辐射吊顶供冷房间结露特性研究

金梧凤 王 倩 于志浩

(1 天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 天津 300134; 2国内贸易工程设计研究院 北京 100054)

辐射吊顶供冷房间结露特性研究

金梧凤1王 倩1于志浩2

(1 天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 天津 300134; 2国内贸易工程设计研究院 北京 100054)

本文通过实验研究和数值模拟相结合的手段，研究了辐射供冷系统启动阶段辐射板表面温度变化及系统稳定阶段人体散湿的强度和人员散湿的位置对结露特性的影响，结果表明：在系统启动阶段单独运行辐射供冷系统6 min后就会发生结露现象，所以在系统启动阶段要及时采取有效的预除湿措施，在此过程中，辐射板表面温度的降低比人体散湿强度的变化对结露的时间的影响更显著；在系统稳定阶段，每增加一个成年男子轻度劳动时的散湿量，结露提前12 min左右发生，人体所在位置的辐射板比其他位置处辐射板先发生结露，在防止结露时，应重点监测人体上方区域的辐射板的表面温度。

辐射吊顶供冷；露点温度；辐射板表面温度；结露时间

辐射空调供冷系统作为一种新型的温湿度独立控制的空调系统，避免了传统空调系统使用过程中能源浪费、房间温度梯度较大、吹风强度大引起人员不舒适等弊端[1]，并且以其节能、舒适、健康环保和应用领域广泛等优点，近年来得到越来越多的关注[2]。

夏季采用辐射吊顶供冷时，容易出现结露现象。当室内的散湿强度增加，或者为了提高供冷能力而降低供水温度时，在辐射板表面温度低于室内空气的露点温度，就会发生结露现象，直接影响制冷系统的运行状况[3]。为了避免结露必须保证辐射板表面温度不能过低，但是辐射板的供冷能力受到限制。因此，防止辐射板表面结露与提高辐射板的供冷能力两者相互制约，这也是阻碍辐射板广泛推广的关键因素[4]。有国外学者针对辐射空调的舒适性、节能性等方面进行了深入研究，研究指出辐射吊顶供冷空调系统具有较大市场需求与发展的空间；刘乃玲等[5]针对辐射板表面温度的变化进行了实验研究，结果表明，在辐射供冷系统开启后约60 min内，辐射板的表面温度、室内空气的温度均有显著变化，系统开启60 min后，上述各项趋于稳定。针对预防结露的问题，有学者提出了优先控制湿度的思想，在辐射空调开启前先开启送风系统，对房间进行预除湿处理，控制房间的相对湿度[6-7]，也有学者对末端装置进行研究来解决结露问题[8-10]。而要解决结露问题需要了解结露的过程，即人体散湿后水蒸气是如何扩散的及贴附层的含湿量的分布情况，因此研究贴附层含湿量的扩散特性对防止结露是至关重要的。

本文采用实验与数值模拟相结合的方法对辐射板结露特性进行研究，主要针对封闭房间人体散湿这一影响湿扩散的重要因素进行研究，通过实验手段对启动阶段辐射板温度变化情况和辐射板的结露的时间进行研究，并用模拟方法扩展研究了稳定阶段时，不同人体散湿的位置和人体散湿强度下，各辐射板下方贴附层的含湿量和露点温度的变化情况，以及各辐射板的结露特性，为提出合理的防止结露措施提供一些思路。

1 实验研究

1.1 实验台概况

该实验房间尺寸为5 m×3 m×2.3 m，墙壁和屋顶均为50 mm厚的聚苯彩钢板，房间有一南外墙(3 m×2.3 m)，墙上有一外窗(3 m×1.45 m)，如图1所示，实验房间的吊顶采用毛细管网金属辐射板，单个尺寸1500 mm×800 mm，共9块，毛细管网规格为U20，辐射顶板配管布置平面图如图2所示，该图为俯视图，四面边线为墙壁。左、右侧距离东墙0.3 m，距离南侧外墙0.35 m，距离北墙0.15 m，实线所示为供水，虚线所示为回水。图3所示为金属辐射板内部结构图[11]，图4所示为辐射板实物图，在江苏苏州妥思空调设备有限公司按德国标准建造的测试台上对该辐射板的制冷量进行测试，测试结果为：在供回水温度为16/18 ℃时，制冷量为62.5 W/m2[12]。

实验台用风冷式热泵机组作为系统冷源，供回水温度设定为7/12 ℃，通过分集水器，一部分冷水进入空调机组处理新风，另一部分低温冷水经过板式换热器与辐射板回水进行热交换，利用冷源测的三通调节阀使供水温度维持在16～20 ℃，进而送入实验室毛细管网进行换热。

图1 实验房间效果图Fig.1 Rendering of the experimental room

图2 辐射板及配管布置平面图Fig.2 Plan of radiant panels and piping layout

图3 辐射板内部结构图Fig.3 Internal structures of radiant panel

图4 辐射板实物图Fig.4 Physical map of radiant panel

1.2 实验条件

在本次实验中尽可能创造一个不受外界环境干扰的理想实验环境，实验设定条件如表1所示。

1.3 实验内容

由于辐射冷吊顶与室内环境的辐射对流作用，辐射板附近的空气温度明显低于工作区的空气温度，真正导致辐射板结露的是靠近辐射板下方0.01 m的空气层(以下简称为贴附层)，而非室内人员工作区的空气层[13]。

表1 实验设定条件Tab.1 The conditions of the experiment

本实验主要研究辐射板表面温度变化情况和含湿量扩散特性，实验测试了散湿强度为300 g/h[14]，人员位于房间中央时，与人体不同的相对位置处辐射板的表面温度和贴附层的温湿度，进而分析计算贴附层的含湿量和露点温度，比较辐射板表面温度和贴附层露点温度，得出辐射板结露的时间，并针对辐射板表面温度和贴附层露点温度动态变化特性对结露的时间的影响效果进行对比分析。

1.4 测试点布置

每块辐射板表面布置6个T型热电偶温度测点，取6个测点温度的平均值作为该辐射板的表面温度，在贴附层平面上布置9个温湿度测点，分别位于每块辐射板中央的正下方0.01 m处，温湿度变送器的编号为1～9，与辐射板的编号顺序相同。

1.5 实验结果分析

图5所示为系统启动阶段各辐射板表面温度随时间的变化曲线，由于系统启动阶段辐射板表面温度迅速下降，而后下降趋势比较缓慢，因此按斜率不同可以将曲线分成两个阶段：第一阶段(0～40 min内)辐射板表面温度平均以0.13 ℃/min的速率下降；第二阶段(40～80 min内)辐射板表面温度下降速率较小，平均为0.03 ℃/min。出现这种现象的原因是：随着系统运行，毛细管内冷水和辐射板结构层间温差逐渐减小，板表面温度与贴附层干球温度差值也逐渐减小，导致换热能力降低。从图5还可以看出，板2处温度下降最快，且最终温度最低，这是由于两侧辐射板侧面直接与空气直接接触，导致辐射板冷量不必要的耗费，而板2处于中间位置，冷耗损较少，所以吊装时应对其它辐射板各侧面进行严密的保温。另一方面，在系统启动40 min内各辐射板的表面温度下降很快，因此在该阶段要特别注意结露的发生。

图5 各辐射板表面温度变化Fig.5 The change curves of surface temperature on each radiant panel

图6 贴附层各参数随时间的变化曲线图Fig.6 The graph of attaching layer parameters changes over time

图7 典型测点各参数随时间的变化Fig.7 Each parameters changes of typical measuring points over time

图6所示为贴附层含湿量和露点温度随时间的变化曲线，从图6可以看出，贴附层的含湿量和露点温度具有相同的变化趋势，含湿量先以0.05 g/(kg·min)的速率升高，约20 min后又以0.015 g/(kg·min)的速率逐渐降低，这是由于随着人体不断散湿，各辐射板贴附层的含湿量均有不同程度的升高，20 min后各辐射板均发生了结露现象，水蒸气凝结成水滴，从而出现含湿量逐渐降低的现象，而随着含湿量的变化，露点温度先以0.05 ℃/min的速率升高而后以0.025 ℃/min速率下降。在此实验工况下，辐射板8的贴附层含湿量和露点温度均比其他位置处高，这是由模拟人体散湿的出口具有朝向板8方向的初速度，湿扩散的强度较其它方位

散湿强度大导致的。

综上所述：板2表面温度最低，板8对应的贴附层露点温度最高，因此下面对2、8典型测点进行结露的时间的对比分析。

由图7可知，板2在6 min左右发生结露现象，板8在12 min左右发生结露现象，在结露之前，板2降温速率为0.32 ℃/min，对应贴附层的露点温度升高速率为0.03 ℃/min；板8降温速率为0.16 ℃/min，对应的贴附层露点温度升高速率为0.09 ℃/min，这说明在系统启动阶段，板表面温度的变化比贴附层露点温度的变化对结露时间的影响更大。

通过测得的贴附层空气的温湿度计算出贴附层露点温度，比较不同时刻(以5 min为一个时间间隔)辐射板表面温度和贴附层露点温度，得出每块辐射板首次结露的时间，结露的时间汇总如表2所示：

表2 各辐射板结露时间Tab.2 Each radiant panel condensation time

综上所述：在系统启动40 min内，辐射板表面的温度快速下降，贴附层露点温度逐渐升高，系统运行6 min就会出现结露现象，所以在辐射供冷系统启动阶段，要针对辐射板表面温度的变化及时采取有效的预除湿措施，而辐射板表面温度下降的速率比贴附层露点温度上升的速率大很多，因此在系统启动阶段，散湿强度一定时，板表面温度的变化比贴附层露点温度的变化对结露时间的影响更大。

2 数值计算

本文采用数值模拟方法进行扩展研究，首先建立湿扩散模型，然后将实验测试数据与模拟数据进行对比，从而验证模型的准确性，实验和模拟相结合的研究方法可以很大程度上缩短研究周期，降低研究成本。上节已用实验的方法对系统启动阶段辐射板表面温度和辐射板结露特性进行了研究，本节采用模拟的方法对系统稳定阶段不同人体散湿的强度和人体散湿的位置对辐射板结露特性的影响进行研究。2.1 计算模型及计算方法

采用Gambit软件对实验房间进行三维建模和网格划分。由于研究的对象是湿扩散，所以数值计算时为了节省计算时间，省略室内人员、设备等模型的建立，只建立房间、金属辐射板和模拟人体散湿的几何模型。

分子的扩散系数表示它的扩散能力，是物质的物理特性之一，主要依靠实验测量其值，扩散系数的大小主要取决于扩散物质和扩散介质的种类及温度和压力。当空调房间内包含着两种组分，如果它们各处的浓度不同，系统内任何一种组分将从高浓度向低浓度进行物质传递，因此水蒸气也在浓度梯度的驱使下进行传递。

对于水蒸气与干空气的双组分系统，水蒸气流入微元体的量减去流出微元体的量，就可以得出水蒸气的累积量。水蒸气在空间内扩散一般是由对流和扩散两种作用力组成，其中扩散通量可以通过菲克定律对以上式子的整理分析，可以得出对流扩散方程[15]。

(1)

式中：DAB为组分A在组分B的扩散系数，m2/s；ux、uy、uz为组分A在方向x，y，z上的分速度，m/s；cA为组分A的浓度，mol/m3；RA为单位时间内组分A因化学反应生成量，mol/s；Si为外界的输入量，mol/s。

模拟参数和边界条件设置如下：

1)模拟采用非稳态设置，由于实验室南侧窗户进行了遮阳保温处理，所以不需开启太阳辐射模型；

2)模拟中湍流模型为标准k-ε方程模型[16]，控制方程采用有限容积法进行离散；

设计中将MC33887DH的输入引脚IN1接到PWM信号上，IN2接到同一PWM发生器模块的另一个PWM信号上。只是在实际使用中，IN2的信号输入并没有采用PWM信号，而是直接输入高低电平来与IN1形成电压差。在EN、D1和都满足芯片正常工作的条件下，当IN1的电平高于IN2时，OUT1和OUT2的输出信号就会形成前向信号，当N1的电平低于IN2时，OUT1和OUT2的输出信号就会形成反向信号。当N1的电平等于IN2时，OUT1和OUT2的输出信号相等，电机停转。因此，通过控制IN1和IN2的电平既可以实现对于电机速度的控制，也可以实现对于电机转向的控制[12]。

3)辐射模型选用DO辐射模型[17]；

4)激活组分输运模型，模拟人体散湿的出口采用速度入口边界条件；

5)各围护结构和地面采用定温边界条件，数值依照实验测量值设定；

6)假定辐射板处于理想工作状态即各辐射板表面温度值相等，设置为定温边界条件。

2.2 人体散湿强度对结露特性的影响

在辐射吊顶供冷系统运行稳定阶段，人员位于房

间中央位置，研究散湿强度分别为300 g/h、400 g/h、500 g/h(约为3、4、5个成年男子极轻劳动下的散湿量)时辐射板结露的特性。

图8 不同散湿强度下的贴附层露点温度变化曲线Fig.8 The change curves of attaching layer dew point temperature under different scattered wet strengths

表3 不同散湿强度下各辐射板结露时间Tab.3 Each radiant panel condensation time of different scattered wet strengths

图9 不同散湿强度下的结露时间曲线图Fig.9 The curves of radiant panel condensation time under different scattered wet strengths

如图8所示，取人体的散湿强度为400 g/h，比较不同散湿强度下辐射板表面温度和贴附层露点温度，得出该工况下辐射板的结露时间，如表3所示。图9所示为不同散湿强度下结露的时间的曲线图，从图中可以看出，随着散湿强度的增加，各辐射板首次结露的时间都有所提前，每增加一个成年男子轻度劳动时的散湿量，结露的时间平均提前12 min左右，这主要是因为随着散湿强度的增加，贴附层各处的含湿量升高速率加快，因此各贴附层露点温度升高速率加快。在各辐射板表面温度相同的情况下，散湿强度增加时，结露提前发生，因此在室内潜热负荷增加时，可以根据增加的潜热负荷预测防止结露的安全温差，从而在防止结露的同时，动态控制辐射板的供冷时间，尽可能提高辐射板供冷能力。由图9还可知，每增加一个成年男子轻度劳动时的散湿量，同一辐射板的结露的时间差值逐渐减小，且随着人体散湿强度的增加，各辐射板结露的时间差值也逐渐减小，其原因是随着散湿强度的增加，各贴附层之间露点温度升高速率差值减小，而各辐射板表面温度相同，故各辐射板结露的时间差值也逐渐减小。

2.3 人体散湿的位置对结露特性的影响

在辐射吊顶供冷系统运行稳定阶段，散湿强度为600 g/h，人员分别位于房间中央、北侧中央、南侧中央时，分析湿扩散特性和辐射板结露情况。

以人员位于房间中央为例，图10所示为散湿强度为600 g/h、监测20 min时纵向截面的含湿量分布云图，从云图中可以看出水蒸气离开模拟人体散湿的出口后在初动量的作用下向上扩散，到达辐射板之后向两侧扩散，由于受到冷辐射的作用，温度较低的水蒸气有向下扩散的趋势。从图中还可以看出随着垂直高度的增加，湿度逐渐增加，靠近辐射板平面上的含湿量值最大。

图10 含湿量分布云图Fig.10 The contours of moisture content

图11 贴附层露点温度变化曲线Fig.11 The change curves of attaching layer dew point temperature

图12 不同散湿位置下的结露时间曲线图Fig.12 The curves of radiant panel condensation time under different wet source locations

散湿位置下列辐射板首次结露时间/min板1板2板3板4板5板6板7板8板9房间中央地板上467463463461440450480460460北侧中央地板上467464473500527493533530533南侧中央地板上500510510490497497473470477

如图11所示，比较该工况下辐射板表面温度和贴附层露点温度，得出该工况下辐射板的结露时间，结露的时间汇总如表4所示。图12所示为不同人体散湿位置下结露时间曲线图，由图中可以看出位于人员上方的三块辐射板比其它辐射板提前发生结露现象，这主要是因为在模拟人体散湿的出口初动量的作用下，水蒸气垂直向上扩散的强度较大，水蒸气到达顶板后才会沿水平方向扩散，因此人员上方贴附层的含湿量较其他位置处大，而已假定理想情况下各辐射板表面温度相同，各贴附层的干球温度相差很小，因此人员上方贴附层的露点温度较高，人员上方的辐射板比其他位置处辐射板先发生结露。

2.4 数值计算可靠性验证

为验证数学模型的准确性，选取辐射冷吊顶系统稳定条件下的实验，并建立相应的模型，实验中加湿器出口有一斜向35°的倾角，散湿强度为300 g/h，根据实验条件设置模拟边界条件进行数值计算，此时辐射板温度设成定温边界条件。取9个测点的实验所得含湿量和模拟所得的含湿量进行比较，结果如图13所示。由图中可以看出实验值和计算值之间存在一定的误差，起始阶段两者吻合性较好，在加湿器运行后期，模拟值要普遍高于实验值，后期存在误差主要是由于加湿器后期水量随着蒸发的减少，散出的水蒸气的量略有降低，测点4的误差较大，但是相对误差在10%范围内，且总体趋势保持一致，因此可验证所建立的数学模型具有较好的准确性。

图13 各测点含湿量计算结果与实验结果对比Fig.13 The confrontation between calculation results and experimental results of moisture content of measuring points

3 结论

本文在封闭绝热房间对辐射吊顶供冷系统中的湿度扩散特性和结露特性进行实验和模拟研究，得出以下结论：

1)不开启新风系统的情况下，系统启动阶段6 min后就会发生结露现象，所以在系统启动阶段要及时采取有效的预除湿措施，在此过程中，辐射板表面温度的变化比人体散湿强度的变化对结露时间的影响更大。

2)在系统稳定阶段，随着散湿强度的增加，各辐射板首次结露的时间都有所提前，每增加一个成年男子轻度劳动时的散湿量，结露的时间平均提前12 min左右，因此在室内潜热负荷增加时，可根据增加的潜热负荷动态预测防止结露的安全温差，从而在防止结露的同时，动态控制辐射板的供冷时间，从而提高辐射板供冷能力。

3)在系统稳定阶段，由于人员正上方贴附层的含湿量和露点温度比其他位置对应的贴附层的含湿量和露点温度均高，而辐射板的表面温度相同，所以人员上方辐射板比其他位置处辐射板的结露的时间提前4 min左右，在防止结露时，应重点监测人员上方区域的辐射板表面温度。

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About the author

Jin Wufeng, male, associate professor, doctor, Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, +86 13802186472, E-mail：kob@tjcu.edu.cn. Research fields: energy-saving control technology of radiant floor cooling and heating system， control technology of energy-saving and environmental protection housing.

Research on Condensation Characteristics in a Cooling Room with Radiant Ceiling

Jin Wufeng1Wang Qian1Yu Zhihao2

(1. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China; 2. Internal Trade Engineering Design & Research Institute, Beijing, 100054, China)

A combined method of experimental and numerical simulation was used in this paper to study the surface temperature variations of radiant panel in the start-up stage of radiant ceiling system, and the condensation characteristics of radiant panels were analyzed under different moisture strengths and locations of human being in the stable stage of radiant ceiling system. The results show that in the start-up stage when the radiant cooling system is operated independently, the condensation occurs on the radiant panel after the system starts 6 minutes, and the decreasing of radiant panel surface temperature has more significant impact on the condensation time than the increasing of moisture strength. So it is necessary to take effective measures to prevent condensation in time in the start-up stage. In the stable stage, the radiant panel condenses about 12 minutes earlier when the moisture strength equivalent to an adult man body is additionally added. And the radiant panel which is exactly above the moisture source condenses earlier than others. So the surface temperatures of radiant panels above the moisture source should be monitored to prevent condensation.

radiant ceiling; dew point temperature; radiant panel surface temperature; condensation time

2015年1月8日

0253- 4339(2015) 06- 0057- 09

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.057

TU831.75；TP391.9；P426

A

金梧凤，男，副教授，博士，天津商业大学制冷技术重点实验室，13802186472，E-mail: kob@tjcu.edu.cn。研究方向：地面辐射冷暖系统的节能控制技术，节能、环保住宅的控制技术。