杨绘干，韩志涛，刘 迪，曹嘉恺，刘安琪，蔡馨蕊
(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)
1 概述
辐射供冷空调系统运行时室内空气温度比较稳定，垂直温差低，换热过程无吹风感和噪声，因而热舒适性高。同时采用高温冷水作为冷源，运行时制冷机组COP较高，具有节能环保的特点。经过设计的辐射板还可以与建筑装饰相结合，达到美观实用的效果。因此近年来辐射供冷空调得到了广泛的应用，很多学者也开展了相关研究。文献[1]开展了顶棚辐射供冷与新风联合系统空气品质实验研究。文献[2]阐述了一套计算辐射供冷房间冷负荷的计算方法。文献[3]通过实验研究冷辐射板表面快结露时，冷冻水阀门调节模式对冷辐射板的防结露效果、制冷能力和室内热舒适性的影响。文献[4]分析了温度均匀分布辐射冷顶板的传热特性。还有的学者开展了变风量送风结合辐射吊顶供冷实验[5]。
综上所述，辐射供冷的研究热点主要涉及防结露技术，室内舒适性提升技术以及冷辐射板供冷调控等方面。目前，冷辐射板是辐射供冷末端常见形式，通常有整体式、贴附式和悬挂式三类[6]。随着各种类型产品的开发，其供冷性能指标成为其工程应用选型的一个重要依据。本文研制了一种沟槽充液式吊顶冷辐射板，为了研究这种新型冷辐射板的性能开发了一种利用北方冬季室外低温环境作为冷源的辐射板供冷性能测试的实验系统。该实验系统不使用冷水机组作为人工气候小室和辐射供冷的冷源，可大幅度降低实验费用。
2 实验模拟系统的组成
本文中辐射空调系统的冷源来自于北方地区冬季室外低温环境，这样可以不使用冷水机组，一方面简化了实验系统设备及安装的初投资，也体现了实验过程节能环保的理念，是值得推广和实践的实验设计方法。本实验系统由4部分构成：1)系统冷源及换热调温水箱；2)人工气候小室及小室环境调控装置；3)实验用沟槽充液式冷辐射板；4)实验数据采集记录装置。实验系统图如图1所示。
2.1 系统冷源及换热调温水箱
实验系统冷源获得方法：使用20个PE材质贮水瓶，内部充注纯净水，将这些贮水瓶置于北方冬季的室外环境，冷冻成冰块后放到贮有50 L的储水箱中，通过换热获得水温为0 ℃～3 ℃的冷水作为辐射空调系统的冷源。为了获得所需温度的冷媒水(14 ℃～20 ℃)，当冷水箱内冷媒由于承担辐射板负荷而温升到控制温度时，温度控制开关自动启动换热水泵，通过换热盘管使冷水箱内冷媒水与系统冷源储水箱换热，从而实现冷水箱内辐射板供冷水水温恒定在所控范围。
2.2 人工气候小室及小室环境调控装置
人工气候小室按5∶1的缩尺模型建造，小室尺寸为1 600 mm×1 200 mm×900 mm(长×宽×高)，结构材料使用厚度为17 mm的高密度板，小室外部包裹厚度为20 mm的橡塑保温材料。小室内壁表面贴有调温电热膜，电热膜外表面贴有壁纸，通过控制电热膜的加热量控制壁纸表面温度，从而模拟夏季室内墙壁表面温度变化的实际工况。
2.3 实验用沟槽充液式冷辐射板
实验用沟槽充液式冷辐射板为单板结构，由厚度为1 mm的合金铝板焊接而成，辐射板尺寸为700 mm×500 mm×60 mm(长×宽×高)，辐射板内部共有9个沟槽，每个沟槽由高度为30 mm，底边长为78 mm的等腰直角三角形铝板组成。辐射板内每间隔一个沟槽，布有直径为6 mm铜管作为辐射板内换热盘管。为了使辐射板有更好的蓄冷性能，以及换热铜管与辐射板间更好的传热，实验时将辐射板内部充注纯净水。人工小室内的辐射板供回水通过PPR管与冷水箱连接，连接管路上设有循环水泵和流量调节阀。
2.4 实验数据采集记录装置
实验数据采集设备是安捷伦34980A，并通过台式机电脑实时动态采集记录实验数据。实验中各温度测点的布置：人工气候小室内总计布有21个温度测点，采用PT100热电阻温度传感器,测温精度为±0.1 ℃。温度测点包括小室墙壁表面8个测点，地板表面温度2个测点，辐射板表面6个测点，模拟人体头部、腰部、踝部3测点，辐射板供、回水水温2个测点。
3 实验方案设计
辐射板的供冷性能与其冷媒流量正相关，实验中通过调节流量开关，设置两组不同辐射板冷媒供回水流量：0.026 L/s，0.039 L/s。本实验中辐射板冷媒水流量较常规实际工程辐射板冷媒水流量高约1倍～1.5倍[7]符合相关的辐射板制冷国家规范，这样设计可以缩短辐射制冷的启动时间，同时可以加快辐射板蓄冷过程。人工气候小室内的加湿器将室内相对湿度(RH)分别控制在50%±5%，60%±5%，70%±5%，小室中心空气温度控制在29 ℃±0.5 ℃，30 ℃±0.5 ℃，31 ℃±0.5 ℃三个温度范围，符合实际的辐射板制冷运行工况。根据所设计的工况可以考察辐射板冷媒流量、室内空气温度以及相对湿度这三个主要指标变化对沟槽式辐射板的供冷性能的影响。实验设计时通过以上三个参数变化组合，共测试了18个工况。
4 实验结果及实验改进
现以代表性工况2(RH50%)、工况5(RH60%)、工况8(RH70%)为例进行分析，这三个工况的供回水流量都是0.026 L/s，小室空气温度均为30 ℃(35 cm温度测点)。考虑到三个工况的供冷时长均为1 h，为了反映辐射板稳定供冷时的性能，去掉了300 s以前采集的数据。表1给出这三个工况下实验数据，主要是小室围护结构内表面温度，辐射板供冷时表面平均温度，辐射板的供冷量等。实验中通过控制小室壁面电热膜的加热量保持壁面温度为29.5 ℃～32.5 ℃，以此模拟实际房间的得热量。地板温度控制范围是24.1 ℃～26.2 ℃，主要考虑到实际房间地板通常不构成热源，故没有进行地板加热设计。辐射板的进、出水水温控制17.94 ℃～19.31 ℃，进、出口水温差在0.59 ℃～0.78 ℃之间。在此条件下，工况2、工况5、工况8的单位面积供冷量(按垂直方向投影面积计算，且折算成标准流量)分别是73.2 W,90.2 W和97.2 W，与普通金属辐射板供冷能力相当。由表1的工况2与工况3数据比较可以看出，当辐射板表面温度相同时，沟槽式辐射板的供冷能力主要与围护结构表面温度有关，当围护结构表面温度提高2.1 ℃～2.5 ℃时，辐射板的供回水温差加大，工况5的单板供冷量较工况2提高约23%。
表1 工况2、工况5、工况8的实验数据(部分)
图2～图4给出了辐射板在工况时辐射板表面14～19温度测点以及板入口和出口温度的变化值。
由图2～图4可见，对于三个工况，在实验时间内，沟槽式辐射板供回水温差均保持较稳定。辐射板表面各测点的温度值随供回水平均温度的升高而升高。在各工况下，同一时刻板间各测点温度差值较明显，反映出沟槽式辐射板表面仍然存在较大的温度不均匀性。对于14～19各测点，工况2、工况5、工况8板间最大温差分别是2.36 ℃，2.3 ℃和2.1 ℃。
工况2、工况5、工况8对应的室内的空气温度均为30 ℃，在实验中对沟槽式辐射板的结露情况进行了观察。实验结果表明RH在45%～55%时的(工况2)辐射板的板表面没有结露，RH在55%～65%时的(工况5)辐射板的板表面有轻微结露，当RH在65%～75%时，辐射板的板表面结露情况比较严重，但无露水从沟槽式辐射板上掉落。
为了考察沟槽式辐射板供冷时室内垂直方向的温度变化，根据相似理论，在缩尺模型下，本文实验测定了同一流量(0.026 L/s)下，辐射板供冷的9个工况时的小室地板0 cm,2 cm处(模拟实际情况10 cm处)，22 cm处(模拟实际情况1.1 m处)，35 cm处(模拟实际情况1.75 m处)的空气温度。获得的实验数据如表2所示。
表2 工况1～工况9人工气候小室垂直方向各测点温度变化值
由实验数据可以得出，沟槽式辐射板供冷的小室内22 cm测点处的温度与35 cm测点处的温度差相差不超过0.6 ℃。这种工况相当于实际房间内采用本文的沟槽式辐射板供冷时，人员活动区域内垂直方向上温度梯度小于3 ℃/m，符合ISO 7730 标准。考虑到本实验中地板表面温度较低，实际上起到了对其表面附近的空气及物体进行供冷的作用，因此本实验中，小室内垂直方向上温度场受多因素影响，其温度数值不能完全反映沟槽式辐射板的热舒适性能，相关实验设计还有待于完善。
5 结语
本文利用北方冬季室外低温环境的天然冷源，所开发的辐射板供冷性能测试的实验系统，可以较好的完成辐射板供冷性能实验，并大幅度降低实验费用。本实验中采用的沟槽式辐射板具有较稳定的供冷性能，单位面积供热量为70 W～100 W。辐射板壁面各测点最高温度与最低温度的差值均不超过2.5 ℃，表明该辐射板表面温度分布较均匀。采用本辐射板供冷的人工气候小室室内空气温度场满足室内热舒适性标准。
