李詩琪，梁 珍，于英娜

(1.東華大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，b.暖通空調(diào)研究所，上海 201620；2.昆山開思拓空調(diào)技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215300)

據(jù)統(tǒng)計，全球每年的空調(diào)用電量約占總用電量的10% ，就我國而言,平均每100戶的空調(diào)數(shù)量已高達115.6臺，這帶來了電力資源的巨大消耗[1]。毛細管輻射空調(diào)作為溫濕度獨立控制系統(tǒng)，其工作時輻射換熱占50%以上[2]。在保證相同熱舒適的條件下，毛細管輻射空調(diào)室內(nèi)設(shè)計溫度雖比傳統(tǒng)吹風式高2.0～3.0 ℃[3]，但其利用高溫冷凍水，可有效節(jié)能，此外由于夏季供水溫度受到露點溫度的制約，其有結(jié)露風險，需要引入新風除濕[4]。

1 毛細管重力循環(huán)柜及其研究現(xiàn)狀

毛細管重力循環(huán)柜(簡稱重力循環(huán)柜)是毛細管的一種新型應(yīng)用設(shè)備，其采用低溫冷水，內(nèi)部有凝水盤，集除濕、制冷、制熱功能于一體[5]，使用時可開窗通風或者搭配最小通風量的通風系統(tǒng)，減少了風機能耗[6]。另外，相比傳統(tǒng)式一次或二次回風的中央空調(diào)，重力循環(huán)柜可防止不同空間的交叉感染，適合在特殊時期使用。

試驗的重力循環(huán)柜實物圖如圖1所示。由圖1可知，這種重力循環(huán)柜是將5排外徑為4.30 mm、單管長為2.00 m的毛細管網(wǎng)集成在尺寸為200 mm×1 100 mm×2 600 mm(即深×長×高，尺寸也可以隨用戶需求進行調(diào)整)的金屬鋁柜中，上下風口之間設(shè)置外輻射板并做內(nèi)保溫，其余板面也進行內(nèi)保溫，管網(wǎng)下方設(shè)置冷凝水集水盤。重力循環(huán)柜自然循環(huán)原理如圖2所示。由圖2可知，重力循環(huán)柜供冷時，空氣在自然循環(huán)作用下，出風口在下，回風口在上，冷凍水在毛細管中則采用下供上回的方向，與空氣自然對流方向相反[7]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對重力循環(huán)柜的系統(tǒng)特性進行一系列研究。關(guān)于重力循環(huán)柜影響因素，Hazami等[8]研究重力循環(huán)式空調(diào)的水量、水溫對對流換熱系數(shù)的影響。關(guān)于重力循環(huán)柜的自然對流屬性，馬國彬等[9]對一種重力循環(huán)式空調(diào)進行數(shù)值模擬，這種空調(diào)工作原理是將室內(nèi)空氣通過表冷器冷卻，并利用自重作用，使其沿管道間下降至底部開口流出管道，模擬結(jié)果顯示較熱空氣集中在房間上部，水平面溫度分布比較均勻。關(guān)于重力柜的優(yōu)化:李翠敏等[10]對實驗室及現(xiàn)場進行測量，重力循環(huán)柜在密閉性更好的實驗室內(nèi)供熱時，0.05～1.50 m高度區(qū)間的豎向溫差小于2.0 ℃，滲風作用對溫度場影響較大;Li等[11]設(shè)計毛細管重力循環(huán)柜的毛細管間距、上下風口尺寸、供回水方向等柜體細節(jié)，重力循環(huán)柜的物理尺寸基本成形。在重力循環(huán)柜的實測研究中:金梧鳳等[12]測試對比供冷工況時重力循環(huán)柜與分體式空調(diào)運行的特性，表明重力循環(huán)柜的循環(huán)水泵和控制閥的開/關(guān)次數(shù)少于分體式空調(diào)器的開/關(guān)次數(shù)，室內(nèi)溫度更加平穩(wěn)；谷德軍等[13]對比重力循環(huán)柜單獨運行和聯(lián)合吊頂輻射板運行的制冷量，表明聯(lián)合運行時重力循環(huán)柜制冷量占比更高；陳慧等[14]研究重力循環(huán)柜與頂板輻射系統(tǒng)聯(lián)合運行時重力循環(huán)柜的換熱、除濕經(jīng)濟性最佳工況。在重力循環(huán)柜的數(shù)學(xué)計算方面:為了便于實際應(yīng)用，韓東太等[15]擬合出毛細管單位傳熱面積、空氣體積流量的計算式，但并未考慮長時間使用對效率的影響;葛玉簫等[6]給出高濕地區(qū)重力循環(huán)柜的輻射供冷量、總供冷量、除濕量計算式，但缺乏熱舒適性及節(jié)能指標評價。

現(xiàn)有研究主要集中在重力循環(huán)柜的系統(tǒng)特性優(yōu)化與負載量方面，關(guān)于其獨立連續(xù)運行時房間的溫度、風速分布等情況較少研究，幾乎沒有研究對其性能進行綜合評價。本文采用試驗測量的方法，以上海某辦公室為例，對重力循環(huán)柜獨立供冷時的氣流組織特性、熱舒適性展開研究，并進行能耗計算和綜合評價，為重力循環(huán)柜的實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗設(shè)計

2.1 測試案例參數(shù)

本試驗實測目標為上海某辦公室，其長為4.30 m，寬為4.15 m，高為2.60 m，面積為17.90 m2,如圖3所示。辦公室南墻為外墻，其余為內(nèi)墻，鄰室均為空調(diào)房間。測試時房間內(nèi)僅保留測試人員和被測人員，且無人員進出。測試房間安裝1臺毛細管重力循環(huán)柜，供水溫度為10.0 ℃，供水流量為5 L/min，供回水溫差為4.0 ℃，供冷量為1 400 W。

圖3 被測房間測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points in the tested room

2.2 測試過程

測試時間為2020年8月28日至9月10日。溫度測試采用J型熱電偶，并利用安捷倫34970A進行數(shù)據(jù)采集，測量間隔時間為1 h。根據(jù)GB/T 50782—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》選取試驗測點的位置為人體的腳踝、膝蓋以及人體坐姿時和站立時的頭部位置及天花板下0.10 m的位置，即分別為室內(nèi)距離地面0.10、0.50、1.10、1.70及2.50 m所處的水平面上均勻布置J型熱電偶，先將測試房間水平方向設(shè)定A、B、C、D4個測試點，在A、B、C、D等4點位的垂直方向形成4列測試位置，且每列的不同高度(即以上5個高度)處均布置4個測點，測點以及重力循環(huán)柜的分布位置如圖4(a)、(b)所示。由圖4可知，A列靠近外窗，C列靠近重力循環(huán)柜。試驗共計20個熱電偶測溫點，量程為-40.0～80.0 ℃，測量誤差為-0.5～0.5 ℃。同時采用無線萬向風速儀，量程為0.05～30.00 m/s，精確度為-0.05～0.05 m/s，對房間中心同等高度處采集風速。并在重力循環(huán)柜進出口高度的距離柜表面0.10 、0.30 、0.50 、1.50 、2.00 、3.00 、4.00 m處采集風速，以此研究柜的風速特征。風速測點以及重力循環(huán)柜的分布位置如圖4(c)、(d)所示。

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points

2.3 評價指標

2.3.1 溫度不均勻系數(shù)

根據(jù)所測得的各個高度上的測點溫度值，可以得到溫度不均勻系數(shù)，當溫度不均勻系數(shù)越小時，溫度越均勻。溫度不均勻系數(shù)kt定義如式(1)所示。

(1)

(2)

2.3.2 熱舒適性評價指標

熱舒適性指標PMV綜合考慮人體活動狀態(tài)、衣物熱阻(衣著情況)、空氣溫濕度、平均輻射溫度、空氣流動速度等5個因素，以滿足人體熱平衡方程為基礎(chǔ)，用于評價絕大多數(shù)人的冷暖感覺。根據(jù)GB/T 18049—2000《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》推薦熱舒適要求：夏季從事較輕的、以坐姿為主的活動時，作業(yè)溫度(有空調(diào))應(yīng)為23.0～26.0 ℃，相對濕度應(yīng)為30%～70%，預(yù)測不滿意率PPD≤10% 表示可以接受。如果環(huán)境條件處于推薦的舒適限度內(nèi)，則預(yù)估將有80%以上的作業(yè)人員將認為這個熱環(huán)境條件是可以接受的?！睹裼媒ㄖ┡L與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：Ⅰ級熱舒適度要求為-0.5≤PMV≤0.5，PPD≤10%；Ⅱ級熱舒適度要求為-1≤PMV<-0.5或0.5≤PMV<1，PPD≤27%。PMV和PPD的具體計算分別如式(3)和(4)所示。

PMV=(0.303e-0.036M+0.028){(M-W)-3.05×

10-3[573 3-6.99(M-W)-pa]-

0.42[(M-W)-58.15]-1.7×10-5M·

(586 7-pa)-0.001 4M(34-ta)-3.96×1018·

(3)

(4)

2.3.3 溫度垂直不滿意率

人體局部部位的舒適程度是影響PMV的重要因素，熱舒適標準ISO 7730—2005提出頭部和腳踝的縱向溫差Δta,h是衡量人體局部舒適度的主要條件，Δta,h越小，溫度垂直不滿意率越低，局部舒適度越好。根據(jù)標準推薦的式(5)計算溫度垂直不滿意率PD。

(5)

2.3.4 能量利用系數(shù)

評價置換通風房間的節(jié)能度常使用能量利用系數(shù)EUC，其反映人員活動區(qū)與非人員活動區(qū)域之間熱環(huán)境的差異程度[16]。當EUC>1時工作區(qū)為節(jié)能狀態(tài)，EUC值越大，能量利用程度越高，越節(jié)省能耗；當EUC<1時,設(shè)備不再節(jié)省能耗，EUC值越小，能量利用程度越低，耗能越高。EUC的計算如式(6)所示。

(6)

式中：tuz為毛細管重力循環(huán)柜回風口溫度，℃；toz為室內(nèi)人員活動區(qū)域即1.70 m高度以下的平均溫度，℃；ts為重力循環(huán)柜送風溫度，℃。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)外溫度分析

試驗中連續(xù)記錄14 d的室內(nèi)外平均溫度如圖5所示。由圖5可知，當室外溫度降低2.0 ℃時，室內(nèi)平均溫度下降0.5 ℃，當室外平均溫度上升3.5 ℃時，室內(nèi)溫度上升0.5 ℃，室內(nèi)溫差的波動在1.0 ℃以內(nèi)。因此，重力循環(huán)柜可以在室外環(huán)境溫度波動的情況下維持室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，平均室溫保持為22.5～24.0 ℃。室外溫度參數(shù)來自中國天氣網(wǎng)。

圖5 室內(nèi)外溫度逐日變化Fig.5 Daily variation of indoor and outdoor temperature

以室外溫度接近平均值的9月5日的數(shù)據(jù)為例進行詳細分析。當日最高氣溫32.0 ℃，最低氣溫23.0 ℃，室外相對濕度57%，室內(nèi)平均溫度約23.4 ℃，相對濕度50%。

3.2 室內(nèi)空氣風速分析

房間中心的平均風速測量結(jié)果如圖6所示。距離重力循環(huán)柜正面進出口的不同距離點的風速分布如圖7所示。

圖6 房間中心平均風速分布Fig.6 Average wind speed distribution in the center of the room

圖7 離柜進出口不同距離的風速分布Fig.7 Wind speed distribution at different distances from cabinet inlet and outlet

由圖6可知，獨立運行重力循環(huán)柜的房間中心風速很低，均低于0.15 m/s，且室內(nèi)人體頭部位置風速僅為0.03 m/s，避免了傳統(tǒng)吹風式空調(diào)以對流為主的不利因素，房間風速穩(wěn)定，受動態(tài)變化的室外環(huán)境影響較小。由7可知，重力循環(huán)柜送風口風速為0.41 m/s，回風口風速為0.20 m/s，送風口風速大于回風口風速，且送風口前不同距離的風速整體大于回風口前的風速，送風口風速在吹出0.50 m后衰減至0.10 m/s以下。與傳統(tǒng)置換通風房間距離地板0.30 m以內(nèi)空間流速最高可達0.46 m/s相比[17]，獨立運行重力循環(huán)柜的房間流速更低，在距離重力循環(huán)柜0.50 m以外不會有吹風感威脅，并且較小的風速避免了室內(nèi)揚塵，減少了墻體及物品污染。

圖8 z=0.10 m所處平面的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of z=0.1 m plane

圖9 z=1.10 m所處平面的溫度分布Fig.9 Temperature distribution of z=1.1 m plane

3.3 室內(nèi)空氣溫度分析

3.3.1 水平方向上溫度分布

為了研究室內(nèi)水平方向上溫度分布情況，以距地面不同高度z進行分析，試驗對z=0.10、1.10 m的兩個高度所處平面上的8個測點的逐時溫度變化進行分析，結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8、9可知，實測得到重力循環(huán)柜的送風平均溫度為14.1 ℃，z=0.10 m和z=1.10 m所處平面的平均溫度分別是19.8和24.4 ℃。z=0.10 m所在平面逐時溫度變化不大，z=1.10 m所處平面的溫度從8：00時起隨著室外氣溫升高而升高，在當日17：00時，溫度達到最高值，全天溫度保持為23.0～27.0 ℃，在20：00時以后室溫逐漸降低并趨于穩(wěn)定。z=0.10 m所處平面各點溫度較z=1.10 m所處的平面更低，體現(xiàn)了重力循環(huán)柜在地面上方的蓄冷特征。

由圖8可知，z=0.10 m所處平面最靠近柜的C1點所測的數(shù)據(jù)與A1、B1、D1相比明顯偏低，其平均溫度僅15.6 ℃。這是由于該點距離重力循環(huán)柜出風口最近，直線距離僅1.00 m，受到冷風下沉影響較大，因此需要進一步研究合適的供水溫度。

由圖9可知，z=1.10 m處的平面最靠近柜的C3點所測數(shù)據(jù)與A3、B3、D3等3點相比明顯偏高。這是由于該測點位于柜送回風口之間的渦流區(qū)域，該區(qū)域氣流混合不充分，熱量不能很好地被處理而導(dǎo)致溫度偏高。

3.3.2 垂直方向溫度分布

房間垂直方向上的溫度分布也是熱舒適的重要方面，因此對該方向上的溫度分布進行分析，距離重力循環(huán)柜進出口不同距離的溫度分布如圖10所示。將各水平面上的4個測點的測量結(jié)果求平均值，得到距地面0.10、0.50、1.10、1.70及2.50 m高度水平面上的溫度平均值，如圖11所示。

圖10 距離重力循環(huán)柜進出口不同距離的溫度分布Fig.10 Temperature distribution at different distances from the inlet and outlet of gravity circulation cabinet

圖11 高度上的平均溫度分布Fig.11 Distribution of average temperature at height

由圖10可知，重力循環(huán)柜進口高度上溫度變化很小，保持在26.8 ℃，其出口高程上溫度由小變大，從14.6 ℃升高到21.7 ℃后再稍有降低，柜出風口前0.50 m距離內(nèi)溫度較低。

由圖11可知：房間平均溫度保持為22.5～25.4 ℃，在16：00時升高到峰值；z=0.10、0.50、1.10、1.70、2.50 m所處各水平面的日平均溫度分別為19.8、22.5、24.0、24.8、25.4 ℃。白天隨著冷負荷的增大，房間上部的氣溫大大升高，熱量集聚在房間上部，在16：00時，房間上下的溫差達到最大，但工作區(qū)氣溫僅有小幅升高；到夜間，各測點氣溫穩(wěn)定，溫差減小。在重力循環(huán)柜獨立運行的房間，溫度隨著高度的增加而增加?？諝庠诠駜?nèi)發(fā)生對流換熱之后從下風口吹進室內(nèi)，地面存在低溫的蓄冷現(xiàn)象，室內(nèi)形成了穩(wěn)定的溫度梯度，溫度梯度隨高度的增加越來越小，這是由于上部空氣混合更加均勻。z=1.10 m和z=1.70 m所處平面溫度僅相差0.2 ℃，說明人站姿和坐姿的頭部溫差較小。

A列各測溫點逐時溫度測試結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，z=2.50 m處的平面溫度變化最大，在16：00時達到峰值30.5 ℃。由于A列各測溫點靠近外窗，窗口的日射得熱量較大，熱空氣上升，因此房間熱量匯聚在上部，使得A5點溫度較高，但工作區(qū)溫度波動不大，不影響工作區(qū)的熱舒適性；當日照得熱逐漸消失，房間溫差回歸穩(wěn)定值。從地面到1.10 m高度的溫度梯度較大，而從1.10 m到2.50 m高度的溫度梯度較小，房間存在明顯的溫度分層現(xiàn)象，符合置換通風的特點。

圖12 各個高度上的 A 點溫度分布Fig.12 Temperature distribution of point A at different height

3.4 溫度不均勻系數(shù)

各個高度的逐時溫度不均勻系數(shù)kt計算結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，z=0.10 m所處的腳踝平面kt最大，z=2.50 m所處的房頂平面在16：00溫度不均勻系數(shù)逐漸增加到最大，其余平面kt變化較小。房頂溫度不均勻性的增大對工作區(qū)穩(wěn)定的溫度場沒有影響。由于z=0.10 m所處的腳踝平面有一測點C離柜僅1.00 m間距，重力循環(huán)柜有出風口冷風下沉，溫度較低(平均溫度14.6 ℃)，而遠離出風口處溫度較高(平均溫度21.0 ℃)，因此溫度不均勻系數(shù)偏大，不建議人體在柜前1.00 m范圍內(nèi)停留太久。

圖13 溫度不均勻系數(shù)Fig.13 Temperature non-uniformity coefficient

3.5 熱舒適性評價

根據(jù)z=1.10 m所處的平面在工作時間(8:00-20:00)的平均溫度計算的熱舒適PMV和PPD指標結(jié)果如圖14所示。由圖14可知，室內(nèi)空氣濕度為50%，室內(nèi)物體平均輻射溫度為25.0 ℃，人體(成年男子)的新陳代謝率為1.0 met，人體做功功率取0，穿著薄褲+短袖襯衫+襪子+鞋子的服裝熱阻為0.57 clo，計算結(jié)果得到z=1.10 m所處的平面PMV隨時間逐漸增大，在17:00后逐漸減小，保持為-0.5～0.5，PPD在10%以內(nèi)，滿足I級熱舒適要求。

圖14 z=1.10 m所處平面的PMV和PPD分布Fig.14 PMV and PPD distribution in z=1.10 m plane

3.6 溫度垂直不滿意率

根據(jù)圖11可知，房間內(nèi)頭部和腳踝的平均豎向溫差Δta,h為4.2 ℃，重力循環(huán)柜工作時溫度垂直不滿意率PPD為10.3%，與文獻[18]計算的供冷工況下3種毛細管敷設(shè)方式的溫度垂直不滿意率(頂棚輻射為29.0%，墻面輻射為48.0%，地面輻射為64.0%)相比，重力循環(huán)柜溫度垂直不滿意率更低。

3.7 節(jié)能性評價

實測得毛細管重力循環(huán)柜回風口平均溫度為26.0 ℃，室內(nèi)人員活動區(qū)域，即1.70 m高度以下的平均溫度為22.5 ℃，重力循環(huán)柜送風溫度為14.1 ℃，EUC計算得1.42。送風溫度為21.0 ℃的側(cè)送風系統(tǒng)的能量利用系數(shù)EUC為1.26[19],重力循環(huán)柜的EUC比其高12.7%，有更高的能量利用率。

4 結(jié) 論

(1)重力循環(huán)柜多日運行時，能保持房間平均溫度穩(wěn)定，房間平均溫度為22.5～25.4 ℃。

(2)重力循環(huán)柜冷量調(diào)節(jié)能力好，在室外氣溫發(fā)生變化的情況下，滿足I級熱舒適性要求。

(3)室內(nèi)有溫度分層現(xiàn)象，地面和房頂?shù)娜掌骄鶞囟确謩e為19.8和25.4 ℃，溫度梯度隨高度的增加越來越小，工作區(qū)溫度不均勻系數(shù)較小。人體腳踝處由于重力循環(huán)柜的冷風下沉蓄冷特性所以溫度較低，出風口前的地面溫度較低，溫度不均勻系數(shù)較大。

(4)重力循環(huán)柜夏季送、回風速度分別為0.41和0.20 m/s，送風口較回風口前不同距離的風速整體更大，送風口風速在吹出0.50 m后衰減至0.10 m/s以下，室內(nèi)整體時均風速低于0.20 m/s，比傳統(tǒng)置換通風房間風速更低。

(5)重力循環(huán)柜系統(tǒng)的送風方式類似置換通風，比側(cè)送風系統(tǒng)的能量利用系數(shù)EUC高12.7%。