毛细管天棚辐射供暖性能实验研究

第２７卷第１期　２０１３年２月　制冷与空调　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｖｏ１．２７Ｎ０．１　Ｆｅｂ．２０１　３．６～９　文章编号：１６７１．６６１２（２０１３）０１．００６．０４　毛细管天棚辐射供暖－Ｉ，土／４－Ｚ月－ｑ匕５实验研究　翁文兵　胡海洋　张太康　（１．上海理工大学上海２０００９　３；　２　００４　３３）　２．中建国际（深圳）设计咨询有限公司　上海【摘要】　利用毛细管辐射空调系统实验室，对天棚辐射供暖稳态工况进行了测试分析，得到了围护结构表　面温度、室内温度、辐射天棚表面温度边界层的分布规律，计算与实测验证人棚辐射供暖换热性　能。该实验研究对于优化系统性能具有一定的指导意义。　【关键词】　毛细管辐射空调；天棚辐射供暖；温度边界层；换热性能　中图分类号　ＴＵ８３　文献标识码Ａ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｃａｐｉｌｌａｒｙ　Ｃｅｉｌｉｎｇ　Ｒａｄｉａｎｔ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｗｅｎｇ　Ｗｅｎｂｉｎｇ　Ｈｕ　Ｈａｉｙａｎｇ　Ｚｈａｎｇ　Ｔａｉｋａｎｇ　（１．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　ｆｏｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０００９３；　２．ＣＣＤＩ（Ｓｈｅｎ　Ｚｈｅｎ）ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００４３３）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｅｓｔｓ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｃｅｉｌｉｎｇ　ｒａｄｉａｎｔ　ｈｅａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｗｈｉｌｅ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｓｔｏｐｐｅｄ，ｗｉｔｈ　ｃａｐｉｌｌａｒｙ　ｒａｄｉａｎｔ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ｇａｉｎｓ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｅｎｖｅｌｏｐｅ，ｉｎｄｏｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｎｔ　ｃｅｉｌｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｎｄ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｌａｙｅｒ，ａｎｄ　ｓｔａｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｒａｄｉａｎｔ　ｃｅｉｌｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ。Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｈａｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｓｉｎｉｆｇｉｃａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆｒａｄｉａｎｔ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］　ｃａｐｉｌｌａｒｙ　ｒａｄｉｎｔａ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｃｅｉｌｉｎｇ　ｒａｄｉｎｔａ　ｈｅａｔｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｌａｙｅｒ；ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　０　引言　近年来，辐射空调系统以其高舒适、节能性，　逐步为广大人们所接受，正成为研究的热点问题之　一，而毛细管辐射空调系统以其高品质的性能，代　表着新型空调系统的发展方向，具有广阔的研究价　值和市场前景。为研究毛细管辐射空调的性能，本　文进行了实验室内的相关实验研究。　图１　毛细管实验室平面图　１实验室简介　本课题研究在上海理工大学毛细管实验室内　进行，实验室顶棚、地面、墙壁等各个表面敷设有　毛细管席作为辐射表面，且各辐射表面可根据实验　需要灵活启用。　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｐｌａｎ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｃａｐｉｌｌａｒｙ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　毛细管实验室地板分别采用了二种　同的地　板，分别是复合地板、地砖地板和术地板。实验室　夏季供低温冷水、冬季高温热水，可以满足夏季、　冬季空调工况需求，且水温、水流量根据实验需要　可调。　作者（通讯作者）简介：翁文兵（１９６７一），男，博士，教授，Ｅｍａｉｈ　ｗｅｎｂｉｎｇ＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏｍ　收稿日期：２０１１－０９．２６　第２７卷第１期　翁文兵，等：毛细管天棚辐射供暖性能实验研究　・＇・　Ｓ　２实验内容与测试参数　２．１实验内容　的　Ｏ　（１）天棚供暖性能实验　为研究天棚辐射供暖的性能，毛细管实验室温　度１９℃，测试相关实验参数。　（２）实验室冷却性能实验　为研究冬季房间的冷却性能，对实验室停止供　．／／／　／　／　　／　暖，测试房间内相关参数的变化。　２．２测试参数　根据研究目的，实验需要测定以下参数：　（Ｉ）地板表面温度；　（２）墙壁面及附近的温度；　（３）室内垂直温度分布；　（４）天棚表面附近温度；　（５）水系统进出水温度、流量。＾ｐｖ　赠箭　埘　　本实验主要测试仪器及其性能参数列于表Ｉ中。５　加　Ｏ　５　Ｏ　５　Ｏ　＂５　＂　Ｏ　　表１　实验测试仪器及其性能参数　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　３天棚辐射供暖实验分析　３．１冬季室内温度场分布　：　。　。。　：　：　～　蒜　滞　蝻　蜷　＝＝　一　—　—　＿　．　｝　．Ｈ　＾　＝：：芝　＝三　基　—　一、　：　ｖ　＋－　・　＊＿　～　６：３５　６：４５　６：５５　７：０５　７：１５　７：２５　７：３５　７：４５　７：Ｓ５　８：０６　８：１６　８：２６　８：３６　时闻　—◆一Ｏ　ｌｒｎ—●●～Ｏ　６ｍ—鲁一１．１ｍ　—　一１　６ｍ—　一２．１ｒｎ—・一２　５ｒｎ　图２测试工况稳定时不同高度室内温度分布图　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｉｎｄｏｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｈｅｉｇｈｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　０　ｏ．２　０．４　ｏ．６　ｏ．８　ｌ　１．２　１．４　１．６　１．　２　Ｚ．２　２．４　２．６　竖直高度（ｍ）　图３冬季室内温度场垂直分布规律图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆｗｉｎｔｅｒ　ｉｎｄｏｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｆｅｌｄ　课题组于２０１２年２月ｌ４至ｌ６日对毛细管辐　射空调实验室进行实验测试，系统经过３４ｈ运行基　本稳定。实验分别测试了不同高度０．１ｍ，０．６ｍ，　１．１ｒｎ，１．６ｍ，２．１ｒｎ，２．５ｍ时的室内温度，分别如　图２、图３所示，由图可以看出在实验运行时，室　温基本趋于稳定，供回水水温３５．１／３２．７℃，室温在　１７￣２０℃之间波动，空调室温分层明显，室温随高　度升高而线性升高。　３．２　围护结构表面及其附近温度对比分析　表２给出了实验中不同围护结构各表面平均　温度。　表２　围护结构各表面平均温度汇总　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｕｍｍａｒｙ　ｏｆ　ｐａｈｓａｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　注：西墙为内隔墙，采用聚氨酯保温库板，认　为绝热。　天棚供热表面温度为２８．５℃，由传热学辐射传　热理论可知，由于辐射角系数的影响，天棚表面对　地面的角系数大于对其他各表面的角系数，由表２　可以看出地板表面温度明显高于墙壁面温度，而墙　体表面温度低于室温约１℃。　实验室地板采用不同材质的地板，测试结果表　明不同材质地板表面温度随材料不同相差近　制冷与空调　１．５℃，复合地板、地砖、木地板的表面温度分别　为１９．６℃，１８．９￣Ｃ，１８－３℃，且分别高出垂直高度　０．１ｍ处的室温１～２℃。　３．３边界层温度场实验分析　课题组在实验研究中发现室内垂直高度２．５ｍ　处的温度为２０．１℃，垂直高度２．６ｍ处，即天棚表　面温度为２８．５℃，辐射供暖天棚表面附近温度梯度　较大。分别对天棚附近０．１ｍ距离内进行深入实验　研究，得到内部温度场分布如图４所示。　３０．Ｏ　２９．Ｏ　２８．０　／　５　２７．０　｝　＼／２６．０　｝　７　删２３．０　／　２２．Ｏ　／　／　２ｌ＿Ｏ　一　——‘　２０．Ｏ　２．５０　２．５ｌ　２．５２　２．５３　２．５４　２．５５　２．５６　２．５７　２．５８　２．５９　２．６０　竖直高度（ｍ）　图４天棚表面温度边界层　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｃｅｉｌｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　天棚辐射实验室密封，室内无新风供应，天棚　供暖热表面朝下，认为是自然对流的水平壁面的换　热，边界层将会覆盖整个表面【１］，实验测试表明：　在２．５～２．６ｍ的垂直高度时，温度随垂直高度升高　而升高，呈二次曲线关系；在垂直高度２．５３～２．６０ｍ　范围内，温度变化梯度大，天棚辐射供暖的温度边　界层厚度很薄，约为７ｃｍ。　３．４天棚供暖换热性能分析　毛细管天棚辐射空调系统利用夏季供冷水，冬　季供热水实现供冷供暖的效果，天棚表面与室内围　护结构和室内空气以辐射和对流两种方式进行热　量交换，因此可以认为顶棚表面的综合换热量近似　等于对流和辐射散热量之和，即　ｑ＝ｑ　＋ｇ　ｄ　（１）　其中　——天棚综合换热量，Ｗ／ｍ　；　ｇ　——天棚对流换热量，Ｗ／ｍ　；　ｑ　ｒ天棚辐射换热量，Ｗ／ｍ　；　采用无限表面自然对流换热关系式【２Ｊ：　Ｎｕ＝Ｃ（Ｇｒ．Ｐｒ）　＝ＣＲａ　（２）　式中　—一瑞利准则，Ｒａ＝Ｇｒ・Ｐｒ；　Ｇ卜一格拉晓夫准则数；　Ｃ、，ｚ——常数；　本实验中热面朝下，Ｃ＝０．５８，ｎ＝０．２，　Ｇｒ：．ｇｔ￣ｔｌ３　（３）　Ｖ‘　：　：　（４）　ａ　式中，ｇ为重力加速度，ｍ／ｓ　：ａ为热扩散率，　ｍ２／ｓ；　为体积膨胀系数，１／Ｋ；Ｄ为运动粘度，ｍ　／ｓ：　为动力粘度，ｋｇ／（ｓ．ｍ）；Ｃｐ为定压比热，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）；　为导热系数，Ｗ／（ｍ・Ｋ１；Ａｔ为房间温度与顶棚表　面温度的差值，℃；，为特征长度，ｍ。　天棚表面的对流换热系数：　Ｎｕ２：—＿Ｃ（Ｇｒ．Ｐｒ）＂．２　—　———　—一：——　（５）Ｌ５　Ｊ　　Ｉ　ｆ　其中：　为空气的导热系数，，为特征长度，　对于长方形取两个边长的平均值；　天棚棚表面与室内的对流换热量为　ｑ。。　＝　（ｆ　一ｆ　）　（６）　式中　ｇ　一天棚对流换热量，Ｗ／ｍ　；　，厂一天棚表面的对流换热系数，Ｗ／（ｍ２．Ｋ１；　０一房间空气温度，℃；　——顶棚表面温度，℃；　天棚与室内环境之间的辐射换热主要是天棚　表面与其他５个非供热表面之间的换热，天棚表面　自身无辐射换热。ＡＳＨＲＡＥ在大量研究工作基础　上提出用天棚表面平均温度和非加热表面的面积　加权平均温度来计算辐射传热量［３】，辐射换热量计　算式如下：　ｑｒａｄ＝　（　一　）　（７）　式中　——斯蒂芬一玻尔茨曼常量（黑体辐射常　数），５．６８￣１０。　Ｗ／（ｍ２．Ｋ４１；；　一辐射热交换系数，无量纲；　——天棚表面平均辐射温度，Ｋ；　——非供热表面的平均辐射温度，Ｋ；　空调房间内除顶棚表面外，非供冷／热表面的平　均辐射温度由下式计算：　第２７卷第１期　翁文兵，等：毛细管天棚辐射供暖性能实验研究　∑　＝　计算为５７．８Ｗ／ｍ２，其中辐射换热量５３．４Ｗ／ｍ２，辐　卜　（８）　射换热比例高达９２％，比例较高；　实验测试表面供水温度３５．１℃，回水水温　３２．７，流量１．１３２ｍ　／ｈ，由　Ｑ　７　）　３６　００￣Ａ　∑　ｐ　式中：　房间围护结构的内表面面积，ｍ２；　，——易——暴露在辐射顶棚下的房间内表面的发　射率，无量纲；　——（１２）　（１３）（１３）　　ｇ　涮：—　ｇ实测　—计算得到：　４．２ｘ１０　ｘ９９４．６５ｘ１．１３２ｘ（３５．１．３２．７）　暴露在辐射顶棚下的房间内表面的温　度，Ｋ。　认为围护结构内表面发射率舀大致相等时，上　式简化为：　∑　＝　＿ｌ一　（９）　上式也是暴露在辐射天棚下房间内表面的温　度按照各自的面积的温度加权平均值ＡＵＳＴ（Ａｒｅａ　Ｗｅｉｇｈｔｅｄ　Ａｖｅｒａｇｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）。　一般非金属或带油漆面层的金属非反射表面　的发射率大约为０．９，对于绝大多数建筑物，取　ｅｐ＝０．９，则可知辐射换热系数　大约为０．８７，故可　求得辐射换热量为：　一９３　一（酬　由以上辐射换热量公式可以看出，必须求出顶　棚辐射表面的温度　和非供暖表面的平均辐射温　度Ｔｒ（即ＡＵＳＴ）。　因此天棚辐射供暖的综合换热量为　一ｃ一４　一（　（１１）　实验测试中，天棚顶棚表面平均温度为　２８．５℃，室内平均温度１８．８￣Ｃ，非供暖表面温度　ＡＵＳＴ为１８．１℃，利用公式（１）一（１１）计算知：　自然对流换热量：　ｑｃｏ．＝４．４Ｗ／ｍ‘：　辐射换热量：　ｑｃｏｎ＝５３．４、　｝Ｉ　分析可知，天棚辐射空调系统综合换热量实测　ｑ实测一————　——一　＝７５．１Ｗ／ｍ　实测与计算误差：　差＝　ｘ１００％－　ｇ实测　／３　・ｌ　误差接近３０％，与系统管路热量损失有关。　４结论　毛细管辐射空调性能实验研究与分析，得到如　下结论与指导建议：　（１）天棚辐射供暖系统从开始运行，经过３４ｈ　运行系统基本稳定，且室温稳定性较好，室内温度　垂直分层明显，室温在１７￣２０℃，天棚辐射空调　系统能够很好地满足人们舒适需求。　（２）天棚辐射供暖稳定时，围护结构内表面　温度基本稳定在某一温度，且波动较小；受辐射　角系数影响，地板温度高于其他非供暖墙体内表　面温度；地板表面温度随材质不同而不尽相同，　复合地板＞地砖地板＞木地板。因此，为提高天棚　辐射空调系统使用效果，合理选取地板材料很重　要。　（３）辐射供暖的天棚表面温度近似认为自然　对流，且温度边界层较薄，约为７ｃｍ，温度梯度非　常大，在距离天棚１０ｃｍ的范围内，室温从２０．５℃　变化到２８．６℃。天棚辐射表面边界层的发现，对于　提高毛细管辐射空调系统的性能，增强换热效果提　供了理论依据。　（４）根据辐射换热理论与实验测试分析，得　到实验中辐射换热比例高达９２％，且实测与理论误　差为２７％，测试过程中存在散热损失，导致误差偏　大。　（下转第ｌ７页）　第２７卷第１期　刘明非，等：回廊式超高中庭排烟探讨　・１７・　数采用三维火灾数值软件模拟确定。　（２）回廊式超高中庭机械排烟设置推荐方式：　根据烟气在超高中庭发生层化效应的高度，分段设　置排烟口和排烟风机（本模型建筑确定为中庭８０　米高度和顶部均设置机械排烟系统）；回廊独立设　置竖向机械排烟系统，回廊排烟口的布置在满足规　范的前提下尽可能多个均匀布置，以避免烟气外　溢；如果回廊与中庭相通，回廊与中庭之间建议设　行排烟。　参考文献：　［１】杜红．建筑中庭排烟系统设计探讨［Ｊ］．暖通空调，　２００９，３９（１０）：１１２—１１５．　［２】　刘方，严治军．中庭烟气控制研究现状与展望［Ｊ］．重庆建　筑大学学报，１９９９，２１（６）：１１３一ｌ１８．　［３］　伍爱友，肖国清胜能化设计方法在高层建筑防火设计　置挡烟垂壁。　中的应用［Ｊ】．中国安全科学学报．２００６，１６（１）：８３—８７．　（３）中庭底层发生火灾时，仅开启“层化”　［４】　ＮＦＰＡ．ＮＦＰＡ　９２Ｂ，Ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　ｓｍｏｋｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　高度处排烟风机进行排烟，在各火灾工况下，中庭　ｉｎ　ｍａｌｌｓ，ａｔｒｉａ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ａｒｅａ［Ｍ］．Ｑｕｉｎｃｙ，Ｍａｓｓ．：　内的烟气温度、ＣＯ浓度和能见度都能满足人员逃　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｆｉｒｅ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，１９９５．　生要求且可以缩小烟气蔓延范围。　【５】ＤＧＪ０８—８８—２００６，民用建筑防排烟技术规程［ｓ】．上海：公　（４）“层化”效应发生层以下高度各回廊周　安部上海消防科学研究所，上海市消防局，２００６．　边房间发生火灾时，优先开启回廊排烟系统，如果　［６】　李思成，杜红．中庭防排烟系统性能化设计［Ｊ】．暖通空　烟气外溢到中庭，则开启中庭“层化”高度处排烟　调，２００３，３３（４）：７卜７４．　风机进行排烟。　［７】　裴锋．暖通空调ＣＦＤ技术应用现状及展望［Ｊ】筛０冷与空　（５）“层化”效应发生层以上高度各回廊周　调，２００３，１　７（３）：５６—５８．　边房间发生火灾时，优先开启回廊排烟系统，如　［８】　赵升萍，郑浩．中庭机械排烟系统的实验研究［Ｊ】．火灾科　果烟气外溢到中庭，则开启中庭项部排烟风机进　学，２００３，ｌ２（３）：１３０—１３７．　（上接第９页）　ＨＶＡＣ＆Ｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００３，９（３）：２５卜２５８．　以上分析与总结只是从实验角度对毛细管辐　［４　４］汪明，李永安．毛细管平面辐射空调系统免费冷源的研　射供暖及其冷却性能做了测试和分析，对于研究和　究［Ｊ］．制冷与空调，２０１　１，２５（１）：３６—３９．　提高新型空调系统性能具有一定的指导意义。　［５　５］黄翔，闫振华，宣永梅．蒸发冷却与毛细管辐射供冷负荷　空调系统实验研究［Ｊ］．暖通空调，２００９，３９（９）：３４—４１．　参考文献：　［６　６］张亮．地源热泵＋毛细管网空调系统的热力学分析［Ｊ】＿　【１】　贾力，方肇洪．高等传热学［Ｍ】．北京：高等教育出版社，　制冷与空调，２０１０，２４（３）：１０４—１０７．　２００８．　［７】　陆耀庆．实用供热通风设计手册（２版）【Ｍ】．北京：中国建　【２】　章熙民，任泽霈．传热学［Ｍ】．北京：中国建筑工业出版　筑工业出版社，２００８．　社，２００１．　［８】　邱信立，廉乐明，李力能，等．工程热力学【Ｍ】．北京：中国　［３】　Ｊａｅ－Ｗｅｏｎ　Ｊｅｏｎｇ，ｓ．Ａ．Ｍｕｍｍａ．Ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｍｉｘｅｄ　建筑工业出版社。１９８５．　ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｃｅｉｌｉｎｇ　ｒａｄｉａｎｔ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｐａｎｅｌ　ｃａｐａｃｉｔｙ．