毛细管重力循环供冷末端装置及运行性能研究

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54 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013文章编号： 1005—0329(2013)09—0054—07毛细管重力循环供冷末端装置及运行性能研究谷德军，金梧凤，裴 凤，刘艳超(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)摘 要： 通过对重力循环柜联合金属吊顶辐射板运行进行试验研究，测试重力循环柜的补助制冷性能以及对室内热舒适性的影响。研究结果如下：内置三排毛细管的重力循环柜单独运行时，制冷量能够达到设计工况下的720W；重力循环柜联合辐射吊顶系统运行时，重力循环系统能够起到补助制冷作用，并对出风口周围地板结构有一定的蓄冷作用，具有部分辐射供冷的效果。当室内达到稳定状态后，距重力循环柜水平 30em以内的区域在 32min内垂直温差大于 3~C，30cm以外区域温度场满足人体舒适性要求。

关键词： 毛细管；重力循环供冷末端装置；吊顶辐射；供冷量中图分类号： TH12；TU831 文献标识码： A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．2013．09．013Research on Capillary Gravity-powered Cooling Terminal Device and Operating CharacteristicsGU De-jun，JIN Wu-feng，PEI Feng，LIU Yan—chao(Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin 300134，China)Abstract： In order to test gravity tank subsidies cooling performance and the influence of indoor therm al comfort，through themethod of experimental research，we make research on the gravity tank about itself refrigeration perform ance and perform ance ofgravity tank joint metal radiant panel operation．The results as~lows：The refrigerating capacity of built-in three rows of eapilar-Y core gravity tank can reach the design condition 720W ，when hybrid air conditioning system nlns，indoor temperature can bemaintmned，when gravity tank provide subsidies refrigeration，it also has the cold storage function on ground structure．Th e re—gion which off the gravity cabinet hofizontM direction less than 30cm，in a certain period of time the vertical temperature difer-ence greater than 3。C．but 30cm ou~ide the temperature field meet human comfort requirements.

Key words： capilary；gravity circulation cooling terminal device；ceiling radiation；cooling capacity1 引言辐射空调系统作为一种新型节能的空调方式，具有运行和维护费用低、用户间空气无交叉污染、无噪声、无吹风感、卫生舒适、降低建筑层高及利于对低品位能源的利用等优点 j。但 目前尚未广泛应用，主要原因是辐射面积和结露问题制约了辐射板的冷却能力。

由于辐射板供冷能力有限，目前采用冷梁、冷却格栅、降低送风参数、重力循环柜等补助制冷手段提高供冷能力。现阶段研究表明，冷梁的换热效率较低，降低峰值负荷的能力较差；冷却格栅的收稿日期： 2013—03—13 修稿日期： 2013—06—04基金项目：韩国国土海洋部尖端城市开发研究项目(09R&DA01)换热效率及降低峰值负荷的效果较好，维护费用低，但仅局限于小区域应用；降低送风参数能在短时间内降低峰值负荷，但初投资高；而重力循环系统无风管系统和风机设备，能够实现安静制冷 j，关于重力循环现阶段的研究大多集中在以下几个方面：李翠敏、赵加宁对毛细管重力循环供热装置进行实验研究，其结果表明调节供热量时，利用调节供水温度的方式比调节循环水流量有效 J。

马国彬、魏学孟对重力循环空调进行数值模拟研究，得出除送风口附近的区域外，大部分人员工作区域温度在24～26℃之间，风速不超过0．25m／s；2013年第41卷第9期 流 体 机 械 55风速和垂直温差在送风 口附近 1m范围内较大，会引起人体不适 』。侯兆川、郭海新对毛细管重力循环空调技术在工程的应用进行研究，从节能角度看，毛细管网重力循环空调末端结合热泵装置加置换通风系统的技术在理论与实际工程中均可行 。

目前关于辐射供冷技术的模拟研究重点是室内气流组织形式以及室内热舒适性方面，试验研究大多集中在供热工况，研究不同参数变化对供热性能的影响，而供冷工况下的试验研究较少。

本文主要是试验研究重力循环系统的补助制冷性能，通过试验方法测试重力循环装置本身的制冷性能；与吊顶辐射联合运行时，研究重力循环系统的补助制冷性能以及对室内热舒适性的影响。

2 重力循环柜选型试验在天津地区进行，夏季室外干球、湿球温度分别为 33．4℃和26．9~C_8 J，室内设计温度分别为 26~C、50％。计算 得 出此 时房 间冷负荷 为1492W。由于试验时间条件的影响，试验工况下室外干球温度为 25．6~C，相对湿度为 68．8％，此时设定室内温度、湿度分别为 23℃、50％，计算得出此时房间冷负荷为 1320W。

由以上计算可以看出，2种工况下室内冷负荷值相差不大。因此 ，在选取的试验工况下，试验测试各末端制冷性能是可行的。房间冷负荷由辐射吊顶和重力循环柜共同承担。吊顶辐射板采用的供回水温度为 16／18~C，此时金属辐射板制冷量为 62．5W／m L9j，吊顶辐射总面积为 10．8 m。，故吊顶共承担675W显热负荷，此时房间负荷为1320W，故需要重力循环柜承担剩余 645W负荷。

重力循环柜内置毛细管网采用德贝纳公司产品，毛细管管材为聚丙烯材料，外径4．3mm，壁厚0．9mm。由表 1可知，选取内置三排毛细管的重力循环柜即可满足要求。

表 1 重力循环柜的选型样本参数重力循环柜外形尺寸 1．2 x0．12x2．4 1．2x0．15x2．4 1．2×n18×Z4L×W×H(m)内芯毛细管尺 1
×2(3排) 1×2(4排) 1×2(5排) 寸 w
×H(m)制冷量(w) 720 1010 130o水流量(IVs) 0．052 0．086 0．095依据补助制冷量选取内置三排毛细管网的重力循环柜，由于受实验室房间高度的限制，重力循环柜尺寸更改为 1200mm×150mm x 1900mm，内置 毛 细 管 网 为 U10 型，尺 寸 为 1000mm ×1500mm。如图 1、2所示，毛细管网由外径为 4．3mm、壁厚 0．9mm的毛细管和外径 20mm、壁厚 2mm的供 回水主干管构成。在管芯两侧各 留出100mm，排间距为300mm。通过设备外罩形成的空气通道产生自然对流，一般认为设备高度越高，越有利于自然对流，考虑到测试房间高度的限制，将重力循环柜高度改为 1900mm。

高温冷风 口尺寸100高图 1 重力循环柜平面水管图2 重力循环柜剖面1：三排，供7℃，毛细管尺寸：1000mm×1500mm；2：一排 ，供 16℃，毛细管尺寸 ：1000mm×1000mm重力循环柜外壁面选用钢板，壁内侧紧贴一排尺寸为 1000mm×1000mm的U10型毛细管网，以使壁面温度降低，向室内辐射供冷，与邻近低温冷水毛细管间距为50mm。紧贴壁面毛细管做一层保温，以使 U10型毛细管紧贴壁面的同时，冷量直接通过壁面与室内换热，换热芯模块预留供水管和回水管与系统相连，泄水管设在重力循环柜右侧，凝水盘坡度为0．01。

3 试验内容3．1 实验台概况56 FI ID MACHINERY Vo1．4l，No．9，20l3流 重力循环柜 l L仁 金属吊顶一 ℃l 嘉 柰l 厂_] 虫l ? ? 调节心图3 水系统流程重力循环柜作为空调系统中的补助制冷装置，单独运行时，重力循环柜内低温冷水管为主要供冷末端，壁面高温冷水管提供补助制冷量。试验控制方案如图4所示，当室内温度高出设定温度 0．2℃以上时，重力循环柜内低温冷水运行，当高出设定温度0．5℃以上时，重力循环柜壁面的高温冷水运行；当重力循环柜表面温度高出露点温度 2℃范围以内或者室内温度低于设定值0．2℃，低温冷水循环水泵关闭，重力循环停止供冷。当室内温度高出设定温度未超过0．5℃时，高温冷水循环水泵关闭，重力循环柜壁面停止供冷。

图4 重力循环柜单独运行控制方案图5 重力循环柜联合吊顶运行控制方案重力循环柜与吊顶辐射联合运行时，重力循环柜内低温冷水管提供补助制冷量，重力循环柜2013年第4l卷第9期 流 体 机 械 57壁面高温冷水盘管不运行，为保证 吊顶发挥最大的制冷效果，优先开启吊顶辐射，控制策略依据主辅供冷末端变化与单独运行时相同，控制方案如图 5所示 。

实验室 内部热舒适性测试采用符合 国际ISO7726标准的Swema3000多功能室内气流测试系统，根据 Swema3000系统测量室内温度、相对湿度、室 内风速、黑球温度等数据并计算室内PMV及 PPD值；并分别在房间地板表面及高度为0．1m、1．1m处均匀布置热电偶 ，测试室内温度分布。

3．2 试验条件试验主要测试空调末端冷量和室内温度分布，显热的供给依据 EN14240—2004标准 。。，通过调节白炽灯瓦数及开启数量来实现，潜热由等焓加湿器提供。试验设定参数如表2所示。

表2 试验设定参数及器材型号项目 试验 1 试验 2重力循环 吊顶辐射联合 供冷方式系统单独运行 重力循环系统运行控制方式 开关控制 开关 +露点控制重力循环柜t。=7℃， 重力循环柜t，=7qC． 供水温度柜壁面 t2=16℃ 吊顶辐射 t2=16℃设定温度 23℃试验运行时间 2天冷源 空气源热泵机组 LHR-20BN传感器 风速：TSI；温度 ：PT100、T-type控制仪器：SCXI1010； 控制系统控制平台：LabVIEW8．6室内散热、散湿 显热：300W、潜热：240W、湿量 ：30G’g／h3．3 试验 内容为了研究重力循环供冷方式在实验工况下能否达到设计要求，以及其贡献的冷量及对室内舒适性的影响，本文重点在以下方面做了研究：重力循环柜单独运行 ，重力循环柜内置低温冷水毛细管作为室内主要的供冷末端，贴附在重力循环柜内壁表面的高温冷水管起补助制冷作用，研究重力循环柜内低温冷水管的供冷能力以及重力循环柜壁面盘管的冷量贡献率。

重力循环柜与辐射吊顶联合运行，重力循环柜作为补助制冷装置用以弥补辐射吊顶冷量不足的缺陷，主要测试内容包括空调末端供冷能力、竖向温度、地面温度及室内PMV、PPD值等参数，研究重力循环柜的补助制冷性能及其对室内热舒适性的影响。

4 试验结果分析4．1 重力循环柜单独运行重力循环柜作为补助制冷装置，单独运行不能完全消除室内负荷，但为末端的连续运行提供条件。为了解末端装置的制冷性能，有必要对重力循环柜内置毛细管及循环柜壁面盘管的供冷能力进行测试。如图6、表 3所示，重力循环系统提供的冷量从上午08：30到 10：0o逐渐升高，11：30达到最高值，13：o0之后则缓慢下降。这是因为重力循环是热压作用下产生的自然对流循环，室内空气与重力循环柜内空气密度差越大，产生的驱动力越强，热压作用越明显，导致制冷量越大。

900咖450骡+}∈O8：30 l2：00 l5：30采集时间图6 末端冷量分布表 3 单独运行时末端冷量值 (W)冷量 最大值 平均值 最小值重力循环柜 727．7 476．8 3l3．7重力循环柜壁面 36．3 34．3 32．3单独运行重力循环柜冷量值如表 3所示，重力循环系统向室内提供平均冷量为476．82W，最大制冷量能够达到 720W，满足设计要求。重力循环柜单独运行时，壁面最大提供25．2W／m 的冷量，此时由于壁面的对流及辐射换热量还受到重力循环柜内低温冷水的影响，实际壁面的供冷量要小于25．2W／m ，加之初投资较高，建议在实际工程中，取消壁面高温冷水辐射供冷。

4．2 重力循环柜与辐射吊顶联合运行4．2．1 供冷能力分析重力循环柜与辐射吊顶联合运行时，金属吊顶辐射板为室内主要供冷末端，重力循环柜起到补助制冷作用，室内温度分布及末端供冷性能如图7～10所示。从图 7可以看出，在 13：30室内温度达到设定值并趋于平稳，在 l3：20及 15：50室内温度出现峰值，随后温度下降，这是由于室内58 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9
，2013热源的存在使室内温度升高，高出设定值0．2~C，吊顶辐射板开启；高出设定值 0．5~C，重力循环柜开启，连续向室内提供冷量，使温度分别历经28、32min后下降到设定温度范围内。

一 24．0赠 23．0删22．O， 900佥 450骡O) 15：00 l8：00采集时间图7 室内温度分布ll：3O采集时问图8 9．00—13．30末端冷量分布从图8可以看出，系统运行初期，重力循环柜一 直处于开启状态，到 12：10时室内温度达到设定范围，重力循环柜关闭，但此时，由于冷冻水供冷的延缓作用以及地板蓄冷造成的辐射供冷效果，仍然向室内提供部分冷量，13：20室内温度比设定温度高于0．5~C，重力循环柜重新开启，供给室内冷量增加，如图9所示，16：37时室内温度下降到设定范围内，重力循环柜再次关闭，其冷量也相应降低，如此重复。在试验运行过程中，重力循环柜共开启3次，室内达到稳定状态后两次开启时间较短，分别为 15、21min。

900咖{佥 450骡Ol6：00采集时间图9 13：30～18：00末端冷量分布表4 联合运行时末端冷量值 (w)冷量 最大值 平均值 最小值吊顶辐射板 5O4．3 336．8 169．3重力循环柜 748．3 502．4 256．5新风 137．2 76．2 15．2从图 10可以看出，室内达到稳定状态后，重力循环柜提供的最大冷量为748．3W，冷量贡献率达到54％；吊顶辐射板供冷量最大在 504．3W。

发生了吊顶辐射板供冷量小于重力循环柜供冷量的现象，原因主要是辐射板的供水温度没有随室内设定温度的降低而降低，使得室内温度与吊顶辐射板之间温差较小，导致吊顶辐射没有发挥出最大供冷能力，而重力循环柜采用 7℃冷水供冷，导致重力循环柜供冷量占较大比重。

重力柜748．3。

新风提供冷量137．2．10％吊顶板冷量504．3．36％图 10 末端平均冷量百‘分比综上所述，重力循环柜单独运行时，最大制冷量能够达到720W，满足设计要求；壁面最大仅提供25．2W／m 的冷量，且初投资较高，建议在实际工程中，取消壁面高温冷水辐射供冷。重力循环柜与辐射吊顶联合运行时，室内可以维持稳定状态，由于辐射板的供水温度没有随室内设定温度的降低而降低，导致吊顶辐射没有发挥出最大供冷能力，从而重力循环柜供冷量占较大比重，冷量贡献率达到54％。

4．2．2 舒适性分析重力循环柜和吊顶辐射联合运行时，为了研究重力循环柜对室内热舒适性的影响，对室内温度场进行分析，室内距重力循环柜不同水平距离的竖直温差变化情况如图11所示。

4．Og蝥2．5啪1．0l5：00 l8：00采集时间图 11 距重力循环柜不同水平距离的竖直温差2013年第4l卷第9期 流 体 机 械 59从图中可以看出，室内达到稳定状态后，距重力循环柜水平 0．8、2．0m的区域，垂直温差随时间上升分别达到2．3℃、2．1 oC后趋于平稳。距重力循环柜水平 0．3m的区域，在 13：00垂直温差升高，但在人体舒适度允许的范围内波动，在 l5：40时垂直温差升高，并在 l6：00时温差达到最高3．4℃，经过 32min后下降到设定范围内，造成此时间段内温差较高的原因是重力循环系统的供冷特性，在 12：30—13：20、13：30—15：50时间段内，室内温度高出设定温度 0．5℃范围以内，重力循环柜处于关闭状态，不向室内提供冷量，由于室内热源的存在，室内温度升高，在 13：2O、15：50时，室温高出设定温度 0．5~C以上，导致重力循环柜重新开启，重力循环柜下送风使距重力循环柜较近的区域垂直温差较高。

根据 ASHRAE 55—2004标准，人体活动区(地板上方 0．I一1．1 m区域)的最大温度梯度不得超过 3~C 。¨。，实验测得距重力循环柜水平0．3m以内的区域在 l5：5O—l6：22时间段内垂直温差高于3℃，超出舒适度允许的范围，水平0．3m以外的区域，人体活动区温度梯度在 0．9～2．6℃内，符合人体舒适性的要求。

如图l2所示 ，重力循环供冷方式因送风口设在较低位置，受出风口冷空气的影响，地面温度呈下降趋势，而且重力循环柜附近地面温度下降较快，停止供冷以后，由于地板结构的蓄冷作用，地面以辐射、对流形式消除部分室内负荷，一定时间内也能维持供冷效果。由此可知，重力循环供冷方式具有部分辐射供冷的效果。

24赠 22暄20l5：00 18：00采集时问图 12 距重力循环柜不同距离的地面温度分布根据符合国际 ISO7730标准的人体热舒适测试系统 Swema3000，测得的室内P l，值以及 PPD值如图 l3所示。

采集时间图 13 室 内 硎 和 PPD从图 13中可以看出，室内达到稳定状态后，室内PMV值最初一直在 0～0．5范围内波动，在15：50时PMV升高到0．56，而后经 32min左右下降到0．5，15：50时，由于供冷末端的关闭和室内热源的存在，导致室内温度升高，重力循环柜重新开启，使室内温度下降到设定值并达到稳定状态。

ISO 7730标准对热舒适性指标的推荐值为PPD<10％，对 PMV指标的要求为 一0．5

5 结论(1)重力循环柜单独运行时，向室内供给的平均冷量为476．8W，最大制冷量为 727．7W，满足设计要求。此时，壁面作为补助冷源，实际提供的最大冷量仅为 25．2W／m ，建议在实际工程中，取消壁面高温冷水辐射供冷；(2)重力循环柜联合吊顶辐射板运行时，吊顶辐射板供冷量最大为 504．3W，重力循环柜的最大冷量为748．3W。由于辐射板的供水温度没有随室内设定温度降低而降低 ，导致吊顶辐射没有发挥出最大供冷能力，而重力循环柜采用 7℃冷水供冷，使得重力循环柜的供冷量占较大比重；(3)重力循环供冷方式因送风 口设在低位，受出风口冷空气的影响，出风 口周围地板结构的蓄冷作用，使地面以辐射、对流形式消除部分室内负荷，一定时间内也能维持供冷效果。由此可知，重力循环供冷方式具有部分辐射供冷的效果；(4)重力循环柜联合吊顶辐射板运行时，室内达到稳定状态后，距重力循环柜水平 0．3m以内的区域，15：50—16：22时间段内垂直温差大于FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，20133~C；0．3m以外的区域，人体活动区温度梯度在0．9—2．6℃内，符合 ASHRAE手册中人体热舒适性标准的要求。建议采用重力循环系统形式时，将人员活动区设在距离重力循环柜水平 0．3m以外的区域，由PMV和 PPD值分析得知，重力循环供冷方式对室内热舒适性没有影响。

致谢：实验台的搭建得到德贝纳暖通节能技术有限公司的资助，在此表示感谢!参考文献[1] Jae—Weon Jeong．Energy conservation benefits of a ded·icated outdoor air system with Parallel sensible coolingby ceiling radiant Panels[C]．ASHRAE Transactions，2003，102(1)：627-637.

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作者简介：谷德军(1985一)，男，硕士研究生，研究方向为暖通空调系统的节能与优化。

通讯作者：金梧凤(1964一)，男，副教授，博士，主要从事暖通空调系统节能与优化方面研究，通讯地址：3000134天津市北辰区津霸公路东口天津商业大学制冷与空调工程系。

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作者简介：何忠韬(1957一)，男，汉，教授，主要从事铁道机车车辆研究，通讯地址：210031江苏南京市南京市浦口区珍珠南路65号南京铁道职业技术学院动力工程学院。