毛细管网吊顶辐射空调与新风耦合的性能研究

摘要：对毛细管网结构研发及供冷性能进行测试，并应用Fluent数值模拟，对毛细管辐射供冷末端与置换通风和贴附射流两种通风方式加以耦合，通过实验验证了其模拟模型对该实验系统具有相关适用性，并应用了该相关模型。结果表明：两种不同的送风方式下，房间的三度均能满足舒适性要求，当热湿负荷突然增加时，如不采取相应的响应动作，毛细管辐射板表面将会有结露现象发生，置换通风较为严重，相同的新风条件下，贴附射流的通风方式，对于消除辐射板结露效果明显。

关键词：毛细管辐射；新风耦合；数值模拟；防结露

中图分类号：TU831文献标识码：A文章编号：1674-9944（2013）10-0253-03

1引言

目前，大部分国内住宅选用空调，采用强制性对流空调，此类空调方式很容易产生室内温度分布不均，比较强烈的吹风感和噪声感，并且对流换热在有温差的前提下进行，而辐射换热则克服了上述弊端[1]。20世纪90年代中期，德国开发研制了聚丙烯毛细管网系统，之后法国英国和巴西等国家开始对毛细管网辐射空调的研究，研究成果显著[2]。在国内北京某公司与北京化工大学合作，成功实现了毛细管的国产化，为毛细管在国内的推广建立了基础[3～5]。本文以毛细管网实验台结合两种不同的送风方式并进行对比，对于以后的复合系统的应用和推广提出了建议和支持，对于实际应用的开展有一定的指导作用。

2毛细管网辐射板结构的确定与其供冷性能的测试

2.1毛细管网辐射板结构的确定

目前辐射板的形式主要有3种，一种是金属辐射板，此类板目前国内外研究相对较多，比较成熟。另一种是与建筑物一体化，预制于建筑顶板或者地板内，此类辐射板需要与建筑开发商商榷，并且在房屋建成后业主不能自主选择。本实验选择的是尚无同一结构的毛细管网辐射板。

采用Fluent数值模拟，模拟不同的管间距，不同的供回水温度，水流量条件下辐射板表面温度分布，结合实验测试进而优化其结构。通过建立Gambit模型，毛细管网直接接触辐射板，接触部分设置成流体-固体耦合边界条件，利用SUBTRACT命令和SPLIT命令把毛细管辐射板与进水管，出水管区分开（图1）。

在Boundary Conditions面板中，对inlet进行设置，模拟不同的温度和速度下辐射板表面的温度分布，此时辐射板边界条件的设定是对流和辐射的复合边界条件。结果如图2所示。

结果表明，管间距越小，板表面的温度分布也越均匀，温度梯度也越小，当管间距较大时，板表面的温度差值比较大，分布不均匀，目前市场上毛细管产品管间距一般在10～30mm之间，通过选取典型数据进行模拟，在额定温差8℃[6]。

通过图3，可以看出管间距从10～20mm，制冷量下降了约24%，而价格却降低了50%左右，当管间距为30mm时，单位面积的供冷量仅为51W/m2，在最不利负荷时可能无法满足室内舒适度，因而管间距选取20mm。当供水温度16℃，回水温度18℃时，供水温度取17℃，毛细管辐射板随着供水流量的增加，单位面积制冷量也随之增加，但考虑到泵的能耗，以及当水流量大于0.46m2/h以后，单位面积制冷量增加缓慢，供水流量选取0.46m2/h。

最终，板的结构选取铝镁合金板，厚度2mm，表面喷漆白色环氧树脂粉末，具有直排冲孔，直径3.5mm，冲孔率为8%，孔的覆盖率为83%。背板以发泡塑料保温层覆盖，背板的厚度为3mm，保温棉的厚度为8mm，毛细管网的规格为U2实际产品图如图4所示。

2.2毛细管网辐射板供冷性能测试

为了进一步研究此毛细管辐射板的供冷性能，本实验对该该辐射板采用德国DIN EN 14240标准的妥思空调设备（苏州）有限公司实验台进行了辐射制冷量的测试[7]。

拟合辐射板的冷量与有效温差之间的曲线关系，通过改变工况，测试该新型毛细管网辐射板在标准状况下（△t=8℃）的额定制冷量为64.5W/m2，能够满足办公建筑夏季冷负荷的70%～90%。

3实验内容及其控制方案的选定

3.1实验台及实验内容的介绍

本实验选用天津市某高校制冷空调实验室，实验室尺寸为5m×3m×2.3m，墙壁和屋顶为50mm厚的聚苯彩钢板，其中南墙为建筑物的外墙。实验室吊顶采用毛细管网金属辐射板，尺寸为：1500×800×40mm，共计9块，采用U20型毛细管。主要采用两种不同的送风方式：贴附射流和置换通风，室内中心送风口为置换通风送风口，其北侧为模拟人体散热装置，南侧使用swema舒适仪，可以测试三种不同高度的风速，一个相对湿度感应器，一个黑球温度探头。左右侧贴附射流的风口上边缘离地面的高度为1.8m，布置如图5所示。实验内容与条件见表1。

其水路系统如图6所示，热泵机组的低温冷冻水被分成2部分，一部分进入板式热交换器，进而进入2个小室中的毛细管吊顶辐射板进行换热，利用冷源侧安装的三通调节阀将供水温度控制在15～17℃；另一部分冷水供应重力循环柜和空气处理单元（普通空调机组），其可以直接利用冷水机组的供水（5～8℃），不需要再进一步调节，各测试空间的流量利用流量计、流量平衡阀进行调节控制[8，9]。

3.2控制方案的选定

应用LabVIEW语言编写了数据采集和控制程序，数据采集可以包括温度、相对湿度、压力、二氧化碳等热工参数及显示。

4实验结果及分析

在横向共布置了三排热电偶，均在辐射板中心位置，分别距离地面0.1m，0.6m，1.1m和1.7m，同时在冷却顶板板面也布置了铂电阻温度传感器用于测量板面温度（图7）。

4.1贴附射流气流组织下温度实验分析

受贴附射流气流组织影响，1～2的垂直温度梯度，是这种送风方式下的最不利位置，在0.1m处冷气流出现了下沉，温度较低，贴附射流风口200×200，受贴附射流送风范围的限制，0.6m和1.1m的位置受辐射板的影响较大，整体温度较低，在1.7m这一高度，接近送风口，送风速度较大，气流分布均匀，与设定温度的差值很小。

由图8可以看出4个不同高度处的9个水平温度测量值于模拟值的整体趋势是一致的，进深越大温度也越高，这是由于南向有两扇窗户，主要受辐射影响。模拟数值高于实测值，主要是在实际情况下，地板温度较低，有换热，而在模拟模型的建立，除了南向外墙外窗外，其余的边界条件都设置成绝热。

4.2贴附射流送风方式下测试房间速度分布以及PMV-PPD

1-2和3-2点温度偏差值较大，主要是实验过程中在此处放置了两个热源模拟人体散热，对周围的空气有一定的热影响，z=0.6m处情况与之类似，但是在1-3、2-3、2-3位置由于此高度上双贴附射流风口送风出现了回流，模拟值较低，在实际测试房间内由于放置了Swema等仪器，对房间内气流有一定的热扰动，且测温热电偶有一定的温度误差，但是整体趋势是相似的，z=1.1m处，放置热源的位置温度值较大（表2）。

5结语

通过实验数据的对比可以看出以下几点。（1）贴附射流与置换通风两种送风方式，结合此新型毛细管的空调系统，室内工作温差均小于3℃，满足 ISO7730 在工作区内温度差小于3℃的要求，是符合舒适性标准的。

（2）贴附射流送风方式下，冷辐射顶板的供冷能力相对较高，两种送风方式下，均有一定的辐射板向上部传热量，贴附射流时由于送风与辐射板接触，辐射板背板的温度也相对较低，向上部的传热损失量相对于置换通风送风方式下较多。

（3）结合NI工业计算机的控制程序可以有效地避免毛细管辐射板的结露现象，对于后续控制程序的开发起到一定的辅助性作用，增加了此类型板的市场推广。

（4）虽然贴附射流情况下房间温度较低，但由于分布均匀，并没有出现如置换通风情况下0.1m附近较冷的热舒适感觉。模拟数据与实测数据间存在一定的差距，但是最大误差值在工程允许范围内，故经试验验证该模型具有准确性，为其他情况的模拟提供了依据。

（5）运用此模型模拟当室内热湿负荷增加，贴附射流送风方式下的结露面积小于置换通风，调整送风量时，对于两种送风方式下的结露现象有一定的改善但不明显，调整送风参数来消除室内热湿负荷，贴附射流下结露现象要小于置换通风。

致谢：感谢韩国国土海洋部尖端城市开发研究项目的资金支持。

参考文献：

[1] Koo S Y，Kim Y Y，Seok H T，etal.A study on the applicability of radiant cooling using ondol[J].KoreanJournal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering，2000，12（2）：200～208.

[2] Kim Y Y，Lim J H，Yeo M S，etal.A study on the control of water flow and temperature in the radiant cooling system through simulations [J] Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering，2001，13（6）：532～540.

[3] 徐绍宏.无规共聚聚丙烯（PPR）毛细管网的研制 [C]//全国塑料协会.2007 年全国塑料管道生产与应用技术推广交流会，北京：全国塑料协会，2007.

[4] 徐绍宏.无规共聚聚丙烯（PPR）毛细管网的研制[J].暖通空调，2008，38（增刊）：21～25.

[5] 张旭，隋学敏.辐射吊顶的技术特性及应用[J].供热制冷，2008（9）：32～35.

[6] 史德福，陈华，金梧凤，等.辐射顶板供冷性能测试方法和计算方法[J].建筑热能通风空调，2012（4）.

[7] Loveday DL，Parsons KC，Taki AH，et al.Displacement ventilation environments with chilled ceilings：thermal comfort design within the context of the BS EN ISO7730 versus adaptive debate[J].Journal of Energy and Buildings，2002，34（6）：573～579.

[8] Zhang Zhi Long.Temperature Control Strategies for Radiant Floor Heating Systems[D].Canada，Montreal：Concordia University，2001：51.