冷凍水調節(jié)模式對冷輻射板性能的影響

馬琛，丁云飛,2

(1. 廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006; 2. 廣州大學 廣東省建筑節(jié)能與應用技術重點實驗室，廣東 廣州 510006)

輻射空調是一種新型的空調，在輻射空調系統末端的換熱形式中，輻射換熱形式的占比在50%以上[1].冷輻射板的換熱主要是通過與人體、室內壁面和家具等進行輻射換熱，達到制冷的效果[2-4].輻射空調系統能夠很好地避免傳統空調帶來的垂直溫差大、吹風感大等問題，并減少能源的浪費[5].但是，冷輻射板的制冷量小和易結露一直是困擾其工程應用的問題.針對冷輻射板結露問題，學者們進行了大量研究，主要集中在以不同的送風方式防止冷輻射板結露[6-12]及特殊冷輻射板結構[13-14]等方面.Yang等[6]通過模擬分析，認為輻射空調系統與置換通風相結合會形成“空氣湖”，從而使室內的通氣效果較好、氣體混合均勻，能夠有效地防止冷輻射板表面結露；文獻[7-8]通過實驗分析，認為冷卻地板與置換通風相結合工藝風險低，熱舒適性高，能夠有效彌補地板供冷系統的不足，減少冷輻射板結露;安迎超[9]通過對比分析，認為置換通風能夠增強地板輻射供冷的對流換熱效果；周根明等[10]通過實驗對比分析，認為貼附射流與輻射空調系統相結合能夠形成類似置換通風的分層效果，并在輻射板表面形成干燥的空氣隔離層，起到較好的防結露效果；錢佳煒等[11]將輻射空調系統與置換通風和貼附射流兩種通風形式相結合，認為結合的系統不易讓人產生吹風感，能夠更高效地防止結露；于志浩等[12]將置換通風和貼附射流兩種結合的通風形式與單一的通風系統進行對比，認為兩種通風方式結合的防結露效果遠比單種通風系統好，還會有更好的節(jié)能性和舒適性；Kang等[13]在置換通風上附加噴射器，發(fā)現空調系統明顯優(yōu)于地板輻射冷卻置換通風空調系統；Tang等[14]在不改變輻射板換熱性能的條件下，制備新型輻射板，使冷輻射板表面形成疏水的狀態(tài)，減少冷輻射板的表面結露;劉龍斌等[15]通過模擬實驗分析，確定出水系統的布置形式及水冷機組設備投入情況會對輻射板的性能產生影響.

在冷輻射板的運行過程中，由于室內散濕量突然發(fā)生變化，極易導致冷輻射板結露.目前，常用的方法是當室內空氣露點高于冷凍水供水溫度時，將冷凍水閥門關閉，防止輻射板表面結露，但這導致冷輻射板表面溫度上升及制冷量大幅衰減，從而降低人體的熱舒適感.利用電動調節(jié)閥對冷輻射板冷凍水進水進行比例積分微分(PID)調節(jié)，可以在一定程度上改善上述現象.本文借助冷輻射頂板實驗臺，從冷輻射板的防結霜效果、制冷能力和室內熱舒適性3個方面，對冷凍水閥門通斷調節(jié)模式和PID調節(jié)模式進行比較.

1 實驗裝置及方案

1.1 實驗裝置

冷凍水系統由制冷機組、保溫水箱、水泵、控制閥門和測量儀器等組成，其控制原理圖，如圖1所示.制冷機組為2臺制冷量19.5 kW的水冷式機組，保溫水箱容積約為4 m3.流量計為玻璃轉子流量計，測量精度為±0.5%；冷量計為超聲波冷熱量表，測量精度為±0.1 ℃.

圖1 冷凍水系統控制原理圖Fig.1 Control schematic diagram of cooling water system

實驗開始前，首先啟動制冷機組，將保溫水箱的水降至所需要的溫度.通過水泵及閥門3聯合調節(jié)維持冷輻射板供應水量，通過調節(jié)閥門2維持冷凍水供水溫度.冷凍水供水溫度的控制精度為±0.2 ℃，冷凍水供水流速控制精度為±0.03 m·s-1.

冷輻射實驗室的室內尺寸(長×寬×高)為5.2 m×4.6 m×2.7 m,各冷輻射板并聯連接在供回水管上.冷輻射板平面圖和剖面圖，如圖2所示.

(a) 平面圖 (b) 剖面圖 圖2 冷輻射板平面圖和剖面圖Fig.2 Plan and section views of cold radiation panel

實驗室頂板共有44塊冷輻射板，冷輻射板的形狀均為長方形，每塊輻射板的長度為1.2 m,寬度為0.42 m.冷輻射板的剖面結構形式為常規(guī)的輻射板形式.測點的編號和實景，如圖3所示.圖3中的單元編號分別與測試點相對應，并在每個編號單元的中央位置及其下方0.1 m處分別布置12個T型熱電偶，用于測量板表面溫度的變化及板下方空氣溫度的變化，測量精度為±0.1 ℃.按照美國采暖、制冷與空調工程師學會(ASHARE)和歐洲輻射測量標準(EN 14240-2004)的要求，將黑球溫度計布置于室內的正中央，離地高1.2 m處，測量精度為±0.1 ℃.

(a) 編號 (b) 實景圖3 測試點的編號和實景Fig.3 Numbering and scene of test points

冷輻射板間的水管采用常見的并聯連接形式實現制冷(圖3(a)).按照EN 14240-2004的要求對模擬熱源進行標準制作(圖3(b))，并選用24個模擬熱源均勻布置，每個模擬熱源的發(fā)熱量為180 W，以確保室內單位面積的冷負荷為180 W·m-2.根據EN 14240-2004的測量要求，四周的墻壁和地板均選用白色表面的隔熱壁面，壁面發(fā)射率大于0.95，且具有良好的隔熱效果，可以減少外界環(huán)境帶來的干擾.

1.2 測試方案

結合歐洲標準EN 14240-2004的要求，測量方案有如下6個步驟.

步驟1將模擬熱源均勻布置于室內，使室內的單位面積冷負荷為180 W·m-2.確保室內密閉，避免外來因素的干擾.

步驟2利用室內空調的通風系統對室內空氣進行除濕，使室內的相對濕度為(60±3)%，并設定輻射板冷凍水系統的初始參數，即供水溫度為20 ℃，供水流速為(0.75±0.03) m·s-1.

步驟3待室內空氣參數穩(wěn)定后，降低供水溫度，直到冷輻射板的表面溫度快要降低至室內空氣露點溫度時，關閉閥門3；測試室內參數，每30 s測一次，共測量600 s.

步驟4重復步驟2，待空氣狀態(tài)參數穩(wěn)定后降低供水溫度，直至冷輻射板的表面溫度降低到室內空氣露點溫度時，調節(jié)閥門3；控制進入輻射板冷凍的流速為0.60 m·s-1，測試相關參數.

步驟5重復步驟4，分別控制流速為0.45,0.30,0.15 m·s-1,測試相關參數.

步驟6將室內的模擬熱源取出，抽選身體健康，內穿長袖襯衣、外穿長褲和普通外衣(服裝熱阻為0.155 m2·K·W-1,即在空氣溫度21 ℃、空氣流速不超過0.05 m·s-1、相對濕度不超過50%的環(huán)境中，靜坐者感到舒適所需要的服裝熱阻[4])的男、女各12名，靜坐于室內，重復步驟1～5(每組測試工況前均對室內進行除濕，確保室內的濕度為(60±3)%)，測試人體對不同工況環(huán)境的逐時評價情況.

2 實驗結果與分析

為避免冷輻射板表面結露，供水閥門通常采用通斷調節(jié)模式，但這會使冷輻射板表面溫度升幅過快、室內熱舒適性變差.而供水閥門采用PID調節(jié)模式可以有效地改善這種情況.實驗從冷輻射板的防結霜效果、制冷能力和室內熱舒適性3個方面，分析通斷調節(jié)和PID調節(jié)模式下的冷輻射板性能.

2.1 通斷模式下冷輻射板的性能

2.1.1 防結霜效果 冷輻射板結露是由于冷輻射板的表面溫度低于周圍空氣的露點溫度時，引起周圍空氣結露，但冷輻射板的表面溫度大于周圍空氣露點溫度時不會引起結露；同樣，防結露溫差(冷輻射板表面溫度與周圍空氣露點溫度的正差值)越大，冷輻射板就越不容易結露，并且冷輻射板在受外界環(huán)境因素干擾下出現結露的可能性越小，防結霜效果就越好.通斷模式下的平均防結露溫差變化，如圖4所示.圖4中：Δθ為防結露溫差；t為實驗進行的時間.

由圖4可知：在閥門通斷模式下，冷輻射板的平均防結露溫差在短暫平穩(wěn)后迅速上升，在600 s內平均上升率約為0.55 ℃·min-1,并在330 s時，平均防結露溫差已經大于2 ℃，能夠滿足EN 14240-2004的運行要求.說明閥門通斷模式下的防結露效果較好，能夠在短時間內有效地避免冷輻射板表面結露現象的出現.

2.1.2 制冷能力 冷輻射板的表面平均溫度能反映冷輻射板制冷能力的大小.表面平均溫度的數值和上升幅度越大，說明冷輻射板表面通過輻射等形式產生的冷量無法滿足室內的散熱需要，使冷輻射板表面溫度急劇上升；表面平均溫度越低、上升幅度越小，說明冷輻射板的制冷能力就越強.通斷模式下的表面平均溫度變化情況，如圖5所示.圖5中：θ為表面平均溫度.

圖4 通斷模式下的平均防結露溫差變化 圖5 通斷模式下的表面平均溫度變化Fig.4 Average temperature variation of Fig.5 Average surface temperatureanti-condensation under on-off mode variation under on-off mode

由圖5可知：在閥門通斷后的90 s，由于冷輻射板內的水管仍有少量的冷凍水，冷輻射板的表面溫度變化不大，此時的冷輻射板依然有一定的制冷能力;此后,冷輻射板表面平均溫度呈穩(wěn)定的直線上升狀態(tài)，并在300 s內，表面平均溫度上升2 ℃，此時的冷輻射板制冷能力較低.

2.1.3 室內熱舒適性 預測平均評價(PMV)指標表示同一工況條件下,絕大多數人的熱感覺可以作為評價熱環(huán)境舒適與否的衡量標準[16].根據人體的冷熱情況，可將PMV指標分成7個級別分度[4]，正值越大，人體就感覺越熱.經測試，實驗只使用了4個PMV指標+3，+2，+1，0，對應使用的PMV熱感覺標尺分別為很熱、熱、有點熱和中性.

圖6 通斷模式下的PMV變化Fig.6 PMV variation under on-off mode

根據熱感覺標尺，對身體健康,內穿長袖襯衣、外穿長褲和普通外衣(服裝熱阻為0.155 m2·K·W-1)，靜坐于室內的24人的熱感覺情況進行求和平均，得到相應工況條件下的室內熱舒適變化情況.通斷模式下的PMV變化,如圖6所示.

由圖6可知：在閥門通斷后的90 s內，由于換熱的延時，室內的熱舒適情況沒有出現明顯變化，室內的人體依舊處在較為舒適的狀態(tài)；但是在閥門通斷90 s后，人體的熱舒適情況迅速發(fā)生變化，冷輻射板的制冷量不能滿足室內的散熱需要，室內人體的熱負荷正值快速增大，炎熱感覺會越來越強；在進行到300 s時，人體已經開始感覺到炎熱；在進行到540 s時，人體已經出現明顯的炎熱狀態(tài)，此時,人體感覺到明顯的不適.

2.2 PID調節(jié)模式下冷輻射板的性能

2.2.1 防結霜效果 PID調節(jié)模式下的平均防結露溫差變化，如圖7所示.圖7中：v為供水流速.由圖7可知：PID調節(jié)模式下的供水流速越低，平均防結露溫差就越大.當v=0.15 m·s-1時,防結露溫差和升幅都最大，上升率約為0.21 ℃·min-1，改善結露的效果最好；當供水流速為0～0.45 m·s-1時，平均防結露溫差的最低上升率約為0.1 ℃·min-1，在測量的時間內至少能夠上升0.7 ℃;當v>0.45 m·s-1時，平均防結露溫差最大僅上升0.4 ℃，上升率小于0.05 ℃·min-1，不同供水流速下的平均防結露溫差波動范圍小于0.3 ℃，改善結露的效果相近且不明顯.因此，當PID調節(jié)模式下的供水流速為0～0.45 m·s-1時，冷輻射板的防結霜效果較好.

2.2.2 制冷能力 PID調節(jié)模式下的表面平均溫度變化，如圖8所示.由圖8所示：當PID調節(jié)模式下的供水流速v≤0.30 m·s-1時，其表面平均溫度曲線呈現先水平穩(wěn)定后迅速升高的狀態(tài)，且在不同供水流速(0.15，0.30 m·s-1)下，產生的制冷效果差異大,表面溫度最大差值大于1.2 ℃；當v>0.30 m·s-1時，其表面平均溫度曲線在短時間上升后逐漸平穩(wěn)或以較低幅度的速度增長，在不同供水流速(0.45，0.60,0.75 m·s-1)下，產生的制冷效果變化小；當供水流速由0.30 m·s-1增大到0.75 m·s-1時，其表面溫度最大差值小于0.9 ℃.

圖7 PID調節(jié)模式下的平均防結露溫差變化 圖8 PID調節(jié)模式下的表面平均溫度變化 Fig.7 Average temperature variation of Fig.8 Average surface temperature anti-condensation under PID regulation mode variation under PID regulation mode

綜上可知，當PID調節(jié)模式下的供水流速v≤0.30 m·s-1時，消耗較少的能量就能有效地改善冷輻射板的制冷能力，通過消耗能量帶來的回報成果多，回報率較高；相比之下，當v>0.30 m·s-1時，空調系統消耗更多的能量卻不能明顯地改善室內的制冷效果，回報率低.可見，在空調系統消耗等量的能量后，v≤0.30 m·s-1時的制冷效果會有很明顯的改善，但當v>0.30 m·s-1時的制冷效果改善不明顯.因此，在PID調節(jié)模式下，v=0.30 m·s-1時的工況條件不僅能夠滿足室內的制冷需要，還能在最大程度上減少空調能耗，同時，供水流速越大，制冷效果越好，但是耗能會更大，回報率低.

圖9 PID調節(jié)模式下的PMV變化Fig.9 PMV variation under PID regulation mode

PID調節(jié)模式下的PMV變化，如圖9所示.由圖9可知：在冷輻射板表面快要結露時，不同流速下的PID調節(jié)模式會產生不同的室內舒適效果.在剛開始的120 s內，由于換熱的延時性，室內的PMV值均沒有出現明顯變化，但隨著PMV值的不斷上升，流速越小，相應的熱舒適水平變化就越快，室內越炎熱.當v=0.15 m·s-1時，PMV值上升最明顯，在330 s時人體就會感覺到熱，在510 s時人體出現明顯的熱感覺；當v=0.30 m·s-1時，在480 s時人體才有一點熱感覺；但當v>0.30 m·s-1時，在測試的600 s內，PMV曲線普遍小于1，人體不會出現熱感覺，此時的室內環(huán)境較為舒適.

綜上可知，在輻射板表面快要結露時，啟動PID調節(jié)模式后，室內人體開始感覺到熱的時刻會隨著供水流速的增大而延遲.

2.2.3 室內熱舒適性 冷輻射板快要結露時，PID調節(jié)模式下冷輻射板各項性能較好的供水流速范圍，如表1所示.

表1 冷輻射板各項性能較好的供水流速范圍Tab.1 Flow speed range for benign performance of cold radiation plate

由表1可知：在測量范圍內，當供水流速v>0.30 m·s-1時，不同PID調節(jié)模式下的冷輻射板制冷能力相近，流速增大，相應的制冷效果提升不多，故PID調節(jié)模式下的供水流速大于0.30 m·s-1即可.在輻射板表面快要結露時，為使冷輻射板的各項性能均達到較佳的效果，閥門PID調節(jié)模式的供水流速應控制在0.30～0.45 m·s-1時較為合適，此時的供水流速不僅能夠保證輻射板的防結霜效果和制冷能力較好，還能維持室內的熱舒適性.

3 結束語

在冷輻射板表面快要結露時，冷凍水閥門通斷調節(jié)模式能有效改善冷輻射板表面結露的問題，但會使室內的制冷效果大幅下降，熱舒適性明顯降低；相比之下，冷凍水閥門PID調節(jié)模式則可在一定程度上改善該缺點.實驗結果表明:在冷輻射板表面快要結露時，冷凍水閥門在PID調節(jié)模式下，供水流速為0.30～0.45 m·s-1時，冷輻射板能有效地減少結露現象，并保持較好的制冷效果和室內熱舒適性.