毛细管平面辐射空调系统.ppt

一种新型节能空调系统 -毛细管平面辐射空调系统,李永安 山东建筑大学,毛细管辐射空调原理 特 点 结露问题分析 辐射顶板的传热数学模型 热舒适性研究 数值模拟及结果分析 实验研究 结论,主要内容：,一、毛细管辐射空调原理,毛细管网模拟自然界中植物叶脉和人体皮肤下的毛细血管机制.,毛细管外经3.5-5mm,壁厚0.9mm.,毛细管平面空调系统示意图 （1.金属面板；2.石膏板；3.矿毛绝缘纤维；4.毛细管网栅；5.接头）,毛细管空调系统的组成: 热交换器 带循环泵的分配器 温控调节器 毛细管网,设计参数: 一般夏季供/回水温度为18/20, 冬季供/回水温度为30/28 以水或其它介质传递热量,以辐射方式调节室温.,返回,二、特 点,美国能源部(DOE)推荐的15项空调节能技术 毛细管系统名列榜首 新风全热交换器 空调系统诊断技术 变冷媒流量空调系统 空调模糊控制系统 高温相变蓄冷技术,山东省科技攻关计划:2005GG3208010 住宅建筑的生态化与节能关键技术研究与示范 山东省科技攻关计划: 2008GG30006005 毛细管平面辐射空调关键技术的研究与示范 山东省自然科学基金：ZR2011EEM030 毛细管平面辐射空调系统机理研究,特 点,节能 实现建筑用能的“品位对应,温度对口,梯级利用” 夏季，冷冻水供水温度由原来的7 ，提高到18 左右 冷水机组的COP则有原来的 5提高到10左右,本课题组研究表明，在舒适度相同的条件下，毛细管平面辐射空调房间室内计算温度比传统空调房间在冬季（夏季）供暖（冷）时低（高）1.6左右,舒适度高 世界卫生组织定义：高舒适度标准：温差小于10 传统风口送风：是点热（冷）源与室内空气换热 毛细管：面热（冷）源与室内空气换热，温度场均匀，垂直温度梯度小 辐射换热舒适程度大于对流换热,无噪声 风机盘管噪声: FP-5，39dB(A)； FP-10，46dB(A) 毛细管：室内没有吹风感，无风机噪声，在国外，称为“静音制冷系统”,布置灵活 毛细管可以敷设在天花板上，也可以敷设在墙面上，还可以辐射在地面上 为了灯具、烟感报警等设备的安装，可以将毛细管在铺设时，方便地拉开,冷源多样化 夏季，由于毛细管供水温度较高，可实现多种冷源形式供冷：高温冷水机组、地下水、冷却塔直供等,占用建筑空间少 由于毛细管直径小，所以，对建筑层高影响小 毛细管系统十分薄，可以完全与房间围护结构表面形成一体,保护环境 毛细管格栅材料(聚丙烯)可以100%回收再循环利用 毛细管内的介质是水，没有任何污染,表面温度要求高 冷却吊顶的表面温度要高于室内空气的露点温度，否则，吊顶表面就要结露,返回,三、结露问题分析,凝露的形成是一个极其缓慢的过程，随着现在自动控制技术的发展和辐射供冷研究的不断改善，凝露问题不应该成为阻碍冷却顶板的推广发展的障碍。 可采取的控制措施有： 在辐射板表面贴附敏感元件监测辐射表面温度，来控制进水温度。,返回,四 、辐射顶板的传热数学模型,传热数学模型的假定、简化,联立上述方程，编写MATLAB计算程序，进行求解。由于辐射板表面平,通过上面计算模型可见：影响冷却顶板性能的因素有冷水供回水温度、水流速度、管内外径、管道材料、粘结剂导热系数、顶板材料、板厚、管间距。,无论其它结构参数如何变化，冷水供回水温度的降低，都将成倍提高冷却顶板的冷却性能。这是因为使冷却顶板表面平均温度降低，增加换热量所致。但是冷媒入口温度由于结露问题的限制，不能无限减低，一般要比室内露点温度要高（一般在16以上）。,冷水水流速度的增加可以使管内对流换热系数增大，从而提高冷却能力。但是同时泵的能耗也随之增大，以及带来噪音，因此水流速度不宜过大。,返回,五、热舒适性研究,1.热舒适性的评价方法 （1）热舒适方程 （1）,热舒适性研究,（2）PMVPPD指标 该指标综合考虑了人体活动程度、衣着热阻(衣着情况)、空气温度、平均辐射温度、气流速度和空气湿度等六个因素 。 预测平均评价指标PMV表达式为：,（2）,PMV 热感觉标尺,预期不满意百分率PPD指标表达式为：,PPD表示对热环境不满意的百分数,热舒适性研究,毛细管平面辐射空调房间示意图 （1辐射平面；2外墙；3、4、5内墙；6外窗；7地板；8门）,2.毛细管辐射空调房间热平衡数学模型,热舒适性研究,房间各表面热平衡方程的通式为： 式中： 窗与外墙的单位面积导热量，J/m2； 第表面的对流换热系数； 室内空气的平均温度，； 、 、 分别为第i和第k维护结构内表面温度，； 内热源单位散热量, J/m2 ； 为维护结构表面和之间的辐射换热系数W/( ),（4）,热舒适性研究,3.计算结果分析 (1)计算参数的确定： M取值为58.15W/m2（相对静坐）；人体机械效率取值为0； 服装的基本热阻：夏季 0.5clo、冬季1.0clo； 室内风速的取值：夏季0.2m/s，冬季0.1m/s； 平均辐射温度：用围护结构内表面积加权平均值来计算 。,热舒适性研究,平均辐射温度每升高1，PMV值升高约0.190；而空气温度每升高1，PMV值升高约0.111。,平均辐射温度对舒适性的影响,空气温度对舒适性的影响,(2)冬季工况下平均辐射温度对热舒适性的影响,热舒适性研究,(3)毛细管平面辐射空调房间计算温度探讨 冬季工况下毛细管平面辐射空调与传统空调房间的热舒适性比较,冬季工况下两种空调房间的 PPD曲线图,热舒适性研究,冬季工况下两种空调房间的PMV计算值,注：上行为毛细管平面辐射空调房间的PMV值，下行为传统空调房间的PMV值,热舒适性研究,冬季工况下两种空调房间的PPD计算值,注：上行为毛细管平面辐射空调房间的PPD值，下行为传统空调房间的PPD值,热舒适性研究,由以上研究可以得出，达到最舒适点(PMV=0)时，毛细管平面辐射空调房间的空气温度为21.6，与传统空调房间的空气温度相比，两种空调房间的温差为1.6。 通过分析两表中的数据可以得出，冬季供暖时，在一定的相对湿度下，若要达到相同的热舒适效果，毛细管辐射空调房间的空气温度比传统空调房间的低1.6左右。,热舒适性研究,夏季工况下两种空调房间的 PMV比较图,夏季工况下毛细管辐射空调与传统空调房间的热舒适性 比较,热舒适性研究,夏季工况下两种空调房间的PMV计算值,注：上行为毛细管平面辐射空调房间的PMV值，下行为传统空调房间的PMV值,热舒适性研究,夏季工况下两种空调房间的PPD计算值,注：上行为毛细管平面辐射空调房间的PPD值，下行为传统空调房间的PPD值,热舒适性研究,夏季供冷时，在一定的相对湿度下，若要达到相同的热舒适效果，毛细管辐射空调房间的空气温度比传统空调房间的高1.6左右。 结论：毛细管辐射空调房间冬季供暖的温湿度范围为：温度1620，相对湿度为30%60%；夏季供冷的温湿度范围为：温度2628，相对湿度为50%65%。,返回,六、数值模拟及结果分析,1.物理模型的建立及边界条件的设定 (1)物理模型的建立,模拟房间的几何构造及室内布局,数值模拟及结果分析,网格划分 计算所采用的模型为室内零方程模型。网格数目大约在14万。,网格划分情况示意图,数值模拟及结果分析,(2)边界条件的设定 室外计算参数的设定：济南市夏季室外计算干球温度：34.8、湿球温度：26.7,平均风速2.8m/s。 围护结构边界条件的设定：设定外墙为定热流边界条件，热流密度为7.0W/m2。 外窗:传热系数为3.3W/（m2.k），面积是3m1.8 m。玻璃外窗为南向，太阳辐射热负荷为59.05 W/m2，通过玻璃的总的热流密度为81.23 W/m2。 毛细管辐射平面:供水温度为18时，考虑2温差，出口温度为20，因此顶板表面平均温度为19。 送风口边界条件的设定：模拟中采用总送风量为216m3/h，送风面积为0.15平方米，送风风速为0.4m/s。,数值模拟及结果分析,2.夏季工况下模拟结果分析 (1)室内温度场的计算结果与分析,X=1.6m截面上的温度分布图,Z=-2m截面上的温度分布图,Y=0.1m截面上的温度分布图,Y=1.1m截面上的温度分布图,数值模拟及结果分析,X=1.6m截面上的速度分布图,Z=-2m截面上的速度分布图,Y=0.1m截面上的速度分布图,Y=1.1m截面上的速度分布图,(2)室内速度场的计算结果与分析,(3)室内CO2浓度场的计算结果与分析,Z=-2m截面上的CO2浓度分布图,Y=1.1m截面上的CO2浓度分布图,Y=1.75m截面上的CO2浓度分布图,数值模拟及结果分析,送风口位置对室内温度场的影响,送风口在地面时X=1.6m 截面上的温度分布图,送风口距地面0.1m时X=1.6m 截面上的温度分布图,送风口距地面0.6m时X=1.6m 截面上的温度分布图,送风口距地面3.0m时X=1.6m 截面上的温度分布图,(4)送风口位置对室内温度场、速度场和二氧化碳浓度场的影响,数值模拟及结果分析,送风口在地面时Z=-2m 截面上的温度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m 截面上的温度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m 截面上温度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m 截面上的温度分布图,数值模拟及结果分析,通过与其他送风方式比较，可以得出，送风口位置在屋顶（距地面3m）时，室内垂直方向的温度分布没有出现明显的分层现象，工作区区域温度梯度较小。 而送风口位置在下部时（在地面上、距地面0.1m、0.6m）室内温度出现明显的分层现象，下部温度较低，上部温度较高。 送风方式可以改变室内温度的分层现象。,数值模拟及结果分析,送风口在地面时X=1.6m 截面上的速度分布图,送风口距地面3.0m时X=1.6m截面上的速度分布图,送风口在地面时Z=-2m 截面上的速度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m 截面上的速度分布图,送风口位置对室内速度场的影响,数值模拟及结果分析,送风口的位置可以改变室内速度场的分布情况。且除了送风口及热源附近风速较大外，其他区域风速均在0.3m/s以内，满足舒适性要求。 所以为保持人员呼吸区空气新鲜，送风口的最佳位置是在屋顶（距地面3.0m）。,送风口在地面时Z=-2m 截面上的CO2浓度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m 截面上的CO2浓度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m 截面上CO2浓度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m 截面上的CO2浓度分布图,数值模拟及结果分析,送风口位置对室内CO2浓度场的影响,数值模拟及结果分析,通过上面的数值模拟可以得出，夏季工况下当送风口的位置分别在地面、距地面0.1m、距地面0.6m时，气流混浊区出现在人员呼吸区位置，为解决呼吸混浊区，送风口的最佳位置是在屋顶（距地面3.0m）。,3.冬季工况下模拟结果分析,(1)送风口位置对室内温度场的影响,送风口在地面时Z=-2m 截面上的温度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m 截面上的温度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m 截面上的温度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m 截面上的温度分布图,数值模拟及结果分析,送风口位置距地面高度为0.1m时，工作区区域温度梯度较小，工作区区域垂直温度差约为0.8； 送风口位置在房顶（距地面3m）时，室内上部温度较高，下部温度较低，而且低温区域面积较其他几种送风方式大，工作区区域垂直温度差约为1.6。 送风口最佳位置为距地面0.1m处。,送风口在地面时Z=-2m 截面上的速度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m 截面上的速度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m 截面上的速度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m 截面上的速度分布图,数值模拟及结果分析,(2)送风口位置对室内速度场的影响,送风口在地面时Z=-2m 截面上的CO2浓度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m 截面上的CO2浓度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m 截面上CO2浓度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m 截面上的CO2浓度分布图,数值模拟及结果分析,(3)送风口位置对室内二氧化碳浓度场的影响,数值模拟及结果分析,由送风口的位置对冬季工况下室内温度场、速度场和CO2浓度分布场的模拟结果分析可以得出，送风方式可以改变室内温度、速度和CO2浓度的分层现象。 冬季工况下，对于室内温度场、速度场和CO2浓度分布场的综合考虑送风口最佳位置为距地面0.1m处。,返回,七、实验研究,实验对象描述 “海御19”国际公寓，即位于“最适合人类居住地方”的旅游避暑胜地威海的国际海水浴场的中心位置，2800米天然黄金沙滩旁，具有罕见世界级湾岸环境资源。海御19总建筑面积63000平方米，地上19层，地下1层，由七个单元组成，共336户，地下停车位400个。在第三届中国威海国际人居节中，将海御19作为“绿色节能建筑”的示范工程。 本次实验测试为两个样板间。样板间1为别墅版复式三房三厅三卫，面积为260m2，建筑物本身为游轮建筑，样板间2为回归经典两房两厅一卫，面积为118m2。,毛细管空调系统的实验研究,建 筑 外 观 图,实验研究,2.实验方法及仪器 (1)实验方法 测试为夏季阶段进行，测试时间为2007年7月20日7月31日;2008年8月1日-2008年8月5日，测试每天进行，每半小时测量一次并记录实验数据。测量时间内，天气以晴为主。 室内空气温度测量，在垂直方向取7个点，分别为地板上方0.1m、0.3 m、0.6 m、1.1 m、1.7 m、1.8 m、2.0 m。墙壁与屋面温度的测量：各壁面温度用红外测温仪测试，每面墙均匀取三个测点,取其平均值。,实验研究,(2)实验仪器,实验研究,实验室室外气温变化图,实验室室外相对湿度变化图,3.实验结果分析,实验研究,实验室1室内与室外温度变化曲线图,实验室2室内与室外温度变化曲线图,实验室1室内与室外相对湿度变化曲线图,实验室2室内与室外相对湿度变化曲线图,实验研究,实验室1内不同高度气温 变化曲线图,实验室2内不同高度气温 变化曲线图,实验研究,由上面的图可以得出，实验室1内的0.1m高度处的温度为22.7，1.1m高度处的温度为24.1，温差约为1.4。实验室2内的0.