吊装石墨辐射板热性能实验研究及舒适性评价

周婉茹 任豪 袁涛 李禹 刘靖

1 河南理工大学土木工程学院

2 中国建筑科学研究院有限公司

3 江苏碳元绿色建筑科技有限公司

辐射板供冷（暖）系统在提高室内空气质量和节能方面独具优势，目前国内外对辐射板的研究集中于对辐射板换热[1-4]及热舒适性[5-8]影响因素，新型辐射装置[8-9]的探究。石墨辐射板作为新型的空调末端装置，匀热性好、辐射能力强，能够有效节能并减少安装面积。但石墨辐射板的应用仍采用估算指标，没有准确的热性能参数，容易导致安装面积过大的问题，这与其节能性及舒适性的理念背道而驰。本文以石墨辐射板为研究对象，在以《辐射供冷及供暖装置热性能测试方法JG/T403-2013》搭建的实验平台上，按照国家标准测试要求对吊装石墨辐射板进行夏季供冷和冬季供暖的实验测试。根据实验数据对其舒适性及热工性能进行分析，为石墨辐射板的可持续推广应用提供数据指导。

1 实验方案

石墨辐射板的实物图如图1 所示，石墨辐射板内部U 型管道材料为铜，外部包裹材料是均热性好、辐射性能强的石墨层，铜管内部换热工质采用低温水。单块石墨板规格为1220 mm×390 mm，石墨板内部U型金属管内径9.5 mm。辐射供冷及供暖末端主要由石墨辐射板和上下模拟结构板组成，通过下部模拟结构板向室内辐射冷量或热量，达到向房间内供冷或供暖的目的。

图1 石墨辐射板实物图

本实验以16 块石墨辐射板作为测试对象，采用吊顶安装方式，进行石墨辐射板的热工性能实验。石墨辐射板采用10 mm 普通塑料管连接，每4 块单板串联为一组，组与组之间以同程式并联连接，布置方案如图2 所示。

图2 石墨辐射板连接安装示意图

石墨辐射板的测试实验平台是以《辐射供冷及供暖装置热性能测试方法JG/T403-2013》搭建的实验平台，位于常州市。该辐射板实验平台的测试系统主要由内外小室、冷却壁面的温度处理装置、供给测试样品能量的冷（热）媒循环系统和控制用仪表组成。其中外室尺寸为5.2 m×5.2 m×4 m（长×宽×高），其顶板和底板依托建筑的顶面和底面结构（层高4 m），四周围护结构均采用100 mm 厚的双面彩钢聚氨酯板，在其中一面安装保温密封门并在门上设置双层玻璃观察窗。内室尺寸为4.2 m×4.2 m×3 m，是由304 不锈钢搭建的金属闭式小室，门的位置与聚氨酯外室保温密封门位置相对应，外室和内室之间构成夹层，如图3 所示。夹层中每个侧面，金属小室每个内壁面中心，金属小室内竖直中轴线上以及辐射板表面，上下模拟结构板表面都布置有相应的温度测点，以便实时监测温度调整工况以及进行热工计算及热舒适性分析。实验测试精度按照JG/T403-2013 要求，壁面温度波动范围为±0.5 ℃，相对湿度波动范围为±5%，供冷基准点温度与其平均值之间波动范围为±0.1℃，供水温度波动范围为±0.2℃，不同工况间供冷基准点温度波动范围为±1 K，不同工况间质量流量波动范围为±1%。

图3 辐射装置测试系统立面图

2 实验原理

2.1 单位面积供冷量的测量计算

通过测量流过测试样品的冷（热）媒质量流量和测试样品进出口焓差来确定的。该系统的冷（热）媒工质为水，由辐射供冷及供暖装置的水系统提供。单位面积供冷量q 的计算公式如下：

式中：S 为石墨辐射板的投影面积，m2；Q 为石墨辐射板总的供冷(热)量，W。

石墨辐射板总的供冷（热）量为：

式中：G 为换热工质水的流量，kg/h；h1为低温水的进口比焓，kJ/kg；h2为低温水的出口比焓，kJ/kg；ps为标准大气压，取101.3 kPa；p 为实测大气压，kPa。

低温水的进出口比焓的计算以低温水进出口温度t1、t2为依据，采用式（3）进行计算：

2.2 反向传热量的计算

吊装辐射板的总传热量包括顶部和底部的传热量，反向传热量是辐射供冷及供暖装置损失的热量，反向传热量不宜过大，一般占供冷量的10%～20%，反向传热量占比过大会导致供暖或供冷效率的降低。反向传热量Qr计算公式如下：

式中：tn为模拟结构板内表面平均温度，℃；tw为模拟结构板外表面平均温度，℃；R 为模拟结构板热阻，(m2·K)/W；S 为石墨辐射板的投影面积，m2。

2.3 标准特征公式的拟合

通过测试样品的供冷（热）量和过余温度有关的参数，建立测试样品供冷（热）量的标准特征公式。供冷（热）量特征公式的确定至少要在过余温度分别在15.5 K±2.0 K，19.5 K±1.0 K 和28.5 K±2.0 K 三个工况测试的基础上进行。供冷（热）量特征公式的确定至少要在过余温度分别为11.0 K±2.0 K，8.5±1.0 K 和6.5 K±2.0 K 三个工况测试下基础上确定。

供冷量标准特征公式：

供热量标准特征公式：

式中：Qsc为测试样品标准供冷量，W；Qsh为测试样品标准供热量，W；KM、n 是常数，通过最小二乘法求得；ΔT 为过余温度，K。

过余温度计算公式如下：

式中：tr为室内基准点温度，℃。

3 实验结果

3.1 室内温度分布

图4～5 显示了采用石墨辐射板时制冷工况及供暖工况下的室内温度分布。供水温度为15～20 ℃的六种制冷工况下，距地面高度0.1～1.7 m 之间的最大垂直温差为2 ℃，温度先升高再降低，在1.5 m 附近温度上升幅度最大，但差值小于2 ℃。供水温度为36～40 ℃、47 ℃、48 ℃、49 ℃的六种供暖工况下，距地面高度0.1～1.7 m 之间的最大垂直温差为1.17 ℃，温度先降低再升高，同样在1.5 m 附近温度上升幅度最大，但差值小于1.2 ℃。室内垂直温度测点可以反映温度的分层问题，感知温差过大会引起人体的不适，特别是头部上下的温差不适感最强。石墨辐射板供冷（热）的垂直温差均小于标准规定值3 ℃，负荷人体热舒适指标。

图4 制冷工况室内温度垂直分布图

图5 供暖工况室内温度垂直分布图

3.2 房间围护结构内表面温度，黑球温度与空气温度的关系

制冷工况下，室内基准点空气温度与围护结构内表面温度差值为1.9～3.6 ℃，黑球温度与空气温度温差为0～0.08 ℃，而与围护结构内表面温差为2.0～3.6 ℃。供暖工况下，室内基准点空气温度与围护结构内表面温度差值为2.1～4.7 ℃，黑球温度与空气温度的温差为0.4～0.8 ℃，而与围护结构内表面的温差为2.7～5.5 ℃。温度差值均处在建筑热工对房间热舒适性要求的范围之内，黑球温度与空气温度的差值小于黑球温度与围护结构内表面温度的差值，表明使用石墨辐射板供冷（暖）时人体受到围护结构冷辐射的影响较小[8]，如图6 所示。

图6 围护结构内表面温度，黑球温度与空气温度

3.3 辐射板单位面积供冷/暖量与过余温度的关系

过余温度指进出水口温度的均值与室内基准点温度的差值，单位面积的供冷量或供暖量都随过余温度的增大而增大。本实验研究的石墨辐射板在标准的制冷工况下，单位面积制冷量为67.84 W。标准供暖工况下，单位面积供暖量为162.99 W。根据数据进行拟合公式计算，得出单位面积的供冷量与过余温度呈现出y=8.28342x0.98224的特征公式。单位面积的供暖量与过余温度呈现出y=2.99315x1.23497的特征公式，均具有较好的相关性（图7）。

图7 辐射板单位面积供冷/暖量与过余温度的关系

3.4 供水温度对石墨辐射板换热性能的影响

图8 显示了供水温度从15 ℃升高至20 ℃时，辐射板表面温度场和辐射板单位面积制冷量的拟合曲线图。图中可以清晰看出供水温度20 ℃与15 ℃相比，辐射板表面温度上升幅度为2.61 ℃，辐射板表面极差（辐射板表面温度与供水温度的差值）则由4.8 ℃下降到2.5 ℃。根据辐射供冷公式计算单位面积供冷量可得，供水温度为15 ℃时比供水温度为20 ℃时石墨辐射板的单位面积供冷量增大了32.61 W/m2。图9 显示了供水温度从36 ℃升高至50 ℃时，辐射板表面温度场和辐射板单位面积供暖量的拟合曲线图。图中可以清晰看出供水温度50 ℃与36 ℃相比，辐射板表面温度上升幅度为9.29 ℃，辐射板表面极差（辐射板表面温度与供水温度的差值）则由7.6 ℃上升到11.4 ℃。根据辐射供冷公式计算可得，供水温度为50 ℃时比供水温度为36 ℃时石墨辐射板的单位面积供暖量增大了84.51 W/m2。可见供水温度对石墨辐射板单位面积供冷（暖）量的影响相当大，石墨辐射板单位面积供冷量随供水温度的减小而增大，石墨辐射板单位面积供暖量随供水温度的增大而增大。

图8 制冷工况辐射板表面温度分布

图9 供暖工况辐射板表面温度分布

4 结论

1）室内垂直温度曲线表明，在垂直方向上温度与高度并不呈现正相关关系，采用石墨辐射板供冷（暖）可以满足室内温度分层的人体热舒适指标。

2）黑球温度与空气温度的差值小于黑球温度与围护结构内表面温度的差值，表明石墨辐射板供暖时人体受到围护结构冷辐射的影响较小，且温度差值均符合建筑热工对房间热舒适性要求。

3）供水温度对石墨辐射板单位面积供冷（暖）量的影响很大，供暖工况供水温度36 ℃到50 ℃，单位面积供暖量相差84.51W/m2。供冷工况供水温度20 ℃到15 ℃，单位面积供冷量增大了32.61 W/m2。

4）石墨辐射板单位面积的供冷（暖）量与过余温度呈现正相关关系，单位面积的供冷量与过余温度符合y=8.28342x0.98224的特征公式。单位面积的供暖量与过余温度符合y=2.99315x1.23497的特征公式。