周婉茹 任豪 袁濤 李禹 劉靖

1 河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院

2 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司

3 江蘇碳元綠色建筑科技有限公司

輻射板供冷（暖）系統(tǒng)在提高室內(nèi)空氣質(zhì)量和節(jié)能方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)輻射板的研究集中于對(duì)輻射板換熱[1-4]及熱舒適性[5-8]影響因素，新型輻射裝置[8-9]的探究。石墨輻射板作為新型的空調(diào)末端裝置，勻熱性好、輻射能力強(qiáng)，能夠有效節(jié)能并減少安裝面積。但石墨輻射板的應(yīng)用仍采用估算指標(biāo)，沒(méi)有準(zhǔn)確的熱性能參數(shù)，容易導(dǎo)致安裝面積過(guò)大的問(wèn)題，這與其節(jié)能性及舒適性的理念背道而馳。本文以石墨輻射板為研究對(duì)象，在以《輻射供冷及供暖裝置熱性能測(cè)試方法JG/T403-2013》搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求對(duì)吊裝石墨輻射板進(jìn)行夏季供冷和冬季供暖的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其舒適性及熱工性能進(jìn)行分析，為石墨輻射板的可持續(xù)推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

石墨輻射板的實(shí)物圖如圖1 所示，石墨輻射板內(nèi)部U 型管道材料為銅，外部包裹材料是均熱性好、輻射性能強(qiáng)的石墨層，銅管內(nèi)部換熱工質(zhì)采用低溫水。單塊石墨板規(guī)格為1220 mm×390 mm，石墨板內(nèi)部U型金屬管內(nèi)徑9.5 mm。輻射供冷及供暖末端主要由石墨輻射板和上下模擬結(jié)構(gòu)板組成，通過(guò)下部模擬結(jié)構(gòu)板向室內(nèi)輻射冷量或熱量，達(dá)到向房間內(nèi)供冷或供暖的目的。

圖1 石墨輻射板實(shí)物圖

本實(shí)驗(yàn)以16 塊石墨輻射板作為測(cè)試對(duì)象，采用吊頂安裝方式，進(jìn)行石墨輻射板的熱工性能實(shí)驗(yàn)。石墨輻射板采用10 mm 普通塑料管連接，每4 塊單板串聯(lián)為一組，組與組之間以同程式并聯(lián)連接，布置方案如圖2 所示。

圖2 石墨輻射板連接安裝示意圖

石墨輻射板的測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以《輻射供冷及供暖裝置熱性能測(cè)試方法JG/T403-2013》搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，位于常州市。該輻射板實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)主要由內(nèi)外小室、冷卻壁面的溫度處理裝置、供給測(cè)試樣品能量的冷（熱）媒循環(huán)系統(tǒng)和控制用儀表組成。其中外室尺寸為5.2 m×5.2 m×4 m（長(zhǎng)×寬×高），其頂板和底板依托建筑的頂面和底面結(jié)構(gòu)（層高4 m），四周?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)均采用100 mm 厚的雙面彩鋼聚氨酯板，在其中一面安裝保溫密封門(mén)并在門(mén)上設(shè)置雙層玻璃觀察窗。內(nèi)室尺寸為4.2 m×4.2 m×3 m，是由304 不銹鋼搭建的金屬閉式小室，門(mén)的位置與聚氨酯外室保溫密封門(mén)位置相對(duì)應(yīng)，外室和內(nèi)室之間構(gòu)成夾層，如圖3 所示。夾層中每個(gè)側(cè)面，金屬小室每個(gè)內(nèi)壁面中心，金屬小室內(nèi)豎直中軸線(xiàn)上以及輻射板表面，上下模擬結(jié)構(gòu)板表面都布置有相應(yīng)的溫度測(cè)點(diǎn)，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度調(diào)整工況以及進(jìn)行熱工計(jì)算及熱舒適性分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)試精度按照J(rèn)G/T403-2013 要求，壁面溫度波動(dòng)范圍為±0.5 ℃，相對(duì)濕度波動(dòng)范圍為±5%，供冷基準(zhǔn)點(diǎn)溫度與其平均值之間波動(dòng)范圍為±0.1℃，供水溫度波動(dòng)范圍為±0.2℃，不同工況間供冷基準(zhǔn)點(diǎn)溫度波動(dòng)范圍為±1 K，不同工況間質(zhì)量流量波動(dòng)范圍為±1%。

圖3 輻射裝置測(cè)試系統(tǒng)立面圖

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 單位面積供冷量的測(cè)量計(jì)算

通過(guò)測(cè)量流過(guò)測(cè)試樣品的冷（熱）媒質(zhì)量流量和測(cè)試樣品進(jìn)出口焓差來(lái)確定的。該系統(tǒng)的冷（熱）媒工質(zhì)為水，由輻射供冷及供暖裝置的水系統(tǒng)提供。單位面積供冷量q 的計(jì)算公式如下：

式中：S 為石墨輻射板的投影面積，m2；Q 為石墨輻射板總的供冷(熱)量，W。

石墨輻射板總的供冷（熱）量為：

式中：G 為換熱工質(zhì)水的流量，kg/h；h1為低溫水的進(jìn)口比焓，kJ/kg；h2為低溫水的出口比焓，kJ/kg；ps為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101.3 kPa；p 為實(shí)測(cè)大氣壓，kPa。

低溫水的進(jìn)出口比焓的計(jì)算以低溫水進(jìn)出口溫度t1、t2為依據(jù)，采用式（3）進(jìn)行計(jì)算：

2.2 反向傳熱量的計(jì)算

吊裝輻射板的總傳熱量包括頂部和底部的傳熱量，反向傳熱量是輻射供冷及供暖裝置損失的熱量，反向傳熱量不宜過(guò)大，一般占供冷量的10%～20%，反向傳熱量占比過(guò)大會(huì)導(dǎo)致供暖或供冷效率的降低。反向傳熱量Qr計(jì)算公式如下：

式中：tn為模擬結(jié)構(gòu)板內(nèi)表面平均溫度，℃；tw為模擬結(jié)構(gòu)板外表面平均溫度，℃；R 為模擬結(jié)構(gòu)板熱阻，(m2·K)/W；S 為石墨輻射板的投影面積，m2。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)特征公式的擬合

通過(guò)測(cè)試樣品的供冷（熱）量和過(guò)余溫度有關(guān)的參數(shù)，建立測(cè)試樣品供冷（熱）量的標(biāo)準(zhǔn)特征公式。供冷（熱）量特征公式的確定至少要在過(guò)余溫度分別在15.5 K±2.0 K，19.5 K±1.0 K 和28.5 K±2.0 K 三個(gè)工況測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行。供冷（熱）量特征公式的確定至少要在過(guò)余溫度分別為11.0 K±2.0 K，8.5±1.0 K 和6.5 K±2.0 K 三個(gè)工況測(cè)試下基礎(chǔ)上確定。

供冷量標(biāo)準(zhǔn)特征公式：

供熱量標(biāo)準(zhǔn)特征公式：

式中：Qsc為測(cè)試樣品標(biāo)準(zhǔn)供冷量，W；Qsh為測(cè)試樣品標(biāo)準(zhǔn)供熱量，W；KM、n 是常數(shù)，通過(guò)最小二乘法求得；ΔT 為過(guò)余溫度，K。

過(guò)余溫度計(jì)算公式如下：

式中：tr為室內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)溫度，℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 室內(nèi)溫度分布

圖4～5 顯示了采用石墨輻射板時(shí)制冷工況及供暖工況下的室內(nèi)溫度分布。供水溫度為15～20 ℃的六種制冷工況下，距地面高度0.1～1.7 m 之間的最大垂直溫差為2 ℃，溫度先升高再降低，在1.5 m 附近溫度上升幅度最大，但差值小于2 ℃。供水溫度為36～40 ℃、47 ℃、48 ℃、49 ℃的六種供暖工況下，距地面高度0.1～1.7 m 之間的最大垂直溫差為1.17 ℃，溫度先降低再升高，同樣在1.5 m 附近溫度上升幅度最大，但差值小于1.2 ℃。室內(nèi)垂直溫度測(cè)點(diǎn)可以反映溫度的分層問(wèn)題，感知溫差過(guò)大會(huì)引起人體的不適，特別是頭部上下的溫差不適感最強(qiáng)。石墨輻射板供冷（熱）的垂直溫差均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值3 ℃，負(fù)荷人體熱舒適指標(biāo)。

圖4 制冷工況室內(nèi)溫度垂直分布圖

圖5 供暖工況室內(nèi)溫度垂直分布圖

3.2 房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，黑球溫度與空氣溫度的關(guān)系

制冷工況下，室內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)空氣溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度差值為1.9～3.6 ℃，黑球溫度與空氣溫度溫差為0～0.08 ℃，而與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫差為2.0～3.6 ℃。供暖工況下，室內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)空氣溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度差值為2.1～4.7 ℃，黑球溫度與空氣溫度的溫差為0.4～0.8 ℃，而與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫差為2.7～5.5 ℃。溫度差值均處在建筑熱工對(duì)房間熱舒適性要求的范圍之內(nèi)，黑球溫度與空氣溫度的差值小于黑球溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的差值，表明使用石墨輻射板供冷（暖）時(shí)人體受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷輻射的影響較小[8]，如圖6 所示。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，黑球溫度與空氣溫度

3.3 輻射板單位面積供冷/暖量與過(guò)余溫度的關(guān)系

過(guò)余溫度指進(jìn)出水口溫度的均值與室內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)溫度的差值，單位面積的供冷量或供暖量都隨過(guò)余溫度的增大而增大。本實(shí)驗(yàn)研究的石墨輻射板在標(biāo)準(zhǔn)的制冷工況下，單位面積制冷量為67.84 W。標(biāo)準(zhǔn)供暖工況下，單位面積供暖量為162.99 W。根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合公式計(jì)算，得出單位面積的供冷量與過(guò)余溫度呈現(xiàn)出y=8.28342x0.98224的特征公式。單位面積的供暖量與過(guò)余溫度呈現(xiàn)出y=2.99315x1.23497的特征公式，均具有較好的相關(guān)性（圖7）。

圖7 輻射板單位面積供冷/暖量與過(guò)余溫度的關(guān)系

3.4 供水溫度對(duì)石墨輻射板換熱性能的影響

圖8 顯示了供水溫度從15 ℃升高至20 ℃時(shí)，輻射板表面溫度場(chǎng)和輻射板單位面積制冷量的擬合曲線(xiàn)圖。圖中可以清晰看出供水溫度20 ℃與15 ℃相比，輻射板表面溫度上升幅度為2.61 ℃，輻射板表面極差（輻射板表面溫度與供水溫度的差值）則由4.8 ℃下降到2.5 ℃。根據(jù)輻射供冷公式計(jì)算單位面積供冷量可得，供水溫度為15 ℃時(shí)比供水溫度為20 ℃時(shí)石墨輻射板的單位面積供冷量增大了32.61 W/m2。圖9 顯示了供水溫度從36 ℃升高至50 ℃時(shí)，輻射板表面溫度場(chǎng)和輻射板單位面積供暖量的擬合曲線(xiàn)圖。圖中可以清晰看出供水溫度50 ℃與36 ℃相比，輻射板表面溫度上升幅度為9.29 ℃，輻射板表面極差（輻射板表面溫度與供水溫度的差值）則由7.6 ℃上升到11.4 ℃。根據(jù)輻射供冷公式計(jì)算可得，供水溫度為50 ℃時(shí)比供水溫度為36 ℃時(shí)石墨輻射板的單位面積供暖量增大了84.51 W/m2?？梢?jiàn)供水溫度對(duì)石墨輻射板單位面積供冷（暖）量的影響相當(dāng)大，石墨輻射板單位面積供冷量隨供水溫度的減小而增大，石墨輻射板單位面積供暖量隨供水溫度的增大而增大。

圖8 制冷工況輻射板表面溫度分布

圖9 供暖工況輻射板表面溫度分布

4 結(jié)論

1）室內(nèi)垂直溫度曲線(xiàn)表明，在垂直方向上溫度與高度并不呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，采用石墨輻射板供冷（暖）可以滿(mǎn)足室內(nèi)溫度分層的人體熱舒適指標(biāo)。

2）黑球溫度與空氣溫度的差值小于黑球溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的差值，表明石墨輻射板供暖時(shí)人體受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷輻射的影響較小，且溫度差值均符合建筑熱工對(duì)房間熱舒適性要求。

3）供水溫度對(duì)石墨輻射板單位面積供冷（暖）量的影響很大，供暖工況供水溫度36 ℃到50 ℃，單位面積供暖量相差84.51W/m2。供冷工況供水溫度20 ℃到15 ℃，單位面積供冷量增大了32.61 W/m2。

4）石墨輻射板單位面積的供冷（暖）量與過(guò)余溫度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，單位面積的供冷量與過(guò)余溫度符合y=8.28342x0.98224的特征公式。單位面積的供暖量與過(guò)余溫度符合y=2.99315x1.23497的特征公式。