重力柜联合辐射吊顶运行特性研究

金梧凤 赵 田 王志强

（天津商业大学，天津市制冷技术重点实验室 天津 300134）

引言

随着我国生活水平的提高，辐射空调作为一种高效、节能的空调方式，被越来越多的应用在建筑中[1-4]。然而，辐射空调系统存在由于辐射表面易结露导致其制冷能力不足的缺点，当因某种原因，室内显热负荷突然增大时，辐射空调系统无法保证室内热舒适的环境，需要补助制冷方式进行降温处理[5,6]。

高志宏等[7]研究发现辐射空调的供冷能力与安装形式、室内温度、供回水温差有关。杨莹超[8]通过实验与模拟相结合的手段，研究辐射空调自身因素对制冷能力的影响。胡小倩[9]重点研究了辐射供冷与置换通风复合系统的室内热环境及供冷特性。吴倩芸等[10]针对全天负荷变化较大的建筑提出一种辐射与对流耦合系统，夜间负荷低时由独立新风与辐射顶板承担，白天负荷较大时采用风机盘管作为补冷设备。何中凯等[11]梳理了影响毛细管网辐射空调系统的供冷能力的主要因素，提出通过合理降低供水温度提高其供冷能力，加大抹灰厚度可提升辐射面温度的均匀性。黄小军等[12]研究了太阳辐射对辐射顶板供冷能力的影响。综上所述，目前对辐射空调的研究主要从其本身的供冷能力出发，关于辐射空调补冷设备的研究较少。因此，笔者通过试验研究的方法对重力柜与辐射吊顶联合运行时室内温度分布情况进行研究，并对影响重力柜供冷能力的影响因素进行分析，为补助制冷装置重力柜的应用提供依据。

1 试验介绍

在试验规定的工况下，对重力柜与辐射吊顶联合运行时的室内温度的分布情况进行研究，从而判断重力柜作为辐射吊顶补助制冷装置的制冷效果。试验主要的测试参数有室内空气温度，以及按区域划分的不同位置的温度分布，进而对空气温度是否下降到设定温度，靠近重力柜附近区域的垂直温差是否满足人体舒适度要求，以及水平方向上温度是否均匀进行分析。

1.1 试验台介绍

试验房间布置如图1所示，试验台房间尺寸为5 m×3 m×2.3 m，房间南墙为实验室的外墙。辐射吊顶尺寸为1.5 m×0.8 m×0.04 m，共计9块。实验室为置换通风系统，新风口和排风口布置于东墙和吊顶。根据设计要求，所选重力柜尺寸为1.2 m×0.15 m×1.9 m，其送风口和回风口尺寸均为1 m×0.1 m。重力柜内部安装有3排毛细管网，贴壁面处布置的毛细管网由16 ℃的高温冷水管构成，而另外2排被安置在重力柜内部的毛细管网则由7 ℃的低温冷水管构成，网排间距为30 mm，毛细管网尺寸为1.5 m×1.0 m。此外，构成内置毛细管网的毛细管均为U10型，外径为4.3 mm，壁厚0.9 mm。

图1 试验台布置

1.2 重力柜联合辐射吊顶运行模式

重力柜与辐射吊顶联合运行时，须首先保证辐射吊顶能够发挥其制冷能力，重力柜作为其补助制冷设备，壁面毛细管高温冷水管不运行。当室内温度高出设定温度0.2 ℃时，重力柜内低温冷水管运行；当室内温度较设定值低0.2 ℃时或者重力柜壁面温度较露点温度高2 ℃时，重力柜停止供冷。

1.3 试验条件

由于本次试验主要研究重力柜与辐射吊顶联合运行时室内温度分布情况，且考虑毛细管网中为7 ℃低温冷水，以及辐射吊顶结露问题，故研究工况为室内空气干球温度与室内空气设定温度差值大于0.5 ℃，小于2 ℃时的情况，湿度设定为50 %，并结合试验条件，设定室内温/湿度为23 ℃/50 %。试验条件如表1所示。

表1 试验条件确定

1.4 测点布置

试验测点布置如图2和图3所示，图2所示为x-y平面上测点水平分布图，图中a，b，c分别为距离重力柜0.3 m，0.8 m和2 m距离处的截面，即x=0.45 m处截面，x=0.95 m处截面和x=2.15 m处截面；左，中，右分别为重力柜左侧，中间和右侧截面。图3所示为y-z平面上测点分布图，共计45个温度测点。选用横河MX100采集房间不同位置热电偶信号。

图2 测点水平分布图

图3 测点垂直分布图

1.5 试验结果及分析

在规定工况下，对重力柜与辐射吊顶联合运行时的室内温度分布进行分析，试验结果如图4～图6所示。

图4 x=0.45 m处截面上测点温度分布图

图5 x=0.95 m处截面上测点温度分布图

图6 x=2.15 m处截面上测点温度分布图

由图4～图6可以看出各个测点温度分布在（23～24.01）℃之间，在设定温度允许误差范围内。在相同高度和距离重力柜相同距离处，由于重力柜左侧截面处有人体热源，故此处温度最高，其次是重力柜右侧截面上各测点温度，重力柜中心位置截面上各测点温度最低。并且不同高度的水平面上温差均在0～0.31 ℃范围内，可认为温度分布近似均匀。

由图4～图6所示，在距离重力柜不同距离处，重力柜左侧截面，中心位置和右侧截面处均具有相同的变化趋势，在0.1～1.5 m的高度范围内温度逐渐上升，1.5～1.9 m范围内温度逐渐下降。出现这种现象的原因是：由于重力柜出风口在下方，故距地面0.1 m位置温度最低，随着室内热源的加热，温度逐渐升高，在高度为1.5 m的位置，室内温度达到最大值。辐射吊顶同时向室内供冷，所以温度又随着高度的升高逐渐降低。x=0.45 m处截面由于靠近重力柜，在高度0.1 m处的初始温度较低，故温度变化斜率较大。根据ASHRAE手册[13]中人体热舒适性标准的要求，一般垂直温差应小于3 ℃，试验中各个截面处最大垂直温差为0.6 ℃，即各个测点的垂直温差均在要求范围内。

综上，重力柜与辐射吊顶联合运行时，不同断面位置垂直温差以及靠近重力柜区域温度均满足人体要求，水平温度分布近似均匀。

2 模拟研究

通过前述分析得到重力柜作为补助制冷装置与辐射吊顶联合运行时室内温度能够达到设定温度要求，进一步通过模拟的方法对影响重力柜毛细管网供冷能力的影响因素进行研究，为提升重力柜的供冷能力提供依据。

2.1 模型建立

2.1.1 三维物理模型

依据前述试验台参数建立三维模型，假设向室内传递的热量主要是维护结构得热以及室内模拟人员散热，提供冷量的末端主要有吊顶辐射板和重力柜。省略室内人员、设备等模型的建立，简化为白炽灯作为室内的热源，加湿器模拟室内的散湿情况，不存在其他障碍物，并做出如下假设：室内气体为稳态、不可压缩流体。

2.1.2 数学模型

假定室内气体为稳态，不可压缩流体，在模拟中采用浮力模型，气体流动为湍流流动。采用Fluent软件进行模拟：采用k-ε湍流模型作为湍流附加方程，并采用低雷诺数法解决近壁处流动为层流状态的问题，对质量、能量方程联合求解，得到室内温度场。

2.2 边界条件

1）数值模拟过程中，为了简化计算过程，根据围护结构的面积，将房间的得热量设定为1 200 W，热释放率为34 W/m3。

2）毛细管重力循环柜入口、出口处均采用压力边界条件，新风系统送风入口采用速度入口，送风出口为压力出口边界条件。

3）由于距离重力柜不同位置温度不同，考虑到浮升力项和重力作用，认为气流的密度变化符合Boussinesq假设。实验室南墙为建筑承重墙，其传热系数为1.5 W/（m2·K），其余墙体及重力柜外壳均设为绝热边界条件。

2.3 模型准确性验证

为验证建立模型的准确性，选取距离重力柜0.55 m，1.35 m，2.15 m的截面，即 x=0.7 m，x=1.5 m和x=2.3 m截面，将试验得到的数据与模拟结果进行对比分析，由试验结果得：在同一截面处，在同一截面处，不同点的温度基本一致，所以在模型验证时一个高度仅选取一个点进行分析。由于沿y方向划分的重力柜右侧截面位置温度受太阳辐射以及重力柜影响最小，故模型与试验均选取重力柜右侧截面与x=0.7 m，x=1.5 m和x=2.3 m截面的交线上的点的温度进行分析。结果如图7所示。

图7 试验值与模拟值对比图

由图7可以看出，试验值和模拟值总体趋势保持一致，但之间仍存在一定的误差，在离地面较近的位置两者吻合性较好，随着高度的增加，模拟得到的温度普遍要高于试验得到的温度，在距离重力柜水平距离0.7 m截面1.1 m高度处的模拟值与试验值误差最大，为0.13 ℃，相对误差在5 %以内，可验证所建立的数学模型具有较好的准确性。产生误差的主要原因是置换通风作用的影响，设计工况下置换通风不承担室内负荷，而在试验中由于短时间内温度没有下降到设定的温度范围内，导致置换通风承担了部分负荷，试验温度值低于模拟温度值，且又存在测试系统精确度、试验操作误差等问题，因此存在一定的偏差是合理的。

2.4 模拟结果分析

采用ASHRAE手册[13]中规定的辐射空调供冷量的计算方法对重力柜产生的辐射换热量进行计算，运用自然对流公式计算重力柜自然对流换热量。

计算单位面积辐射壁面总供冷量为：

式中：

q—单位面积辐射壁面板总供冷量（W/m2）；

qr—单位面积辐射壁面辐射供冷量（W/m2）；

qc—单位面积辐射壁面对流供冷量（W/m2）。

计算单位面积辐射壁面辐射供冷量为：

式中：

AUST—平均辐射温度（℃）；

tb—辐射壁面表面温度（℃）。

计算单位面积辐射壁面对流供冷量为：

式中：

ta—室内空气温度（℃）。

计算自然对流换热量：

式中：

Q—自然对流换热量（W）；

c—空气平均比热容（J/（kg·K））；

m—空气质量流量（kg/s）；

Δt—重力柜上下出风口温差（K）。

2.4.1 毛细管网管间距的影响

分析重力柜内毛细管对供冷能力的影响，分别研究毛细管间距为30 mm，20 mm和10 mm时重力柜所能提供的冷量，重力柜送风口温度变化如表2所示。

表2 毛细管间距变化时重力柜送风口温度

由表2可知，重力柜送风口温度随着毛细管间距的减小而减小，重力柜内毛细管间距分布为30 mm，20 mm和10 mm时，送风口温度分别为24.1 ℃，23.7 ℃和23.04 ℃，提供的总供冷量分别为197.4 W，218.4 W和249.7 W，单位面积供冷量分别为243.67 W/m2，207.38 W/m2和176.13 W/m2。可以看出，随着毛细管间距的减小，毛细官网总面积增大，重力柜总供冷量逐渐上升，出风口温度和单位面积供冷量逐渐下降。毛细管网管间距由30 mm变为20 mm以及由20 mm变为10 mm时提升的总供冷量变化速率约为2.10 W/mm和3.13 W/mm，随着管间距的减小，总供冷量的上升速率逐渐增大。

2.4.2 毛细管网管排数的影响

毛细管网管间距为20 mm时，对毛细管网管排数为1排，2排和3排，排间距为30 mm时重力柜供冷能力进行分析，重力柜送风口温度如图8所示。

图8 重力柜送风口温度随毛细管网排数变化

由图8可以看出，毛细管网管排数分别为1排，2排和3排时，送风口温度分别为23.7 ℃，22.3 ℃和19.7 ℃，对应的总供冷量分别为218.4 W，430.1 W和737.6 W，重力柜提供的总供冷量显著上升，单位面积供冷量分别为 207.38 W/m2，204.2 W/m2和 233.46 W/m2。管排数为1排和2排时，每排管能提供的总供冷量和单位供冷量相近，而当管排数由2排增加到3排时，单位面积供冷量显著提升，增加的供冷量约为 9.26 W/m2。

2.4.3 毛细管网安装距离的影响

分别对重力柜内毛细管网为1排以及毛细管网为3排时，毛细管网与后壁面的距离对重力柜供冷量的影响进行研究。重力柜内1排毛细管网，毛细管网与后壁面距离分别为20 mm，60 mm和120 mm时，送风口温度分别为24.1 ℃，23.7 ℃和24.2 ℃，总供冷量分别为201.4 W，218.4 W和195.3 W，单位面积供冷量分别为191.2 W/m2，207.38 W/m2和185.44 W/m2。重力柜内3排毛细管网，排间距为30mm且毛细管网与后壁面距离为20 mm，30 mm和40 mm时，送风口温度分别为19.7 ℃，19.6 ℃和19.8 ℃，温度相差不大，总供冷量分别为737.6 W，741.2 W和730.2 W，单位面积供冷量分别为233.46 W/m2，234.6 W/m2和231.11 W/m2。毛细管网与后壁面距离间距为30 mm时，重力柜总供冷量达到最大，分析其原因，这是由于此时管网前后两侧气流流动空间较大，且空气分配较均匀。综合分析可得，重力柜内毛细管网安装距离对重力柜供冷量影响不大。

3 结论

1）重力柜作为补助制冷设备与辐射吊顶联合运行时，室内温度下降到设定温度允许误差范围内。室内垂直温差最大为0.6 ℃，小于3 ℃，水平温差最大为0.31 ℃，满足人体要求。

2）重力柜与辐射空调联合运行时，重力柜出风口附近区域表面温度较低，由于地面具有蓄冷作用，所以可以通过辐射、对流形式消除部分室内负荷。

3）重力柜内单排毛细管网时，毛细管间距越小，相应的毛细管数增多，总供冷量越大，单位供冷量下降；重力柜内毛细管网管排数对供冷量影响最大，当管排数由2排增加到3排时，单位面积供冷量显著提升，增加的供冷量约为29.26 W/m2；毛细管网与后壁面距离对供冷量的影响最小，改变毛细管网安装距离，总供冷量和单位面积供冷量基本保持不变。