指向型热辐射装置热性能试验研究

戴博斌， 马景辉

（浙江理工大学建筑环境与能源应用工程系，杭州 310018）

0 引言

现代都市的生活，人们大部分时间在建筑物中度过，期望获得令人满意的室内热舒适环境［1］。然而，由于建筑围护结构的表面温度不同，即使在室内空气温度均匀分布的条件下，人体的不同身体区域也经常暴露在不对称辐射热环境中［2-5］。由于人体的整体热舒适与局部热感觉密切相关，许多学者为改善室内不对称热环境下的人体热舒适做出各种努力。Zhang等［6］通过冬季办公室的个人暖脚器实验，提出在“较低的供暖设定温度加上居住者可控制的暖脚器”，与“较高的供暖设定温度而不使用暖脚器”的条件相比，人体可以达到同等的热舒适，且节能效果显著。Akimoto等［7］研究了冬季相邻工作站的局部通风设备对人体热舒适的影响。结果显示，通过调整局部通风系统的送风量和送风方向，人体能够保持几乎相同的整体热舒适。Zeiler等［8，9］通过辐射热灯照射手部的实验，通过适当提高指尖温度能够使整体热感觉达到中性。

综上所述，现有的研究主要集中在利用对流传热、导热装置或增加高温辐射面来改善人员的局部热感觉。利用辐射的方向性改善局部辐射热环境的研究并不充分。因此文中提出指向型热辐射（DHR）装置，从辐射装置对室内局部作用温度（LOT）的影响出发，阐述DHR热辐射装置的工作原理，并通过试验研究了加热条件下不同布置方式的DHR装置的热性能。

1 指向型热辐射装置

如图1所示，在空间中，有一个反射罩开口面法线N1的DHR单元和一个法线N2的表面A2。DHR单元是一个可以旋转的漫射单元，由一个辐射管和一个半圆柱形的反射罩组成，辐射管发射的辐射能经过直接照射和反射罩反射，从反射罩开口面A1发射到空间中。如图1所示，当DHR单元的反射罩被固定在一个位置并正向设置时，N1和N2与连接线S的角度分别为β1和β2。反射罩开口面A1对表面A2的辐射能量QA1-A2和角系数FA1-A2如式（1）所示［10］。

式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，W·（m2·K4）-1；Tro为反射罩开口表面热力学温度，K；S为连接线长度，m；A1为反射罩开口面面积，m2。

由图1所示，当DHR单元旋转并指向表面A2（指向设置）时，反射罩开口面的法线N1和连接线S重合。面积A1、连接线长度S和角度β2不变，角系数FA1-A2随着角度β1减小到0而增大，辐射能量QA1-A2增大，表面A2的辐射温度增大。因此，当多个可旋转的DHR单元组成的DHR装置指向表面A2时，表面A2所在局部空间的作用温度上升。

图1 DHR单元工作原理图

2 试验概况

2.1 实验室概况

DHR装置热辐射性能测试系统如图2所示，该系统由冷热源、保温水箱、自吸泵、电磁流量计、DHR装置模块、全数字动态热像仪等组成。图3显示了系统的示意图。

图2 DHR装置热辐射性能测试系统

图3 系统示意图

2.2 DHR实验装置模块

如图4所示，一个DHR单元由直径d=12mm的紫铜管和宽度w=40mm的半圆柱形反射罩组成。在实验中，铜管的外表面涂有发射率为ε1=0.95的石墨。半圆柱形反射罩的内表面具有反射率ρ=0.95的反射层，外表面用导热系数λ=0.034W/（m·K）的10mm厚的橡塑保温棉进行保温。

图4 DHR装置模块

DHR实验装置模块由一个带有50mm厚聚苯乙烯（EPS）泡沫板的隔热室和一个DHR装置组成。隔热室的尺寸为1000mm×1000mm×1000mm（长×宽×高）。DHR装置被布置在隔热室墙壁的中央，由7个DHR单元组成，管间距为80mm，整体尺寸为520mm×520mm（长×宽）。在隔热室的中心设有直径40mm黑球温度计，用于测量空间一点的局部作用温度。

2.3 测试仪器

DHR装置热辐射性能测试系统的测点布置如图5所示，黑球温度计分别放置在DHR装置表面中心的法线方向，分别测量100、200、300mm和400mm处的局部作用温度θb，球体周围的风速vea由德图叶轮风速仪测量。如图5所示，DHR单元被水平向下排列，其测点被安排在标有2和5的DHR单元。T型热电偶沿水流方向每隔50mm放置，分别测量反射罩内壁温度θri，1、管壁温度θpo、反射罩空气温度θra和反射罩开口温度θro。实验室中使用的测量仪器如表1所示。

图5 DHR装置热辐射性能测试系统的测点布置

表1 测试仪器及性能参数

2.4 实验工况

为了研究不同布置方式DHR装置的反射器角度α对不同位置局部作用温度的影响，在加热条件下进行了15次实验，如表2所示。实验室环境温度设定为19.8±0.3℃，进水温度为49.6±0.3℃，供水流量为7L/min。如图6所示，在实验中，DHR装置的背面由50mm厚的橡胶绝缘棉进行保温。每个条件的测试时间为30min，测试仪器的采集频率为10s。

表2 实验工况

图6 3种不同布置方式的DHR装置

3 实验结果与分析

图7显示了供热条件下垂直和正向设置的DHR装置的热像图。如图7所示，当DHR装置正向设置时，在49.6℃的供水温度下，反射罩内各表面温度均在35℃以上。每个DHR单元都能将铜管的热辐射集中在一个半圆柱形的反射罩中。

图7 垂直和向前设置的DHR装置的热像

图8显示了3种不同布置方式下正向设置的DHR单元铜管每单位管长换热量。从图8中可以看出，相同供热条件下，水平向下、垂直、水平向上布置的DHR单元的铜管表面温度、反射罩内表面温度和反射罩开口表面依次下降，铜管表面温度分别为42.4、38.1℃和36.1℃，反射罩内表面温度分别为39.6、34.5℃和33.1℃，反射罩开口表面温度分别为36.9、28.8℃和24.7℃，而铜管能耗依次上升，铜管每单位管长换热量分别为45.48、53.73W/m和63.73W/m。DHR装置的铜管每单位管长换热量随水平向下、垂直、水平向上布置依次增长，但辐射换热量占比依次下降，从97.39%下降到88.56%，对流换热量占比依次上升，从2.61%上升到11.44%。可见，自然对流对不同布置方式下DHR单元的影响不可忽视，水平向上布置的DHR单元受自然对流影响最为显著，导致DHR单元的铜管表面温度和反射罩开口表面温度显著下降。

图8 DHR单元内表面温度及铜管每单位管长换热量

图9显示了3种不同布置方式下的DHR装置在正向和指向设置时，分别在距DHR装置中心100、200、300mm和400mm处的局部作用温度和相同距离下正向和指向设置时的局部作用温度差Δθb。从图9中可以看出，无论DHR装置为正向或指向设置，在3种不同布置方式下，局部作用温度均随着距离的增加而降低，这是由于DHR装置对黑球的辐射随着距离的增加而衰减。DHR装置正向设置，且分别水平向下、垂直和水平向上布置时，距DHR装置中心100mm处的局部作用温度分别为24.7、22.4℃和21.2℃，这是由于DHR装置为水平向下且正向设置时，自然对流对DHR单元的影响较小，DHR单元各表面的温度较高，局部作用温度升高。

图9 DHR装置不同布置方式下局部作用温度

从图9中可以看出，在DHR装置3种不同布置方式下，各DHR单元反射罩旋转并聚焦在100、200、300mm和400mm处黑球时，相应位置的局部作用温度达到最高值，这是由于反射罩旋转之后，DHR单元对相应位置的黑球的角系数增加最多所引起的。DHR单元聚焦前后的相同位置的局部作用温度差用来表述DHR装置的局部加热效果。如图9（a）所示，指向设置和正向设置的DHR装置在100、200、300mm和400mm处的局部作用温度差分别为1.0、0.7、0.5℃和0.4℃。局部作用温度差随着与DHR装置中心距离的增加而减小，且在相同距离下高于DHR装置垂直和水平向上布置时的局部作用温度差。DHR装置在水平向下布置时对黑球的指向热辐射效果最为明显，约为水平向上布置的2倍。

为了明确文中实验测量数据的可信赖程度，对实验过程中直接测量值（温度）和间接测量值（铜管每单位管长换热量）进行了不确定性分析［11］。实验数据的不确定度由不确定度A类分量ΔA和B类分量ΔB组成。不确定度A类分量先根据测量次数和每次测量值得出算术平均值m，再根据贝塞尔公式得出测量值的实验标准偏差σm。不确定度B类分量由测量仪器标定的最大允差来表述。合成标准不确定度u由不确定度A类分量和B类分量的均方根进行计算，如式（2）所示。相对标准不确定度ur由合成标准不确定度和算术平均值计算得到，如式（3）所示。

根据测量仪器的不确定度、式（2）和式（3），结合各测量参数在实际测量过程中的数值，计算得到直接测量值的最大相对标准不确定度为±2.6%，间接测量值的最大相对标准不确定度为±5.7%。

4 结语

为了研究非均匀辐射热环境下指向型热辐射装置对局部辐射热环境的影响，文中从室内局部作用温度出发，通过试验研究了加热条件下不同布置方式下DHR装置的指向热辐射性能，并对不同布置方式下DHR装置的能耗进行分析，得到以下结论：

（1）DHR装置在不同布置方式下，自然对流对其的影响不可忽视。DHR装置水平向下布置时受自然对流影响最小，铜管单位管长换热量最低。

（2）DHR装置水平向下布置时，DHR单元内各表面温度最高，因此指向热辐射效果最好，是水平向上布置的2倍。

（3）文中通过试验验证了DHR装置的指向热辐射效果，为室内非均匀辐射热环境下改善局部辐射热环境提供了一种方法。