261采用低温冷水的地板埋管辐射供冷结露问题的仿真研究.doc

采用低温冷水的地板埋管辐射供冷结露问题的仿真研究哈尔滨工业大学市政学院 唐勇辉 姜永成摘要：以设有地板埋管供冷系统+独立新风系统的办公室为研究对象，介绍了设地板埋管系统的空调房间的动态传热传湿模型的建模机理，并作了相应的简化建立了数值计算模型。用数值仿真的方法，分别仿真出了设置混水泵和不设混水泵两种工况下的采用低温冷冻水的地板埋管供冷的壁面温度，并与室内露点温度比较，对比了两个不同工况下的仿真结果，分析研究后得出地板埋管系统采用低温冷冻水供冷室内含湿量变化不大的前提下可不设置混水泵，辐射壁面也不会结露。关键词：地板埋管供冷、数值仿真、露点温度、结露、混水泵0、 引言由于辐射空调系统与对流空调系统相比拥有较高的热舒适性及节能性13，故近年来对辐射空调的使用也越来越广泛，在辐射空调系统中，夏季辐射壁的结露问题是一个亟待解决的问题。一般设计为了保险起见，均要求冷水温度高于室内露点温度0.51，如此一来，只能选取高温冷水来供冷，限制了辐射空调的冷却能力4。地板埋管供冷系统可否采用低温冷水来供冷而保证辐射壁不结露呢？本文通过对地板埋管系统的传热机理的分析，建立地板埋管供冷系统的仿真模型，通过模型仿真来研究这个问题。1、 地板埋管供冷系统的分析及建模本文研究的系统为地板埋管供冷系统，如图1所示包括一个带外墙的房间和埋地供冷盘管。采用建筑热过程中介绍的墙体分层计算方法计算维护结构的动态传热，采用有限差分一维动态传热方程来分层计算5。对每一面维护结构建立一个微分方程组，建模机理均是依靠能量守恒定律并且考虑材料蓄热，反映了传热的动态特性。图1 房间模型示意图及地板墙体细部构造图为了反映水管的动态传热特性，考虑地板埋管的管内存水的蓄热性，将水管差分为10段串联的水管，逐段采用集中参数进行计算，在最后一段的集中参数即为地板埋管的出水温度。在此处不采用对数传热温差，是因为该模型反映了动态特性，而动态边界条件可能会出现对0取对数而导致计算中断的情况；而算术平均温差，其物理意义就是错误的，计算时可能会出现热量从低温传到高温的错误情况。采用分段计算方法，能够准确地反应传热的动态趋势，计算结果与实际结果也只是精度上的区别。为了真实反映出地板各处温度的不均匀性，将地板均分为10块，与10段盘管一一对应。水管与垫层的传热本应为三维动态传热，为了简化模型，以至于更方便的求出模型的逐时解，垫层与水管相接触的那个曲面取一个集中温度来替代曲面的温度场，将其简化为一维动态传热，地板块与地板块之间无热量传递。房间各维护结构所采用的建筑材料的参数如表1所示，房间的开间为4m，进深为5m，层高为3.5m，门的尺寸为2m1.2m，窗的尺寸为1.5m1.5m。表1 各维护结构所用建筑材料的参数列表维护结构导热系数厚度比热密度外侧表面换热系数内侧表面换热系数材料W/(m2)mJ/(kg)kg/m3W/(m)W/(m)外墙0.930.02840180018.68.7水泥砂浆0.810.248801800砖墙0.290.121590627泡沫混凝土0.930.028401800水泥砂浆内墙0.930.0284018008.78.7水泥砂浆0.810.248801800砖墙0.930.028401800水泥砂浆天花板0.930.0284018008.78.7水泥砂浆1.840.047502344碎石混凝土1.540.078402400钢筋混凝土0.930.028401800水泥砂浆窗0.760.00484025008.78.7玻璃门0.110.0219303778.78.7红松门地板0.930.0284018008.78.7水泥砂浆1.540.078402400钢筋混凝土0.930.028401800水泥砂浆找平0.0310.02210050聚苯乙烯保温1.840.067502344碎石混凝土0.930.028401800水泥砂浆房间采用地板埋管系统+新风系统的复合系统，空调送风用于除去室内的余湿及满足室内的新风需求，同时也负担一部分室内的冷负荷，地板埋管系统的用电磁阀根据室温反馈进行ON/OFF控制，即在一个控制周期内调节占空比。房间的温湿度计算也采用集中参数，考虑灯光照明、人员、设备散热等内扰因素及与维护结构的对流换热和空调系统的送风，根据能量守恒定律及质量守恒定律建立室内温度及湿度的微分方程。2、 低温冷水供冷的仿真模拟 地板埋管系统采用低温冷水来供冷，设计思路是在地板埋管入口设电磁阀及混水泵，用壁面温度与露点温度来进行防结露控制，在电磁阀开启的时间段内若壁面温度减去0.5后的值低于室内露点温度时开启混水泵；用设定值与室温的偏差控制电磁阀开启时间，即改变电磁阀的占空比，电磁阀关闭时水泵也停止运行6。此策略的防结露控制是开启混水泵，末端仍按定流量运行。系统如图2所示。控制周期分别取1h和0.5h，PID控制器参数的取值分别为Kp=2，Ki=0.1，Kd=10，混水比为0.5，冷水温度为7，供水流量为374 kg/h，地板埋管系统运行时间为4:0020:00；室内人员散热为242W，照明及设备散热为900W，人员散湿为436g/h，空调送入温度为16湿度为85%的120 m/h的新风量，办公室的使用时间为8:0020:00。室外气象参数的变化为：室外温度和太阳辐射得热分别为 、 W，这些为进行仿真实验基准条件。2.1 设混水泵的室温设定值为26时的仿真模拟室温设定值为26、控制周期为1h时的仿真结果曲线如图3所示。室温全天的波动范围为25.326.5，工作时间的室温波动范围为25.726.5，地面温度的波动范围为21.324.2，室温与壁温的温差在1.15.2之间变化，因采用空气+水系统，能够及时消除室内的余湿，室内的含湿量比较稳定，露点温度恒定在17.66，地板表面无凝水产生，供水温度恒定在7，混水泵从未投入使用。控制周期为0.5h时的仿真结果曲线如图4所示。室温全天的波动范围为25.426.5，工作时间的室温波动范围为26.026.5，地面温度的波动范围为21.324.2，露点温度恒定在17.66，供水温度恒定在7，混水泵从未投入使用。 图3 设定值26周期1h的仿真结果图 图4 设定值26周期0.5h的仿真结果图2.2 入口设混水泵的室温设定值为23的仿真模拟控制周期为1h室温设定值为23时的仿真结果曲线如图5所示。室温全天的波动范围为23.124.5，工作时间的室温波动范围为23.424.5，地面温度的波动范围为1820.5，室温与壁温的温差在2.66.5之间变化，送入室内的新风能够及时消除室内的余湿，室内的含湿量比较稳定，露点温度为17.66，地板表面无凝水产生，混水泵投入使用。 图5地板埋管入口混水泵=23、T=1h的仿真室温结果及水温结果图控制周期为0.5h室温设定值为23时的仿真结果曲线如图6所示。室温全天的波动范围为23.124.4，工作时间的室温波动范围为23.424.4，地面温度的波动范围为1820.5，露点温度为17.66，地板表面无凝水产生。供水温度与回水温度的变化曲线如图所示，混水泵投入使用。 图6地板埋管入口混水泵=23、T=0.5h的仿真室温结果及水温结果图2.3 入口只设电磁阀室温设定值为23的仿真模拟若入口只设电磁阀，调节阀门的通断来防止其结露，供水温度恒定为7，PID控制器参数均不变，控制周期为1h，其仿真曲线如下图7所示，室温为22.523.9，地面温度为17.820.2，高于露点温度17.6，无凝结水产生。调整控制周期为0.5h，仿真结果与下图非常接近，区别不大，此处不再绘制其仿真结果图。 图7 地板埋管入口只设电磁阀=23、T=1h的仿真室温结果及水温结果图上述3组仿真实验均无凝结水产生，地板表面温度都在17.8以上，均高于室内露点温度17.6，且在上述仿真中，第一组实验虽设有混水泵但从未开启，第二组实验和第三组实验的仿真条件都一样，所不同的是实验二设有混水泵，而实验三没有，实验二的混水泵虽有一定的工作时间，但从防结露控制的效果来看，实验二与实验三不相上下。由此，产生一个疑问，地板埋管采用低温冷冻水供冷在什么情况下需要设置混水泵，在那些情况下无需设置混水泵，简言之，是否可以直接用低温冷水供冷而房间内的辐射壁面不会结露？此外，通过观测对比每组实验中不同控制周期下的仿真结果，可发现，对于地板埋管系统，控制周期T=1h和T=0.5h的仿真结果区别不大，出于对设备寿命的考虑，T=1h更具有优势。3、 仿真结果分析地板埋管供冷系统中的传热过程为：热量通过维护结构进入室内或者热量直接散发到室内，以对流或者辐射的形式传递到辐射壁面，辐射壁面再以导热的形式把热量传递到冷却盘管的内表面，水媒通过对流获取热量再将其带出房间。在这个过程中，由于地板这个大的蓄热体的存在，使得热量传递到辐射壁面的时间比热量从辐射壁传递到水媒的时间小得多，也就是说：辐射壁面的温度的变化受室内温度和其他壁面温度的影响较大，而因为地板这个蓄热体的热容滤波效应，辐射壁面温度受水媒参数的影响较小。在供冷季，假定室温控制在设定值上，若冷负荷越大则室温与冷壁温度的差值就越大，冷壁温度即越低，若假定室内露点温度恒定，则冷负荷越大时壁面越容易结露，所以室内含湿量较为稳定时观测防结露控制的效果只需仿真最不利工况即设计工况就可。在普通办公建筑的地板埋管系统中，地板埋管承担的负荷为501204，一般只需使地板表面温度比室温低7或者以下就可消除其承担室内的冷负荷。若夏季设定值在26，温度偏差为1时，地板表面平均温度在1820时就可使室内参数满足要求。采用电磁阀进行通断控制，由于地板的蓄热量比较大，可以降低其温度波动幅值，使其在191范围内波动。若室内产湿比较稳定，送风系统可以迅速地将其排出室外，保证室内含湿量比较稳定，则大可不必增加混水泵来防止地板表面结露，用电磁阀通断控制可以保证室内地板表面不结露。考虑1的富裕值，露点温度只需低于18即可。故在以下情况地板埋管系统可以采用低温冷水供冷而无需设置混水泵：（1） 室内产湿、送风及含湿量比较稳定，露点温度变化不大（2） 露点温度满足：下表2列出了不同的干球温度下各相对湿度的露点温度，从表中数据及上述条件可以推知：在室内含湿量变化不大的前提下， 室温设定值在2228时，设计工况下室内相对湿度小于或等于60%，即可不设置混水泵，电磁阀通断控制就可保证地板表面不结露。表2 不同温度不同相对湿度的露点温度（）30%35%40%45%50%55%60%65%70%223.85.97.99.611.112.613.915.116.3234.66.88.710.512.013.514.816.117.3245.57.79.611.413.014.415.817.018.2256.38.510.512.313.915.416.718.019.2267.29.411.413.214.816.317.718.920.1278.010.312.314.115.717.218.619.921.1288.911.213.215.016.618.219.620.922.14、 结论本文叙述了采用地板埋管系统的空调房间的动态传热传湿模型的建模机理，对建立的系统模型进行一系列的数字仿真实验，并对仿真计算得出的结果进行分析，可得出如下结论：（1）对于地板埋管辐射供冷，室内负荷越大时需要壁面温度越低，在室内温湿度稳定的前提下，冷负荷最大时壁面最容易结露。（2）地板埋管系统采用低温冷冻水供冷，在能够控制室温稳定的前提下，入口设混水泵和不设混水泵时供冷效果一样，且均不会结露。（3）室内含湿量变化不大的前提下，室温设定在2228，室内相对湿度 60%时，采用低温冷冻水供冷的地板埋管系统用电磁阀通断控制就可保证地板表面不结露。（4）对于地板埋管系统，仿真发现控制周期T=1h和T=0.5h的控制精度区别不大，出于对设备寿命的考虑，推荐采用T=1h。参考文献：1. C.Stetiu. Energy and Peak Power Savings Potential of Radiant Cooling Systems in U-S Commercial BuildingsJ. Energy and Bui