验房间每人的新风量应不少于30 m3/h,实验房间圆形出风口直径为120 mm。

1.4 空调系统

实验采用两套完全独立的空调系统,图2为毛细管辐射供冷空调系统,图3为新风空调系统。风冷热泵机组为毛细管辐射末端提供冷水。毛细管供水温度由空气源热泵机组控制面板进行设定。系统循环水泵为变频泵,本次实验设定其流量为2 m3/h。

图2 毛细管辐射供冷空调系统

图3 新风系统

地源热泵机组为新风系统提供冷源水。地源热泵系统使用4口管径为25 mm、深度为60 m的单U型埋管,和1口管径为32 mm、深度为60 m的双U型埋管。其中新风机组布置在实验房间隔壁机房内。

1.5 测试仪器选择

温度传感器为热电偶和Pt100热电阻。考虑到温度数据采集量较密集且数据量比较大,采用Agilent的34970A数据采集仪器,并通过RS232接口直接与PC机建立通信连接,将采集到的温度数据导出为excel文件并保存。实验中使用的其他测试仪器包括:涡轮流量计,可以现场读取管道水流量；Testo热球风速仪,用于测量实验房间新风机出风口风速。

1.6 室内温度测点布置

为了尽可能详细地得到室内不同区域的温度分布情况,确定室内温度测点位置布置见图4。对图4说明如下:

(1) 外窗以及东、西主墙面1.5 m高度各布置2个测点,共布置6个测点；

(2) 室内水平方向在A、B、C、D、E、F处进行测定,每个测点沿着垂直方向上,分别在地板及0.5、1、1.5、2 m高度处布置温度测点；

(3)A、B、C毛细管附近绝热层处布置3个温度测点,A、B、E、F吊顶下表面处各布置4个温度测点。

此外,毛细管供水和回水管道口,各布置1个温度传感器,数据采集周期为1 min。

图4 温度测量点布置

2 实验测试结果及分析

2.1 毛细管辐射供冷系统性能测试

图5 室内温度响应特性

图6 16 ℃回水温度结露现象

图7 18 ℃回水温度结露现象

通过室内智能控制面板,每次间隔2 ℃设定毛细管回水温度工况,图5给出了16、18、20 ℃ 3种回水温度下房间1.5 m高度处室内温度响应特性,图6和图7为16 ℃和18 ℃回水温度工况下,毛细管管壁结露情况。实验过程中发现,当毛细管回水温度设定为16 ℃时,毛细管表面结露现象严重。回水温度设定值提高后,结露现象明显减弱。同时,由图5可看出:当毛细管回水温度设定为18 ℃时,室内房间温度维持在26.2 ℃左右,能够达到辐射空调舒适度要求,且不会出现明显结露现象。

图8和图9给出了毛细管回水温度设定值为18 ℃时,室内空气和围护结构表面的温度响应特性。由图8可知,室外温度在29.8 ℃～35.9 ℃波动时,窗户表面温度逐渐上升到30 ℃左右,而地板和东西墙面温差较小,在系统运行80 min后,其温度基本稳定在26 ℃左右。由图9可知,在1、1.5、2 m高度方向上存在温度梯度分布,0.5 m高度处的温度因受地面辐射换热影响而略低于1 m高度处的温度。

图8 窗面地板墙面温度分布

图9 室内空气温度梯度分布

图10和图11分别为实验房间毛细管附近绝热层处和冷吊顶下表面温度响应特性。

图10 毛细管附近绝热层处温度分布

图11 吊顶下表面温度分布

由图10可知,各个测点温度随着供回水温度变化而规律波动,其中F和B测点(靠近毛细管进水口侧)的温度比E和A测点略低；B和A测点温度较F和E略高,主要是因为靠近窗户受室外工况干扰的原因。由图11可知,冷吊顶上对称布置的3个测点温差较小,主要是因为吊顶附近空气对流换热影响较大。

2.2 辐射供冷加新风系统测试

新风可以承担室内的湿负荷,降低室内空气湿度。本次实验新风机组开启时,设定毛细管回水温度为18 ℃。

图12为吊顶下表面温度和毛细管供回水温度测试结果,图13为新风出风口温度和地源热泵机组冷冻水供回水温度变化测试结果。

图12 吊顶下表面和毛细管供回水温度分布

图13 新风干湿球温度值

由图12可知,F和E吊顶测定温度由于靠近新风出风口,温度比D测点高。由图13可知，新风机组开机100 min后,新风出风口温度值17.5～21.5 ℃范围内波动,湿球温度值在16.3～20.4 ℃范围内波动。另外，实验结果表明，在开新风的情况下,毛细管管壁未出现结露现象。

图14和图15为测得的房间维护结构和室内空气温度梯度分布曲线。

图14 地面地板窗户温度分布

图15 室内空气温度梯度分布曲线

图14可知,窗面温度受室外温度影响有一定波动,地面以及东西墙面温差很小。由图15可知，室内高度方向上温差很小,白天室内平均温度维持在24.6°左右,600 min以后温度值维持在24 ℃左右。测试结果表明,开新风的情况下,室内空气温度和壁面温度非常接近。

3 结论

(1) 毛细管单独供冷,室内温度负荷能达到设计要求,但室温随供水温度变化具有较大的滞后性,且室内湿度较大。受冷热空气对流影响,室内不同高度方向上存在温度梯度分布。回水温度设定为16 ℃时,毛细管管壁大量结露,回水温度设定为18 ℃时,只有进

水口附近出现少量结露。

(2) 毛细管加独立新风联合供冷,设定毛细管回水温度为18 ℃时,系统连续运行12 h,毛细管表面未出现结露现象。当室外温度在29.8～35 ℃波动时,系统运行稳定后,实验房间室内温度可以维持在24～25 ℃范围内。

(3) 实验过程中发现,无论是毛细管辐射供冷系统，还是独立新风系统,当室内冷湿负荷较小时,地源热泵机组或空气源热泵机组由于供水温度过低容易引起机组的频繁启停,造成供回水温度及室内温度波动,造成不必要的能量浪费,影响机组的使用寿命。

References)

[1] 狄洪发,王伟,江亿,葛庆昆.辐射吊顶的实验研究[J].暖通空调,2000,30(4):5-8.

[2] 于志浩，金梧凤，刘艳超.毛细管网吊顶辐射空调与新风耦合的性能研究[J].绿色科技,2013,11(11):253-257.

[3] Li Qingqing,Chao Chen. Experiment Study of Radiant Ceiling Cooling System Combined with Fresh-air Cooling System[C] //Electric Technology and Civil Engineering. 2011 International Conference Lushan:IEEE,2011:3138-3141.

[4] Murakami K, Mitani Y, Yamada H, et al. Experimental study of a Thermal Radiative Cooling/Heating System for Energy Saving and Power Management[C] //Power and Energy Engineering Conference. 2012 Asia-Pacific Shanghai:IEEE,2012:1-4.

[5] Chiang Weihwa,Huang Jiansheng,Huang Yenhsiang. Effect of Inlet Water Temperature and Flow Rate on Cooling Effciency of a Radiant Ceiling System in Taiwan[C] //Energy and Sustainable Development:Issues and Strategies.2010 Proceedings of the International Conference Chiang Mai:IEEE,2010:1-10.

[6] 熊帅,汤广发,杨光,等.辐射冷吊顶/ 独立新风系统的技术研究与可行性分析[J].制冷与空调,2006,6(4):34-38.

[7] 何婧,沈晋明,寿青云,等.独立新风与辐射供冷系统防结露问题探讨[J].暖通空调,2008,38(6):159-162.

[8] 傅允准,蔡颖玲,姜小敏.地源热泵和毛细管吊顶辐射采暖系统启动过程联合供热特性试验研究[J].制冷与空调,2010,38(12):49-53.

[9] 孟召贤,余跃进,周蓓.地源热泵和毛细管网辐射系统在别墅中联合应用的探讨[J].制冷与空调,2009,23(5):102-104.

[10] 陶红髓,翁文兵,刘峰毛细管辐射空调系统简介及设计要点分析[J].建筑节能,2009,9(37):29-31.

[11] 金梧凤,余铭锡,金光禹.毛细管网系统供冷性能的实验研究[J].暖通空调,2010,40(9):102-106.

[12] Miriel J, Serres L,Trombe A. Radiant ceiling panel heating-coling systems:experimental and simulated studyof the performances,thermal comfort and energy consumptions[J].Applied Thermal Engineering,2002,22(16):1861-1873.

Cooling performance experimental study of capillary radiation and dedicated outdoor air system

Liu Qianlong, Fu Yunzhun

(School of Mechanical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620, China)

The experimental platform of the capillary radiation cooling and dedicated outdoor air system is built. In the condition of the capillary alone radiant cooling, the indoor and envelope temperature response of the experimental room is tested. Further, under continuous operating the capillary radiation cooling and dedicated outdoor air system, the distribution uniformity and response characteristic of the indoor air temperature and humidity are tested. The experimental results show that when the return water temperature is set to 18 ℃,in the condition of capillary cooling alone,there is a small amount of condensation in the shell of the capillary and temperature gradient in the vertical direction of the interior; then capillary radiation cooling combined with an dedicated outdoor air, the condensation phenomenon dose not happen in the shell of the capillary, and the indoor air temperature and humidity can meet the heat and moisture load requirements of the experimental room. The capillary radiation cooling and dedicated outdoor air system has a good comfort.

capillary radiation cooling; dedicated outdoor air; temperature response; temperature gradient; condensation

2014- 11- 05 修改日期：2014- 12- 31

上海工程技术大学“十二”五内涵建设项目(nhky-2012-05)；上海工程技术大学学科内涵建设与发展项目(14XKCZ12)

刘前龙(1988—)，男，安徽阜阳，硕士研究生，主要从事温湿度独立空调系统研究

E-mail：liuming2049@163.com

傅允准(1978—)，男，浙江平阳，博士，副教授，研究方向为热泵技术及建筑节能.

E-mail：Fuyunzhun@126.com

TU831.3

A

1002-4956(2015)7- 0058- 05