一种新型辐射板供冷能力分析与优化

一种新型辐射板供冷能力分析与优化

刘慧;宁柏松;陈友明;张顺波

【摘要】A heat transfer model was established for a new type modular radiant panel with air gap based on principle of thermal equilibrium.The model was validated by experiment.The effects of geometrical and operation parameters on cooling capacity of the radiant panel were analyzed.The results show that:the tube spacing, water temperature, support height and external diameter have a greater impact on cooling capacity of the radiant panel;the flow rate and tube wall thickness have a small impact.Cooling capacity of the radian panel can be improved greatly, by parameters optimization.A formula is obtained for cooling capacity of the radiant panel, and it provides convenience for this kind of radiant panel’ s structure des ign and operation analysis.%建立了一种含空气层的新型模块化吊顶辐射板传热模型，用实验验证了模型的可靠性，分析了辐射板的结构参数和运行参数对辐射板供冷性能的影响。性能分析表明：管间距、水温、塑料支撑高度、铜管外径对辐射板供冷能力影响较大，而管壁厚度和流速的影响很小；通过对参数进行优化，可以使辐射板供冷能力有很大提高。同时，提出了一个该类辐射板供冷能力的计算式，为这类辐射板的结构设计与运行分析提供了便利。

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2015(000)024

【总页数】6页(P79-84)

【关键词】辐射板;空气层;传热模型;供冷能力;优化

【作者】刘慧;宁柏松;陈友明;张顺波

【作者单位】湖南大学土木工程学院，长沙410082;湖南大学土木工程学院，长沙410082;湖南大学土木工程学院，长沙410082;湖南大学土木工程学院，长沙410082

【正文语种】中文

【中图分类】TK124

辐射顶板供冷系统20世纪70年代起源于欧洲，后来逐渐在其他国家和地区得到应用。它在节能效果与热舒适性方面拥有一些传统中央空调不具备的优势，并越来越多地被应用到实际工程当中。

顶板辐射供冷主要有辐射板和埋管式冷顶板两大类［1］。常见的辐射板(图 1［2］)在运行过程中，板面温度分布不均匀，铜管与辐射板接触部位的温度比其它部位低很多。若为了提高供冷量而降低水温，这个区域将有较大的结露风险。本文研究的新型模块化辐射板［3］与常见的辐射板相比，在铝箔与金属天花板之间有一层较薄的塑料网格支撑，形成了一个空气层。这样的结构使辐射板下表面温度分布更均匀，能降低系统使用低温水时板面的结露风险，但也影响了辐射板的供冷能力。

图1 辐射板结构及运行红外照Fig.1 The structure and infrared image of radiant panel

关于辐射传热模型的研究有很多，例如，湖南大学的王丽洁等［4］分析了管帘式冷吊顶辐射板管内冷媒的温升与供水温度、水流速度、管径之间的相关性。南京理

工大学周兴红等［5］利用有限差分法对低温地板辐射进行的数值模拟。Jae-Weon Jeong等［6］对自由悬挂的金属管板型的辐射板，给出了辐射板表面的辐射传热量的计算模型。Néstor Fonseca［7］研究了辐射板的结构参数、供水温度、流量及周围环境参数对辐射板性能的影响，并对不同配置的辐射吊顶系统进行模拟分析和实验测试。清华大学高志宏等［8］通过对现有计算方法的分析，提出了以室内等效辐射温度作为辐射换热计算参数的方法，等等。但关于本文这类新型辐射板传热分析研究少有报道。

建立了一种新型辐射板的传热数学模型，用实验验证了模型的可靠性。并用此模型分析铜管外径、管壁厚度、塑料网格支撑高度、管间距、流速、水温对辐射板供冷能力的影响。通过对模拟结果的分析，得到了一个关于辐射板供冷能力的便捷计算式，便于工程技术人员对这类辐射板进行设计和系统运行分析。

1 新型辐射板传热模型

1.1 辐射板物理模型

图2为新型辐射板平面示意图及剖面图，图3为辐射板中任意相邻两管间的结构

示意图。图3中，1为玻璃棉(也可以使用其他保温材料)，起保温作用;2为厚度

δ2的铝箔;3为铜管，管内半径r1，壁厚δ1，铝箔与铜管紧密接触，以保证良好

的导热性能;4为盘管的塑料支撑网格，厚度δ4，在铝箔与金属天花板之间形成封闭的空气层(即编号为6的部分);5为厚度δ3的铝制金属天花板。

图2 辐射板平面示意图及AB方向剖面图Fig.2 The schematic plan of panel and profile from AB

图3 辐射板模型Fig.3 The model of radiant panel

图4 图3中C处放大图Fig.4 Detail drawing of C in fig.3

1.2 辐射板传热数学模型假设

辐射板及其与房间的传热过程实质是一个三维动态过程，为了便于求解分析，做以

下几点假设:

(1)由于冷水温度沿铜管中轴线方向变化缓慢，故认为此方向的的温度近似相等，

取辐射板进出口平均水温作为冷水的定性温度;

(2)每块辐射板除了最边缘的铜管外，其它各管间的分布基本相同。因此，在假定

辐射板所用材料质地均匀的前提下，可以认为铜管中心断面处绝热;

(3)由于玻璃棉为保温材料，辐射板的反向传热损失很小，可以假定近似绝热;

(4)假定室内空气温度不变。

基于上述假设，以图3所示部分进行计算分析时，可以认为热量的传递是个二维

稳态过程。

1.3 辐射板传热数学模型

以图3所示局部结构为研究对象，当冷水在铜管内以速度u、温度T w流动时，

根据能量守恒原理，冷水与铜管内壁之间的换热量将等于铜管内壁与包裹铜管的铝箔外表面之间的换热量，即:

式中，Q t为换热量，W;h w为冷水与铜管之间的对流换热系数，W/(m2·K);T1

为包裹铜管的铝箔温度，K;T in为铜管内壁温度，K;d1、d2、d3、L 分别为铜管

内直径、外直径、包了铝箔之后的直径和铜管长度，m;λCu、λAl、λw分别为铜、铝和水的导热系数，大小分别为407 W/(m·K)、107 W/(m·K)和0.574

W/(m·K);Nu、Re、Pr分别为努塞尔数、雷诺数和普朗特数，其大小根据冷水定

性温度取值计算。

图5 微元划分示意图Fig.5 Sketch of mesh generation

考虑到实际工程中不需要获得辐射板表面温度的连续分布函数，以及求取解析解的难度较大，因此只求解温度分布的数值解。将图3所示的铝箔、空气层、金属天

花板沿Y轴方向分别划分为12个微元(图5)，每一类微元的编号分别为j、k和m。