CN111912065A - 自适应热阻尼的辐射空调末端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应热阻尼的辐射空调末端，包括依次设置的隔热层、换能层、热阻尼层和辐射面板，热阻尼层为换能层和辐射面板之间形成的空气层，换能层与辐射面板之间设置有用于调节空气层厚度的自调节支撑件，隔热层的热阻大于热阻尼层的热阻。本发明能动态调节热阻尼层的热阻尼值，从而动态调节辐射面板的板面温度，使辐射面板的板面温度最大限度下降到始终接近室内温度，从而在控制辐射面板不结露的同时提高辐射传热能力。

Description

自适应热阻尼的辐射空调末端
技术领域
本发明涉及辐射空调领域，更为具体来说，本发明涉及一种自适应热阻尼的辐射空调末端。
背景技术
辐射空调末端，作为一种新型的节能空调末端，应用范围广泛，且项目铺设面积大。
传统的辐射空调末端中，用于输送冷水和热水的传热结构件，例如由传热管道和导热铝板组成的换能层，直接与金属辐射面板贴附连接，或者通过一层厚度<1mm的消声薄膜贴附在金属辐射面板上，由于盘管和辐射面板板面接触的密度不同，辐射面板在接近传热管道的区域，形成低温条状区域，低温条状区域的温度比其他区域温度低，使辐射面板温度不均匀；当这些低温区域的温度低于室内空气露点温度时，空气中的水蒸气容易在这些区域凝结形成水珠；辐射空调系统运行过程中，室内空气相对湿度随着室内人员及门窗开关情况有很大变动，导致室内空气露点温度升高，使辐射面板出现结露；辐射面板结露易滋生细菌，破坏室内卫生环境；为了防止低温区域的形成，通常的做法是：
1、提高空调冷冻水的水温，使辐射面板表面温度维持在室内空气露点温度之上，例如：当室内干球温度26℃、相对湿度50％时，空气露点温度为15℃；当室内干球温度28℃、相对湿度50％时，空气露点温度为16.8℃；当室内干球温度28℃、相对湿度60％时，空气露点温度为18.8℃；因此将辐射空调系统板面温度控制在19.3℃以上，这样室内大多数运行工况都不会产生结露现象。但由于室内温湿度为不断产生变化的变量，将板面温度固定在某一个控制点时，并不能最大程度发挥辐射制冷的效率；
2、在传感器探测到室内露点温度高于辐射面板表面温度0.5～1℃时，直接切断冷冻水，也即关闭空调系统的运行，这也导致空调系统的关闭，影响使用效果；
3、依靠新风负担室内更多湿负荷，使得新风处理状态点的要求更高，能耗要比常规新风系统处理状态点高10％～35％。
而且，目前传热管道均采用串联的形式进行传热，内部流体通道相当于串联式长行程，不便于安装，且传热效率差。辐射空调末端的传热管道多采用U型盘管，为了便于U型盘管的弯曲加工，管材宜使用圆管结构。但由于圆形的盘管与平面结构的接触面积小，热传导性差。因此通常需要在圆管外包裹增加热传导的散热翼，因此增加了生产工艺环节和制造成本，另外，散热翼既要和圆管需要贴合完好，还需保证与平面结构贴合的平整度，因此增加了生产工艺质量控制的难度。
因此，如何使辐射面板表面温度均匀、控制辐射面板不结露的同时提高辐射传热效率，成为本领域重点关注且亟待解决的问题之一。
发明内容
为解决现有辐射空调末端传热效果差、易结露、安装难度大、能耗高等问题，本发明创新地提供了一种自适应热阻尼的辐射空调末端，该辐射空调末端能动态调节热阻尼层的热阻尼值，从而动态调节辐射面板的板面温度，使辐射面板的板面温度最大限度下降到始终接近室内温度，从而在控制辐射面板不结露的同时提高辐射传热能力，且换能层采用并联流体通道的形式进行传热，辐射热量更均匀，提高传热效率，防止辐射面板结露。
为实现上述的技术目的，本发明公开了一种自适应热阻尼的辐射空调末端，包括依次设置的隔热层、换能层、热阻尼层和辐射面板，所述热阻尼层为所述换能层和辐射面板之间形成的空气层，所述换能层与所述辐射面板之间设置有用于调节所述空气层厚度的自调节支撑件，所述隔热层的热阻大于所述热阻尼层的热阻。
进一步地，所述自调节支撑件为形状记忆合金件。
进一步地，所述自调节支撑件为记忆合金弹簧。
进一步地，所述空气层的厚度为0.5mm-5mm。
进一步地，所述隔热层的热阻>0.1m2K/W。
进一步地，所述换能层包括第一主管、第二主管和多个支管，多个所述支管并行排列形成支管阵列，所述第一主管和所述第二主管平行，所述第一主管和所述第二主管分别固定在所述支管阵列的两端，所述第一主管和所述第二主管均与所述支管阵列连通。
进一步地，所述支管为矩形管，第一主管、第二主管和多个支管在辐射面板上的投影面积之和大于多个支管间空隙的投影面积总和。
进一步地，所述支管的管壁厚度为0.5mm-2.5mm，所述支管的导热系数为0.1W/mK-1.0W/mK。
进一步地，所述换能层的进液口和出液口均设置在所述第一主管上，所述第一主管内部设有阻断件，所述阻断件位于所述进液口和所述出液口之间。
进一步地，所述换能层的进液口设置在所述第一主管上，所述换能层的出液口设置在所述第二主管上，所述进液口和所述出液口设置在所述支管阵列的不同侧。
本发明的有益效果为：
本发明提供的自适应热阻尼的辐射空调末端能动态调节热阻尼层的热阻尼值，从而动态调节辐射面板的板面温度，使辐射面板的板面温度最大限度下降到始终接近室内温度，从而在控制辐射面板不结露的同时提高辐射传热能力；换能层采用并联流体通道的形式进行传热，辐射热量更均匀，提高传热效率，防止辐射面板结露；换能层与辐射面板板面的温差更大，对冷源或热源的温度要求更低，降低能耗、更加节能；轻质、便于安装；模块化结构，对使用场合没有限制。
附图说明
图1为自适应热阻尼的辐射空调末端的结构示意图。
图2为另一状态下的自适应热阻尼的辐射空调末端的结构示意图。
图3为记忆合金弹簧变形过程示意图。
图4a为一种实施例的换能层的结构示意图。
图4b为与图4a的接口位置不同的换能层的结构示意图。
图5a为另一实施例的换能层的结构示意图。
图5b为与图5a的接口位置不同的换能层的结构示意图。
图6a为无热阻尼层的辐射空调末端的热量传递示意图。
图6b为本发明的自适应热阻尼的辐射空调末端的热量传递示意图。
图6c为铜管外侧热阻尼层的温度分布呈对数曲线图。
图7a为采用8℃冷冻水进入换能层时本发明的自适应热阻尼的辐射空调末端的辐射面板板面温度测试图。
图7b为采用8℃冷冻水进入换能层时无热阻尼层的辐射空调末端的辐射面板板面温度测试图。
图8a为采用10℃冷冻水进入换能层时本发明的自适应热阻尼的辐射空调末端的辐射面板板面温度测试图。
图8b为采用10℃冷冻水进入换能层时无热阻尼层的辐射空调末端的辐射面板板面温度测试图。
图中，
1、换能层；2、热阻尼层；3、隔热层；4、辐射面板；5、自调节支撑件；11、第一主管；12、第二主管；13、支管；14、进液口；15、出液口；16、阻断件；17、接口；31通孔。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明提供的自适应热阻尼的辐射空调末端进行详细的解释和说明。
如图1和2所示，本实施例具体公开了一种自适应热阻尼的辐射空调末端，包括依次设置的隔热层3、换能层1、热阻尼层2和辐射面板4，热阻尼层2为换能层1和辐射面板4之间形成的空气层，换能层1与辐射面板4之间设置有用于调节空气层厚度的自调节支撑件5，隔热层3的热阻大于热阻尼层2的热阻。
自调节支撑件5通过调节自身的厚度或形变来调节换能层1与辐射面板4之间的空气层的厚度，即通过自调节支撑件5来调节热阻尼层2的热阻尼值，来达到防结露的目的。自调节支撑件5为形状记忆合金件，形状记忆合金是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料；是一种只需要施加温度变化，即发生形变的合金材料。在本发明中，形状记忆合金件能根据温度进行形变，来调节换能层1与辐射面板4之间的空气层的厚度，即调节热阻尼层2的热阻尼值。形状记忆合金件的形变受温度的影响，该温度主要指空气层的温度，对应的其受辐射面板温度、环境温度、冷热水源温度等的综合影响。
更优选地，自调节支撑件5为记忆合金弹簧。记忆合金弹簧的形变规律如图3所示，其长度随温度的变化而动态变化，对热阻尼层2的厚度进行动态调节，其调节的热阻尼层2的厚度范围为0.5mm-5mm，即空气层的厚度为0.5mm-5mm，空气在室温条件下导热系数λ约0.026W/mK，因此热阻尼层2的热阻范围为0.023m2K/W-0.1m2K/W。
隔热层3的热阻＞热阻尼层2的热阻。隔热层3与热阻尼层2形成不对称传热，热量更多的向热阻尼层2一侧传递，而且作为热阻尼层2的空气层使得辐射更均匀，达到防结露的效果。隔热层3的热阻>0.1m2K/W，优选地，隔热层3的厚度>1mm，导热系数≤0.05W/mK。更优选地，隔热层3的厚度为2.5mm-50mm，导热系数为0.001W/mK-0.05W/mK。隔热层3为硬质塑料板或发泡成型板材。
如图4a、4b、5a和5b所示，换能层1包括第一主管11、第二主管12和多个支管13，多个支管13并行排列形成支管阵列，第一主管11和第二主管12平行设置，第一主管11和第二主管12分别固定在支管阵列的两端，第一主管11和第二主管12均与支管阵列连通。冷源或热源的液体经第一主管11或第二主管12进入换能层1后，流经多个支管13形成的并联通道，进行传热。采用多个支管并联的传热方式，使换能层内部流体通道成并联式短行程，相比于串联长行程流体通道，降低流体阻力、减少能耗，传热更均匀。
多个支管13可以垂直于第一主管11和第二主管12，也可以与第一主管11和第二主管12形成一定的夹角(即支管13在第一主管11和第二主管12之间倾斜设置)。优选地，多个支管13垂直于第一主管11和第二主管12。
支管13为矩形管，即支管13的纵截面为长方形或正方形，相对于传统的圆形管，矩形管的有效传热面积更大，传热更均匀，提高辐射效率，提高防结露能力，可以不需要散热翼结构，降低成本，且降低现场安装难度。第一主管11、第二主管12和多个支管13在辐射面板上的投影面积之和大于多个支管13间空隙的投影面积总和，传热面积更大，辐射效果更好，更加节能。优选地，第一主管11和第二主管12也为矩形管。
支管13的管壁厚度为0.5mm-2.5mm，支管13的导热系数为0.1W/mK-1.0W/mK。优选地，支管13为PP-R管(聚丙烯无规共聚物管)、LDPE管(低密度聚乙烯管)、HDPE管(高密度聚乙烯管)、PP管(聚丙烯管)、PET管(聚对苯二甲酸管)、PMMA管(聚甲基丙烯酸甲酯管)、PVC管(聚氯乙烯管)、PEEK管(聚醚醚酮管)、PC管(聚碳酸酯纤维)、聚丁烯管、聚酰胺纤维管、环氧树脂管或尼龙管。本发明的支管13相对于金属管质量轻、便于运输和安装，降低现场安装难度，管壁厚度和导热系数的设置使得支管在保持轻质和强度的基础上，导热效果良好。
优选地，支管13的表面为发射率较高的黑色或深色。
如图4a和图4b所示，换能层1的进液口14和出液口15均设置在第一主管11上，第一主管11内部设有阻断件16，阻断件16位于进液口14和出液口15之间。液体从进液口14进入第一主管11内，在阻断件16处被阻断，阻断件16将第一主管11分隔成左右两侧；进入到第一主管11内的液体在第一主管11左侧被分流到阻断件16左侧的多个支管13内，流体经支管13汇流到第二主管12后，又被分流到阻断件16右侧的多个支管13内，最终汇流到第一主管11右侧，从出液口15流出。图中箭头方向为液体的流动方向。
如图4a所示，进液口14和出液口15分别设置在第一主管11的左右两端，进液口14和出液口15均连接有接口17，通过接口17将两个辐射空调末端直接连接，降低辐射空调末端的安装难度。
如图4b所示，第一主管11的两端为封闭端，进液口14和出液口15设置在第一主管11的管体上，进液口14和出液口15均连接有接口17，接口17垂直于第一主管11。在进行安装时，通过软管连接相邻两个辐射空调末端上的接口17来实现组合安装。软管的一端连接其中一个辐射空调末端出液口15处的接口17，软管的另一端连接另一个辐射空调末端出液口15处的接口17。
如图5a和图5b所示，换能层1的进液口14设置在第一主管11上，换能层1的出液口15设置在第二主管12上，进液口14和出液口15设置在支管阵列的不同侧，即进液口14和出液口15对角设置。液体从进液口14进入第一主管11内，被分流到多个支管13内，流经并联的多个支管13后汇流到第二主管12，从第二主管12上的出液口15流出。图中箭头方向为液体的流动方向。
傅里叶导热定律：q＝-λ(αt/αx)n
其中，q：热流密度；λ：导热系数；αt/αx：温度梯度；n：等温线上的法向单位矢量。
如图6a所示，无热阻尼层，换能层1直接与辐射面板4接触；由于缺少热阻尼层2的y方向热传导，辐射面板4的等温线T4弧度较大，即表面温差较大。
如图6b所示，在换能层1和辐射面板4之间设置热阻尼层2；按照傅里叶导热定律，在各向均质的热阻尼层2中，如热量从换能层1进入热阻尼内部后，由于临近左侧的x和y方向都存在温度梯度(等温线在x-y的截面表现为曲线)，温度梯度最大的方向，通过的热流密度q也最大。由于积分累积效应，经计算可以得出：热量达到热阻尼层2右侧边界时，等温线趋于平坦，也即热阻尼层2右侧边界温度趋于均匀。辐射面板4的等温线T4则更为平坦。
因此，增设热阻尼层2的辐射空调末端的辐射热量更均匀，辐射效果更好，防止结露现象的发生。
等温线理论基础：常见的导热结构件为铜管，如图6c所示，如果将热阻尼层看做半侧的圆筒壁，那么铜管和热阻尼层近似为单层圆筒壁的一维稳态热传导过程。根据杨世铭《传热学》第四版P52推导可知，热阻尼层中的温度分布(t1-t2)呈对数曲线。
按照傅里叶导热定律，热阻尼层右侧边界的均匀程度，与热阻尼材料的导热系数λ和厚度x正相关。但是，随着导热系数λ或厚度x加大，热传导的效率会降低；热阻尼材料采用空气时，厚度x加大还会增加热对流，并不利于等温线的平坦化。但是，如果空气层厚度x太小，热传导效率虽然会提高，但是会造成换能层和辐射面板板面的温差较小，辐射面板表面产生结露，需要提高供冷时冷源的温度，导致高能耗、高造价。
因此，本发明通过自调节支撑件调节的热阻尼层的厚度在0.5mm-5mm范围，既保证了热传导效率，同时也达到节能的效果。
对本发明的辐射空调末端和无热阻尼层的辐射空调末端进行对比测试，两个辐射空调末端的换能层内均通入8℃的冷冻水，如图7a所示，图中M1、M2、M3、M4和M5为随机选取的辐射面板表面的测量点，测得各点的温度分别为22.0℃、21.8℃、22.0℃、21.8℃和21.8℃，计算得辐射面板的表面温差最大仅为0.2℃，辐射面板温度较均匀。如图7b所示，无热阻尼层的辐射空调末端的各点温度分别为12.0℃、11.1℃、13.2℃和12.9℃，辐射面板的板面温差最大为2.1℃、温差最小为0.9℃，各点温度差距较大。对比可知，本发明的辐射空调末端能降低辐射面板的板面温差，使辐射面板板面温度更均匀，防止结露现象的发生。
目前常见的辐射空调系统没有热阻尼层(即换能层直接与辐射面板贴附)，实测的换能层和辐射面板板面的温差ΔT内外基本低于5℃。由于需要克服辐射面板板面结露的问题，辐射面板温度不能低于露点温度，冷冻水的温度无法使用8℃-10℃冷冻水系统，需要配置16℃-18℃高温冷冻水系统，导致高能耗、高造价。
本发明的辐射空调系统，由于通过自调节支撑件能调节热阻尼层的厚度，即调节热阻尼层的热阻，从而动态调节辐射面板的板面温度，使辐射面板的板面温度最大限度下降到始终接近室内温度，且实测换能层和辐射面板板面的温差ΔT内外基本大于14℃。最低进水温度可以为6℃，一般采用8℃-10℃，因此常规冷冻水系统均能使用，不需要另外设置高温冷冻水系统，能耗低、造价低，更加节能。
设置对照实验对换能层和辐射面板板面的温差ΔT内外进行测试，实验环境为室内温度28.5℃，相对湿度60％，对应的露点温度为20℃，采用10℃冷冻水输入辐射空调末端的换能层：
1、如图8a所示，辐射面板板面温度为24.2℃-24.7℃，辐射面板板面温度接近室内温度，且辐射面板温度高于露点温度，不会结露，可以正常工作，换能层和辐射面板板面的温差ΔT内外大于14℃，辐射面板板面指辐射面板远离空气层的表面。
2、对照组为无空气层的辐射空调末端，如图8b所示，测得辐射面板板面温度为12.9-14.6℃、低于15℃，辐射面板板面产生结露，换能层和辐射空调板面的温差ΔT内外小于5℃。因此，在此室内条件下，对照组的辐射面板不能使用10℃冷冻水工作。
因此，本发明通过自调节支撑件动态调节换能层与辐射面板之间的空气层的厚度，使得辐射面板板面的温度更接近室内温度，防止结露；而且使得换能层和辐射面板板面温度温差较大，使供冷的冷冻水温度更高，供暖的热水温度更低，对冷源或热源的温度要求更低，能耗更低、更加节能。
本发明的隔热层和热阻尼层构成不对称换能的辐射空调末端，以隔热层采用厚度为10mm的EPP发泡保温板(发泡聚丙烯板)辐射空调末端进行实验。实验环境为室内温度28.5℃，相对湿度60％，查表得对应的露点温度为20℃。采用10℃冷冻水输入辐射空调末端的换能层后1小时，实测辐射面板的板面温度为24.2℃-24.7℃，而隔热层外表面温度在28.0℃-28.3℃。由于隔热层的热阻较高，而热阻尼层的热阻较低，因此更多的热量能从热阻尼层一侧传入换能层，被冷冻水吸热，使辐射面板的板面温度更低，从而本发明的自适应热阻尼的辐射空调末端可以自由适应各种运行环境的防结露高效率运行。
本发明的自适应热阻尼的辐射空调末端在辐射空调系统采用10℃冷冻水供能的情况下，通过动态调节辐射空调末端的热阻尼值，可以将辐射面板的板面温度在12℃-25℃范围内自由调整，从而可以自由适应各种运行环境的防结露高效率运行。
综上，本发明通过动态调节热阻尼层的热阻尼层，从而动态调节辐射面板的板面温度，使辐射面板的板面温度最大限度下降到始终接近室内温度，从而在控制辐射面板不结露的同时提高辐射传热能力。而且，本发明提供的自适应热阻尼的辐射空调末端为标准化模块结构，质轻、价廉，便于运输，且在施工现场组合安装方便、快捷；可应用于不同的建筑场景中，如吊顶、墙面或地面等，对使用场合没有限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，包括依次设置的隔热层(3)、换能层(1)、热阻尼层(2)和辐射面板(4)，所述热阻尼层(2)为所述换能层(1)和辐射面板(4)之间形成的空气层，所述换能层(1)与所述辐射面板(4)之间设置有用于调节所述空气层厚度的自调节支撑件(5)，所述隔热层(3)的热阻大于所述热阻尼层(2)的热阻。
2.根据权利要求1所述的自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，所述自调节支撑件(5)为形状记忆合金件。
3.根据权利要求2所述的自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，所述自调节支撑件(5)为记忆合金弹簧。
4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，所述空气层的厚度为0.5mm-5mm。
5.根据权利要求1所述的自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，所述隔热层(3)的热阻>0.1m2K/W。
6.根据权利要求1所述的自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，所述换能层(1)包括第一主管(11)、第二主管(12)和多个支管(13)，多个所述支管(13)并行排列形成支管阵列，所述第一主管(11)和所述第二主管(12)平行，所述第一主管(11)和所述第二主管(12)分别固定在所述支管阵列的两端，所述第一主管(11)和所述第二主管(12)均与所述支管阵列连通。
7.根据权利要求6所述的自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，所述支管(13)为矩形管，第一主管(11)、第二主管(12)和多个支管(13)在辐射面板上的投影面积之和大于多个支管(13)间空隙的投影面积总和。
8.根据权利要求6或7所述的自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，所述支管(13)的管壁厚度为0.5mm-2.5mm，所述支管(13)的导热系数为0.1W/mK-1.0W/mK。
9.根据权利要求6所述的自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，所述换能层(1)的进液口(14)和出液口(15)均设置在所述第一主管(11)上，所述第一主管(11)内部设有阻断件(16)，所述阻断件(16)位于所述进液口(14)和所述出液口(15)之间。
10.根据权利要求6所述的自适应热阻尼的辐射空调末端，其特征在于，所述换能层(1)的进液口(14)设置在所述第一主管(11)上，所述换能层(1)的出液口(15)设置在所述第二主管(12)上，所述进液口(14)和所述出液口(15)设置在所述支管阵列的不同侧。
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