宗天晴，傅允準

（上海工程技術大學，上海 201620）

0 引言

輻射空調系統(tǒng)具有舒適性好、能耗低和節(jié)省空間等特點，應用前景廣闊。夏季工況時，雙冷源新風除濕機比普通除濕機的除濕效果更佳。使用單一冷源調節(jié)很難使室內環(huán)境溫濕度同時滿足要求，當熱濕比不匹配時通常會犧牲濕度來優(yōu)先滿足溫度要求，最終導致室內濕度無法滿足要求［1］。雙冷源新風機組利用2種不同的工作溫度對新風進行除濕、降溫處理，可以充分實現(xiàn)能源的梯級利用，并實現(xiàn)對新風溫度、濕度的精確控制［2］。李鵬魁等［3］介紹了輻射空調專用的兩級新風除濕機的工作原理，并對設計開發(fā)的該兩級新風除濕機進行了性能測試。

目前，國內外學者對輻射空調舒適性、能耗以及系統(tǒng)優(yōu)化等方面進行了大量研究。SHEN等［4］提出了一種新穎的熱電輻射空調系統(tǒng)（TERAC），該系統(tǒng)采用熱電模塊作為輻射板代替了傳統(tǒng)的水力發(fā)電板。XUE等［5］利用?分析的方法，說明設計工況下輻射末端火用效率為普通風機盤管的1.6～1.9倍。ABDALLA等［6］提出了一種使用太陽能驅動的液體干燥劑蒸發(fā)式冷卻器輻射式空調系統(tǒng)。ZHAO等［7］研究表明基于新型可變制冷劑流量（VRF）的輻射空調系統(tǒng)實現(xiàn)了最佳的能源效率，為中小型住宅建筑中溫度和濕度的獨立控制提供了有希望的解決方案。SI等［8］提出了一種將誘導通風和輻射空調相結合的空調系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在垂直方向和水平方向上形成一個整體均勻的室內溫度場，從而可以在室內熱環(huán)境中產生更好的整體舒適感。ZHOU等［9］分析了輻射冷卻吊頂與轉輪機組的組合系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了輻射冷卻吊頂系統(tǒng)中通常出現(xiàn)的除濕，制冷效率和室內空氣質量等問題。龔光彩等［10］提出了一種頂板與側墻結合的復合式空氣載能輻射末端新形式，該形式在滿足冬季供暖需求的同時具備節(jié)能舒適的特點。XIE等［11］提出了一種地源熱泵輻射頂板（GSHP-RC）系統(tǒng)的參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方法，在確保室內熱舒適性的同時最大化系統(tǒng)性能并降低運營成本來找到最佳設定點組合。韓磊峰等［12］針對生物氣溶膠引起的院內呼吸感染，提出一種獨立新風加冷暖輻射空調系統(tǒng)的新思路。DING等［13］研究了不同送風方式對輻射空調室內熱舒適性與濕度分布的影響。余志鋒［14］提出了采用射流空氣膜以隔絕室內空氣與輻射板接觸的方法防止輻射板結露。DU等［15］通過模擬仿真研究了人在睡眠狀態(tài)下，基于輻射工位空調系統(tǒng)的的不同板溫、發(fā)射率、板床距時的熱舒適性指標。HAN［16］計算了毛細管輻射在不同位置鋪設的熱舒適指數(shù)數(shù)據(jù)PMV-PPD，分析了鋪設位置對熱舒適PMV-PPD以及冷熱條件下能量供求平均溫度的影響。PENG等［17］通過試驗說明空氣攜帶能量輻射空調系統(tǒng)（ACERS）與分體式空調相比，ACES的溫度調節(jié)范圍更大，并且ACERS的熱舒適性更好。KASSIM等［18］研究了室內空氣溫度和輻射地板采暖板位置對居住區(qū)熱狀況的影響。王鑫昊等［19］采用CFD數(shù)值模擬法對多塊金屬輻射板在串聯(lián)結構下的換熱性能進行了模擬分析。曹振等［20］對雙冷源新風除濕機與輻射板聯(lián)合制冷系統(tǒng)應用于會議室的運行特性進行研究。

本次研究主要對應用于上海某高校試驗室的金屬輻射板與雙冷源新風機組空調系統(tǒng)供暖時的運行特性進行測試研究，其研究結果對該系統(tǒng)的進一步研究及工程應用具有一定的參考價值。

1 試驗研究

為了研究金屬板輻射板供熱性能以及金屬輻射板與雙冷源新風機組空調系統(tǒng)供熱運行特性，在上海某高校的試驗室進行實際測試。試驗室位于一樓，尺寸為8.3 m（長）×4.0 m（寬）×3.25 m（高），最大顯熱冷負荷為3 182 W，濕負荷為1 720.56 g/h，鋪設有25.92 m2金屬輻射吊頂板，新風系統(tǒng)采用地板送風頂板回風的方式。

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括空氣源熱泵主機、金屬輻射板末端、雙冷源新風機組。

圖1 試驗系統(tǒng)Fig.1 The experimental system

空氣源熱泵產生的35 ℃的低溫熱水一部分提供給金屬輻射末端供熱，另一部分提供給新風機組的加熱盤管用于加熱新風，雙冷源新風機組的內部結構如圖2所示。由圖2可知，雙冷源新風機組內部主要由過濾段、熱盤管段、再熱、濕膜加濕段及送風段組成。室外新風經過全熱交換器和雙冷源新風機組內的熱盤管段后，溫度為22 ℃左右，經過濕膜加濕段后，含濕量為7 g/kg左右，最后被送入室內，供熱工況制冷除濕壓縮機不工作，該試驗系統(tǒng)主要設備選型見表1。

圖2 雙冷源新風機組工作原理Fig.2 Working principle diagram of double-cold-source fresh air handling unit

表1 試驗系統(tǒng)主要設備選型Tab.1 Selection of main equipment in experimental system

房間輻射板連接采用多塊串聯(lián)方式，主要以5塊為主，多塊金屬輻射板的串聯(lián)連接方式如圖3所示。

圖3 多塊串聯(lián)金屬輻射板連接方式Fig.3 Connection mode of multiple metal radiation panels in series

1.2 試驗儀器

室內溫度場和輻射板表面溫度使用PT100熱電偶溫度傳感器進行測量，并由安捷倫數(shù)據(jù)采集器采集并記錄（測量精度±0.1 ℃）。輻射板進回水溫度由溫度傳感器進行測量（測量精度0.05%/1 ℃），數(shù)據(jù)經控制面板讀取。室內、室外及送風口的溫濕度由Testo溫濕度記錄儀（測量精度±0.4 ℃）進行記錄。室內CO2濃度由Testo多功能測量儀進行測量（測量精度±（75 mg/L CO2+3%測量值）），PM2.5濃度由PM2.5傳感器進行測量（測量精度±10%）。

2 試驗結果分析

2.1 雙冷源新風機組運行狀態(tài)分析

測試時間為2020年12月12-13日，共2天，室外溫濕度、送風口溫濕度、室外與送風口含濕量分別如圖4～6所示。由圖4可知，第1天室外溫度在6～12 ℃之間變化，相對濕度則在47%～83%之間變化。第2天氣溫降低，溫度在4～13 ℃之間變化，相對濕度則在34%～87%之間變化，較第1天波動幅度大。

圖4 室外溫度和濕度變化情況Fig.4 Variation of outdoor temperature and humidity

由圖5可知，全熱交換器和雙冷源新風機組內的熱盤管段工作8 h后，送風口的送風溫度在22 ℃左右波動，上、下波動幅度為1 ℃左右。而相對濕度在42%左右波動，波動幅度在5%以內。

圖5 送風口溫度和濕度變化情況Fig.5 Variation of temperature and humidity of supply-air outlet

由圖6可知，第1天室外空氣含濕量在4～6 g/kg之間波動，第2天室外空氣含濕量在3～6 g/kg之間波動，波動幅度較大。而室內送風口的空氣含濕量2天中均在6.5～8 g/kg之間波動，相對室外空氣波動幅度較小。雙冷源新風機組中的水膜加濕器加濕室外空氣保證送風口濕度的恒定。

圖6 室外與送風口含濕量對比Fig.6 Comparison of the absolute humidity between outdoor and supply-air outlet

2.2 空氣源熱泵運行狀態(tài)分析

測試期間，空氣源熱泵主機的供回水溫度如圖7所示。由圖7可知，2天中空氣源熱泵主機的供回水溫度變化規(guī)律基本相同，供水溫度在34～39 ℃之間波動，回水溫度在32～36 ℃之間波動，供水平均溫度為36.4 ℃左右，回水平均溫度為36.2 ℃左右。

圖7 空氣源熱泵主機供回水溫度Fig.7 Supply and return water temperature of air source heat pump

2.3 輻射供暖室內熱濕環(huán)境分析

輻射供暖時，室內溫濕度以及室內垂直方向溫度梯度變化情況如圖8，9所示。

由圖8可知，開機85 min后室內溫度達到設定值22 ℃，開機8 h后室內溫度和相對濕度基本達到穩(wěn)定，穩(wěn)定之后，第1天室內溫度在24～25 ℃之間變化，相對濕度在34%～38%之間變化。第2天溫度在24～26 ℃之間變化，相對濕度在32%～36%之間變化。因此可知，系統(tǒng)運行期間，第2天比第1天室內溫度略高，而其相對濕度則會比第1天時略低。

圖8 室內溫濕度變化情況Fig.8 Variation of indoor temperature and humidity

圖9示出室內中間位置兩處垂直方向溫度梯度測量結果，由圖可知，開機8 h內室內溫度迅速上升，8 h后則緩慢上升并逐漸達到穩(wěn)定，穩(wěn)定后第1天室內工作區(qū)不同高度溫度在23～25.5 ℃之間變化，第2天時不同高度溫度都在23.5～26.5 ℃之間變化。室內垂直溫差為0.89 ℃/m，垂直方向溫度分布均勻，舒適程度較高。

圖9 室內垂直方向測點溫度梯度分布Fig.9 Temperature gradient distribution of indoor measuring points in vertical direction

2.4 室內空氣品質分析

輻射供暖時，室內CO2濃度以及PM2.5濃度變化情況如圖10，11所示。圖10示出室內CO2濃度變化情況，開機后由于室內連續(xù)不斷的新風補充，CO2濃度迅速下降，隨后持續(xù)緩慢下降至433 mg/L，并且穩(wěn)定在該值附近。圖中3次CO2濃度的波動均為人員流動造成。其中第3次最大幅度的波動是由于2名人員進入試驗室活動約710 min。綜上所述，雖然隨著人員流動室內CO2濃度有一定的波動，但是隨著機組連續(xù)運行，新風不斷補充，整體上呈下降趨勢，室內空氣質量較好。

圖10 室內CO2濃度變化情況Fig.10 Variation of indoor CO2 concentration

由圖11可知，開機后，雙冷源新風機組中過濾段開始工作，送入室內的新風PM2.5濃度開始下降。開機1 h內，室內PM2.5濃度由141 μg/m3迅速下降至55 μg/m3，已降到我國《環(huán)境空氣質量標準》中PM2.5的二級限值75 μg/m3以下。隨后緩慢下降，在試驗進行到1 200 min時，室內PM2.5濃度降至我國《環(huán)境空氣質量標準》中PM2.5的一級限值35 μg/m3。當試驗進行到1 660 min時，室內PM2.5濃度降至10 μg/m3，已達到世界衛(wèi)生組織（WHO）發(fā)布的《關于顆粒物、臭氧、二氧化氮，二氧化硫空氣質量準則》中的最高標準，不會增大人體健康的風險。綜上所述，室內PM2.5濃度穩(wěn)步下降，室內空氣品質很好。

圖11 室內PM2.5濃度變化情況Fig.11 Variation of indoor PM2.5 concentration

3 結論

（1）雙冷源新風機組運行期間，全熱交換器和雙冷源新風機組內的熱盤管段工作8 h后，送風口的送風溫度在22 ℃左右波動。室內送風口的空氣含濕量為7 g/kg左右，相對室外空氣波動幅度較小。雙冷源新風機組內的水膜加濕器加濕室外空氣保證送風口濕度的恒定。

（2）供暖測試期間，開機85 min后，室內溫度達到設定值22 ℃，開機8 h后，室內溫度和相對濕度基本達到穩(wěn)定，平均溫度為24.8 ℃，平均相對濕度為34.3%，室內垂直溫差為0.89 ℃/m，垂直方向溫度分布均勻，舒適程度較高。

（3）供暖測試期間，雖然隨著人員流動室內CO2濃度有一定的波動，但是整體上持續(xù)下降直至穩(wěn)定，室內PM2.5濃度持續(xù)下降至我國以及世界衛(wèi)生組織相關標準，室內空氣品質很好。