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上海水产大学硕士学位论文 冰蓄冷低温送风空调系统的优化 摘要 随着我国国民经济的快速发展，城市现代化进程的加快和人民生活水平和质 量的提高，中央空调系统在各种建筑中的使用越来越普遍。由于中央空调耗电较 高，在整个用电量中的比例随着经济的发展越来越高。其对电网的影响也越来越 显著，特别是其用电的特征，加剧了峰谷期用电的不均衡。在此背景下，能有效 均衡峰谷用电的冰蓄冷技术在我国迅速发展起来。由于采用单纯的冰蓄冷空调系 统的初投资费用较常规空调工程高出许多，而采用冰蓄冷与低温送风技术相结合 的空调系统则能使初投资费用得以大大降低，特别是其所营造的空调环境由于湿 度的降低，比常规空调的空气品质和舒适性都有所提高。 本文针对冰蓄冷低温送风空调系统设计中一些问题，通过对工程设计中采用 的设计方法、思路的分析研究，发现较多设计者在冰蓄冷低温送风空调系统的设 计上观念还比较模糊，设计时沿袭常规空调系统的设计，无法发挥冰蓄冷低温送 风空调的优越性。鉴于以上原因，本文对低温大温差供冷管路系统中流量、管径 及流动阻力的相互关系，低温送风系统中的风管得热及温升、管路系统的保温厚 度进行了研究，获得如下结论及成果： 相同冷量需求条件下，采用低温送风方式，风机的能耗可大幅度降低，风管 尺寸可显著减小。 保温厚度取经济厚度时，保温材料分摊的年运行费用将大幅度降低；低温风 管、冷冻水管保温材料分摊的年运行费用降幅大于常规系统。 低温送风的送风量小于常规系统；低温送风的风管温升使系统的送风量增大， 风管得热使低温机组的容量增加；相同保冷条件下，低温送风的风管温升大于常 规系统，其得热量稍大于常规系统。 开发了冰蓄冷低温送风管路优化设计软件，该软件具备较高的计算精度及智 能化，可作为冰蓄冷低温送风空调系统设计计算的辅助工具，亦可用于常规空调 管路系统的精确计算。 介绍了空气射流的规律及计算方法，并按照低温送风要求对集美大学开发的 低温风口样品进行了实验测试，对实验数据进行了整理和分析，对实验结果进行 了总结： 上海水产大学硕士学位论文 对于相同的出口流量，高速度衰减系数( k ) 值风口的射程大于低k 值风口 的射程，射流型风口的k 值大于其它类型的风口。 低温送风条件下，风口样品能够获得均匀的速度场和温度场，及较远的射程。 具备较高的性价比。 最后，本文对课题研究成果进行了总结，并对下一步工作提出了一些建议。 关键词冰蓄冷，低温送风，优化设计，管路计算，实验，低温风口 上海水产大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o nf o ri c es t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m sw i t h c o l da i rd i s t r i b u f i o n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y , t h ec o u r s eo fc i t y m o d e r n i z a t i o ni s s p e e d e du pa n dp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r di so b v i o u s l yi m p r o v e d b e c a u s et h ec e n t e ra i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi su s e di na l lk i n d so fa r c h i t e c t u r e s ，w h i c h n e e d sal o to f e l e c t r i c i t y , t h er a t i oi nt h ew h o l ee l e c t r o - c a p a c i t yi sl a r g e ra n dl a r g e r t h e i n f l u e n c et ot h e e l e c t r i c i t yw e bi s m o r ea n dm o r e p r o m i n e n c e ，e s p e c i a l l y t h e e l e c t r o - c h a r a c t e rp r i c ku pt h ed i s e q u i l i b r i u mo fe l e c t r o - q u a n t i t yi na p e xa n dp a d d y a t t h i sb a c k g r o u n d ，t h et e c h n o l o g yo fi c et h e r m a ls t o r a g ei sd e v e l o p e dq u i c k l yb e c a u s ei t i sg o o df o re q u i l i b r i u mo ft h ee l e c t r o - q u a n t i t yo fa p e xa n dp a d d y b e c a u s et h ei n i t i a l i n v e s t m e n to f “p u r e ”i c et h e r m a ls t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sl a r g e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m , a n dt h et e c h n o l o g yo fc o m b i n i n gt h ei c es t o r a g e a n dc o l da i rd i s t r i b u t i o na i r - c o n d i t i o n i n gc o u l dl l l a k et h ef i r s ti n v e s t m e n tr e d u c eg r e a t l y , e s p e c i a l l yt h eq u a l i t yo f a i ra n dt h ec o m f o r ti n t h ea i r - c o n d i t i o n i n ge n v i r o n m e n ti sb e t t e r t h a nt h eg e n e r a la i r - c o n d i t i o n i n gb e c a u s et h eh u m i d i t yi sr e d u c e d t h i ss y s t e mh a sv a s t d e v e l o p m e n t a lo u t l o o k c o n c e r n i n gw i t hs o m ei s s u e so fs y s t e md e s i g n ，b ya n a l y z i n gd e s i g nm e t h o d s , t h i s t h e s i sd i s c l o s e dt h a ts o m ed e s i g n e rh a du n c l e a rc o n c e p t i o nw h e nt h e yd e s i g n e di c e s t o r a g es y s t e mw i t hc o l da i rd i s t r i b u t i o n , a n dt h e i rt h o u g h t sw e 犯l i m i t e dt od e s i g n m e t h o d so fc o n v e n t i o n a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m , w h i c hr e s u l t si nc o n s e r v a t i v ed e s i g n t h a tc a l ln o tr e p r e s e n ta l lt h em e r i t so fi c es t o r a g es y s t e mw i t hc o l da i rd i s t r i b u t i o n a s e r i e so fc a l c u l a t i o nm e t h o d sa n dp r o g r a m sf o ra i rp a r a m e t e r s ，r e s i s t a n c e ，i n s u l a t i o n t h i c k n e s s ，a n dt e m p e r a t u r er i s ea n dh e a tg a i no fp i p ew e r ee s t a b l i s h e d r e s u l t sf r o m t h e s ew o 掣a m sf o rc o l da i rd i s t r i b u t i o na n dg e n e r a ls y s t e m sw e r ec o m p a r e da n d a n a l y z e d p i p e l i n eo p t i m i z a t i o ns o f t w a r ef o r 慨s t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw i t h c o l da i rd i s t r i b u t i o nw a sd e v e l o p e db a s e d0 1 1t h ec a l c u l a t i o np r o g r a m sa b o v e m 上海水产大学硕士学位论文 o nt h eb a s i so f p r i n c i p l ea n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so f a i rf l o w , e x p e r i m e n t a lt e s t i n g s t u d yo n ap r o t o t y p eh a sb e e nd o n e ，a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw a sa n a l y z e d t h i st h e s i s s u m m a r i z e dt h ee x p e r i m e n ts t u d yo fc o l da i r d i s t r i b u t i o n , a n dp r e s e n t ss o m e s u g g e s t i o n st ot h ed e v e l o p m e n to f p r o t o t y p e f i n a l l y , t h es u m m a r yo ft h i sp a p e ri sg i v e na n ds o m es u g g e s t i o n sf o rf u r t h b 雕 s t u d y a r cp r e s e n t e d k e y w o r d si c es t o r a g e ，c o l da i rd i s t r i b u t i o n , p i p e l i n e , s o f t w a r e ，p r o t o t y p e i v 上海水产大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：方r 日期：2 句年月留曰 上海水产大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海水产大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密留 学位论文作者签名夕云班r 日期：埘产6 月穆嗣 指导教师签名：1 陟 同期：e - ) q ! j o , 9 日 上海水产大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 课题背景 2 0 世纪9 0 年代以来，随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高， 中央空调的应用迅速增加，其普及率也逐步提高。空调用电不仅大幅度增长，而 且绝大部分又集中在高蜂用电时段。目前，全国各主要电网峰谷用电负荷差额都 比较大，有的电网峰谷负荷之差达到2 5 3 0 t l l ，普遍存在电力高峰时段供不应 求，丽低谷时段电力大量富余的问题，绘工业生产与人民生活带来诸多不便。 解决电力不足的问题，一方面是靠增加对电力的投入，加快电力建设的步伐， 多装机组，多建发电站来满足高峰负荷的需求，但这些电站即使在夜间继续运行 也是在很低的负荷下低效率运转的；另一方面则是国家通过经济、技术、行政和 法律手段。鼓励用户节约用电，移峰填谷，充分利用现有的电力资源，大力开发 低谷用电1 2 1 。根据统计，在夏季部分城市用电消耗中，空调电耗所占比例己达高峰 用电量的3 0 2 上【3 】。在上世纪七十年代，人们发现空调蓄冷技术对城市电网具有 很大的“削峰填谷”潜力，从那时起空调蓄冷技术得到了长足的发展与广泛的普及。 蓄冷空调技术自上世纪九十年代以来在我国大陆地区开始发展起来，为推动 蓄冷技术在我国的发展与普及，国家经贸委颁布的相关文件中将冰蓄冷空调作为 重点发展项目，在1 9 9 8 年底颁布的国务院有关文件中更强调了“为缓解高峰用电 对电网安全稳定运行的压力，保证经济发展和人民生活水平提高对电网的需要， 要加大推行峰谷电价的力度，鼓励用户采用节电技术措施，鼓励用户多用低谷电， 加快推广蓄冷空调等削峰填谷的技术措施”1 2 1 。然而在实际运行中，冰蓄冷有初投 资高，耗电量大的缺点，为解决这一问题，人们将蓄冰与低温送风系统相结合， 这一新技术被称为暖通空调系统最重大的变革之一。 因此，在我国，大力推广冰蓄冷低温送风空调技术将有利于提高我国能源利 用水平，进而推动经济进一步发展。 1 1 2 课题意义 暖通空调系统的计算项目很多，计算过程繁琐，如果靠手算来完成，工作量 巨大。随着计算机技术的发展，计算机和h v ：a c 技术的结合日趋紧密和完善，利 上海水产大学硕士学位论文 用计算机来为暖通空调设计服务己成为时代的需要。 国内外从事暖通空调软件开发的公司有很多，开发的产品覆盖了空调设计的 各个部分。在英国，目前此类的单位和公司就有1 0 0 多家，市场上的设计软件多 达4 0 0 多种，其中暖通空调设计软件近1 0 0 种【4 】，包括负荷计算、能耗分折、管道 设计、供热设计、消烟防火等。如h e v a c o m p 的建筑设备设计软件 5 1 及c y m a p 公 司的c a dl i n k 建筑设备设计软件【6 j 。国内，从事暖通空调软件开发的公司有天正 暖通、鸿业公司等，其产品有天正暖通m 嬲6 、n t 7 _ 2 暖通空调设计软件包叽 鸿业公司的暖通空调软件包a c sv 4 2 s l 等。利用这些软件，有助于我们提高工作 效率、减少工作量，并获得准确、可视的计算结果。 然而，由于我国应用冰蓄冷低温送风技术起步较晚，上述国产软件的适用范 围为常规空调系统，对冰蓄冷管路部分的设计计算，低温送风送风温度的特殊性 等都缺乏考虑。如果把这些软件应用到冰蓄冷低温送风系统的设计中，势必造成 设计的失败。因此，研制一套专用于冰蓄冷低温送风系统管路设计的软件，己成 为冰蓄冷低温送风技术应用与推广的当务之急。 现在冰蓄冷空调蓄冷技术在国外普遍应用低温送风技术。而这项技术在我国 迟迟推广不开，主要问题之一在于我国的低温送风风口技术达不到要求，无法应 用于低温送风技术中。而国外低温送风口的研究及生产主要集中在美国及日本， 产品一般都结构复杂、价格高，难以被中国市场所接受。国内虽有相关报道，但 尚未有较理想的成果及产品。目前国内的一些低温送风空调工程中采用的低温风 口主要靠进口，价格贵，也限制了蓄冷空调技术的发展。因此，开展适应我国国 情的低温风口的研究已成为推广冰蓄冷低温送风空调重要课题之一。 1 2 课题的国内外研究进展 2 1 冰蓄冷低温送风技术研究 空调蓄冷技术大约出现在2 0 世纪3 0 年代，最初用于影尉院、教堂、乳品加 工厂等短时间负荷集中的场所。主要着眼于减少制冷机容量和制冷设备的购置费 用。此后，随着设备制造业的不断发展，制冷机成本大幅度下降，而蓄冷装置成 本高及耗电多等不利因素限制了蓄冷技术的发展，使得该项技术的应用陷入了一 段相当长的停滞期【9 1 【嘲。 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，主要以冰蓄冷为主。单纯的冰蓄冷，由于蓄冷需 降低蒸发温度，因而降低了制冷效率及增加了秘冷时的电耗，而且总投资也高， 偿还期一般均需7 年以上 i l l 。 2 上海水产大学硕士学位论文 s o 年代末至9 0 年代中期，除了转移尖峰用电时段韵空调负荷目标外，又增加 了利用冰蓄冷的“高品位冷量”，以提高空调制冷系统整体能效和降低制冷系统整体 投资及建筑造价、改善室内空气品质和热舒适为目标。这类蓄冷空调所增加的初 投资一般可在2 年左右得到补偿，少数工程已做到比常规空调系统投资更夕1 2 肼l 。 由此可见，同一蓄冷技术，在不同的发展阶段，有着不同的目的与要求，同 时也包含着不同的技术内涵，所涉及的技术深度与广度也有本质的差异。 低温送风的概念，起始于1 9 4 7 年，最初用于住宅空调的改造中1 1 4 1 。从上世纪 8 0 年代中期开始，低温送风系统在美国商业建筑中得到了应用【l 卯。1 9 8 7 年d o r g a n 和e l l e s o n 发表的文献【1 6 1 1 7 1 是低温送风系统最早的经典论文。从1 9 8 7 年至今，研 究成果不断。1 9 9 5 年美国电力研究所出版的低温送风空调系统设计指南【i s l 和 1 9 9 6 年美国暖通空调工程师学会( a s h r a e ) 出版的低温送风空调系统设计指 南可以说是目前国际上最权威的低温送风空调系统设计指南，后者已由我国著 名空调学者汪训昌翻译成中文。 在低温送风空调系统的研究方面，日本投入的力量仅次于美国，其研究成果 也引入注目。日本有关低温送风系统的研究，始于上世纪8 0 年代末【1 9 】，其权威机 构首推东京电力，开展持续研究的单位多达十几个。2 0 0 1 年和2 0 0 2 年日本空气调 节卫生工学会均将低温送风系统和空调大温差列为这两年的空调新技术 2 0 - 2 ”。 英国的低温送风空调系统研究始于2 0 世纪9 0 年代初期，主要研究机构是建 筑设备研究和信息协会，1 9 9 2 年该协会发表了低温送风空调系统指南 2 2 1 ，1 9 9 3 年 又发表了采用计算机模拟技术研究低温送风空调系统的报告 2 3 l 。 欧洲其他国家，有关低温送风空调系统的研究未见报道。但是，丹麦哥本哈 根国际环境和能源中心从1 9 9 7 年开始，尤其是最近几年致力于低相对湿度环境对 人体舒适感和室内空气品质影响方面的研究，并取得了重大突破，为采用低温送 风系统的空调房间的室内环境设计奠定了理论和实验基础例。 国内有关低温送风空调系统的研究始于台湾省。1 9 8 8 年，总建筑面积9 万多 m 2 的台北国贸大楼，采用了冰蓄冷低温送风空调系统，该工程获得了1 9 9 1 年美国 a s h r a e 科技奖瞄l 。一直到上个世纪9 0 年代，大陆才开始介绍冰蓄冷低温送风空 调系统嘲【2 7 】。1 9 9 9 年我国建设银行杭州市分行办公大楼采用杭州华源公司推荐的 冰蓄冷、大温差部分超低温送风的空调方式，并一次调试成功投入运行 7 8 1 。1 9 9 9 年7 月2 9 日由中国制冷学会主办的“新世纪中国冰蓄冷空调发展研讨会”在杭州召 开，与会专家一致认为冰蓄冷低温送风空调技术是下个世纪中央空调发展的主要 趋势之一。2 0 0 2 年首次由国内单位独立设计完成的集冰蓄冷、低温送风、变风量 等多项先进空调新技术系统在国家电力公司所属国家电力调度中心圆满竣工，并 上海水产大学硕士学位论文 对该工程的施工安装经验进行总结，随后西北电力调度中心等电力部门也成功 应用了冰蓄冷与低温送风相结合的技术。2 0 0 5 年9 月2 7 日，中国建筑标准设计研 究院召开了“建筑产品选用技术，- 1 2 0 0 5 蓄冷与低温送风技术交流会，对冰蓄冷低 温送风空调技术在国内的发展将起到积极的促进作用。 1 2 2 低温风口研究 1 9 9 1 年j se l l e s o n 提出了一种高紊流度n , n 1 3 0 l ，该风口可使冷风射流在很短 距离内与室内空气充分混合，适合于吊顶较高的场所。1 9 9 3 年，d e k n e b e l 和 d a j o h n 提出了一种喷嘴型低温送风风1 2e 3 1 1 ，并且通过实验研究得出：该风1 2 1 在 大部分负荷范围内可以维持良好的室内空气循环。而美国已推出适用于不同送风 温度的喷嘴型低温风口1 3 2 】。 此外，许多学者对各种低温风口的设计及特性进行了研究。h a s s a n i 和 k i r k p a t r i c k 在1 9 9 3 年提出，射流温差对射流速度衰减系数的影响不大【3 扪m a s a k i s h i o y a 和n o r i y a s us a g a r a 评价了低温送风系统圆形风1 2 和条缝风口的性能 3 4 1 ，得 出：条缝型风口容易使坐在风口对面的室内人员产生不舒适的吹冷风感，圆形风 口适合于直接低温送风系统。 1 9 9 6 年，k i r k p a t r i c k 和k n a p p m i l l e r 研究了风口出口温度、动量、阿基米德 数和射流分离点对空气分布特性指标( a d p i ) 的影响并对其进行了量化p 5 j 同年， m b a b u - e 1 h a s s a n 和m i l l e r 通过实验研究了紊流强度对a d p i 值的影响冈：射流的 紊流强度对a d p i 值的影响非常大，用射流中心线上的a d p i 值代替整个房间的 a d p i 值是可行的。 1 9 9 6 年j se l l e s o n 和k i r k p a t r i c k 研究了低温送风系统风1 2 的设计方法 3 7 1 ，并提 出了低温送风射流速度衰减公式、流量公式以及射流分离距离公式。1 9 9 8 年， h a s s a n i 和m i l l e r 研究了几种典型的风口的射流动量数与a d p i 值的关系，并得出 了这些风口的最佳射流动量数p ”。 我国低温送风起步较晚，西南交通大学、同济大学、湖南大学、集美大学、 武汉科技大学等对低温送风风口进行了研究工作。 1 9 9 7 年，西南交通大学机械工程学院蔡德明等研制了一种“风车风扇诱导型” 低温送风专用风口该风口由一次风提供动力，驱动安装在散流器中心的轴流风 车风扇装置，风扇诱导顶棚回风与经喷嘴加速的一次风混合后送入室内。实验结 果表明：该风口具有较高的诱导比，且室内温度、速度分布均匀稳定，人员在室 内没有吹冷风感，室内噪声较低p 9 】。 同济大学的吴喜平等对低温送风室内气流和舒适度进行了研究 4 0 i ；广州市地 4 上海水产大学硕士学位论文 下铁道设计研究院的张智力等对空调房间低温送风风口的冷风射流特性进行了模 拟1 4 l j ，得到了空调房间的速度场和温度场，并计算了相同负荷条件下采用不同送 风温度时房间的空气特性分布指标( a d i d ，表明在保证送风口射流动量一定的情 况下，采用低温射流送风时射流特性与常规空调送风时的情况基本一致。 1 9 9 9 年，湖南大学李念平等就低温送风对室内空气环境的影响和技术经济性 进行了研究1 4 2 | ，表明低温送风空调系统具有改善室内空气环境、节约初投资和降 低运行费等特点。 2 0 0 2 年，中国建筑西南设计研究院的徐亚娟等通过计算机数值模拟和实验模 型对冰蓄冷低温送风的末端进行了比较分析【4 3 1 ，研究表明；经过审慎的设计，用 不带风机混合箱的低温送风专用散流器，同样能实现满意的室内空气环境。同年， 北京建筑工程学院丁涛等人对双层百叶风口的特性进行了研究，指出：选择合适 的送风速度，双层百叶风口在低温送风状态下能产生令人满意的效果m 2 0 0 4 年，中广国际建筑设计研究院的张红等人对中央电视台音像资料馆珍藏 库区内采用的美国n 也鼢山札c o r eh i l t 型高诱导比低温送风口进行了研究，发 现其在变风量系统有效调节范围内具有良好的送风性能和空气分布特性嘲。 2 0 0 5 年，邵阳学院石楚平等人研制了一种旋流式低温送送风口，并该送风口 样品进行了的性能测试和分析，实验研究表明：该风口不仅可作为冰蓄冷低温变 风量送风系统提供性能优良的末端送风装置，当用于常规空调系统时，也可提高 其热舒适性，是一种理想的散流器嗍。 1 3 课题的主要工作 本课题的研究内容如下： 1 冰蓄冷低温送风空调管路系统的优化设计研究 湿空气状态参数计算研究 管路系统阻力的研究 管路系统保温材料厚度研究 风管得热与温升研究 管路优化设计软件的实现 该研究可解决冰蓄冷空调系统造价较高的瓶颈问题。 2 低温风口性能实验研究 低温风口舒适性的实验研究 低温风口射流衰减特性的实验研究 上海水产大学硕士学位论文 该研究对实现低温风口的国产化具有一定推动作用。 第二章湿空气状态参数的高精度计算研究 在空气调节系统的计算中，空气状态参数的精确与否直接影响设备选择及运 行模式、系统总投资和运行费用。而要发挥冰蓄冷低温送风空调系统节能降耗的 优势，使其在造价及运行成本上具备竞争力，就必须对空气状态参数进行精确地 计算。鉴于此，本章对描述湿空气状态的物理量及其相互关系进行了研究，编写 了高精度湿空气状态参数的计算程序，最后通过算例对程序进行了验证。 2 1 湿空气状态参数及其相互关系 2 1 1 湿空气及其特点 空气环境内的空气成分和人们平时所说的“空气”，实际是干空气与水蒸气的混 合物，即湿空气。湿空气中水蒸气的含量虽少，但其变化却对空气环境的干燥和 潮湿产生重要影响，并使空气的物理性质随之变化 4 r l 。 与一般气体混合物相比，湿空气的特点是：其中的水蒸气质量经常变化，而 干空气的质量是恒定的；水蒸气在一定条件下将发生集态变化。由于工程中遇到 的湿空气多处于大气压力或更低的压力范围，因此其各组分的热力性质均可按理 想气体模型计算。 2 1 2 湿空气常用状态参数的相互关系 分析文献 4 9 - 5 0 1 ，常用湿空气状态参数可由下列公式确定： 水蒸气分压力a 和饱和压力见：p = n + p 口； 干球温度t 、露点温度t d 、湿球温度t ，；t d s t ，t ； 绝对湿度a 、楣对湿度、含湿量d 、饱和度伊： a = l ，1 0 = 以( 置r ) ；妒= p , l p , = p , p , ：d = 6 2 2 兰：妒= d d , ； 门 p p ， 比始矗、比容p ：矗：1 1 0 l t + 0 0 0 1 d ( 2 5 0 0 + 1 8 4 0 ；u ；r t ( 1 + 1 6 0 7 8 1 0 3 d ) 。 p 6 上海水产大学硕士学位论文 2 2 湿空气状态参数计算中的数值方法 在计算湿空气热力性质时，会遇到超越方程的求解，我们可以采用牛顿法来 进行迭代计算。牛顿法虽然本身比较简单，但是它对初值的要求较高，有时还会 不收敛因此，在计算时需要针对方程的不同特点，采取一些保证收敛的措施。 在湿空气计算中需要迭代求解的情况有两个：已知水蒸气分压力以。求露点 温度乃；已知大气压力见、干球温度t 和含湿量d ，求湿球温度t 。一下面分 别对这两种情况进行讨论。 2 2 已知水蒸气分压力时露点温度的迭代求解方法 根据文献5 “，可知湿空气温度t 与饱和水蒸气分压力p i 的关系如下 ， t = - 1 0 0 一o 时，h o o o o p , ) = c ( 帕丁”1 + c ( 6 ) l n ( d ( 2 1 ) n - 0 l l t = 0 2 0 0 c 时，h o o o o p , ) = c ( h ) r “+ c 0 2 ) h ( r ) ( 2 2 ) h 7 式中，c ( n ) 为常数项，其取值见文献【5 1 1 。 由式2 1 、2 2 可以看出，已知湿空气的温度t ，即可根据两式求出对应的饱和 分压力p i 又根据露点温度t d 的定义( 保持湿空气分压力不变，降低湿空气温度 使其达到饱和状态时的温度) ，可知t d 对应于水蒸气分压力p ，下的饱和温度因此 该问题1 ) 的实质可转化为求解水蒸气分压力见的饱和温度。具体步骤如下； 将方程2 1 、2 2 写为见= 厂( d 形式，则髓= p v 时的t 值即为需求解的t d 值 f = - 1 0 0 一o 时，p i = c x p 【y c ( 玎f 州+ c ( 6 ) i n ( t ) 1 0 0 0 ( 2 3 ) n 曲， t = o - 2 0 0 时，见= 唧【c ( 力矿“+ c 0 2 ) l n ( t ) f i 0 0 0 ( 2 4 ) 求取函数f ( r ) 的斜率，( d ，即式2 3 、2 4 对t 求导： 7 上海水产大学硕士学位论文 5 f = 一1 0 0 一o ( ) 时，咖肛= v , - c ( o ) r 2 + 一1 ) c ( h ) r ”2 + c ( 6 ) 明( 2 5 ) n = 2 l l t = o 一2 0 0 ( ) 时，觑刀= p , - c ( 7 ) t 2 + ( n - 8 ) c ( n ) t ”9 + c ( 1 2 ) t ( 2 6 ) n = 9 迭代公式可写为哪( 驴几) ( 氛 迭代计算到第次时，若b 一踟i 】，则瓦* 巧。 其中y 为任意小的正数，取y = p , o x l 0 4 ；i = 一1 0 0 0 ( ) 时，取 互= 2 6 3 1 5 k ；t = 0 2 0 0 ( ) 时，取写= 2 8 3 1 5 k 。为了保证方程收敛，使 i ( 1 。- r , ) r , i o 1 此外，因为水蒸气的分压力a 不可能超过总压力p ，所以当湿空气温度等于 或高于总压力p 所对应的水蒸气饱和温度时，取p j = ，当湿空气取自大气时， ，祷p i = p = p h 。 2 2 2 已知大气压力、干球温度和含湿量时湿球温度的迭代求解方法 2 2 2 1 湿空气的湿度d 、饱和湿度d - 、干球温度t 及湿球温度t w 关系 湿空气的湿度d 可由式2 7 求得 d ；6 2 2 翌l ( 2 7 ) p p v 计算湿空气的饱和湿度d 。时，可先利用式2 3 、2 4 及干球温度t 求解出水蒸气 饱和压力p 。，再令p - = p v 代入式2 7 计算即可，即 成= 6 2 2 j l p 一仇 湿空气的比焓h 为h = 1 1 0 l t + 0 0 0 i d ( 2 5 0 0 + 1 8 4 t ) 湿球温度t w 下的比焓h 。可由下式计算： 8 ( 2 8 ) ( 2 ，9 ) 上海水产大学硕士学位论文 吃= 1 1 0 1 t + o 0 0 1 d ( 2 5 0 0 + 1 8 4 t ) + 4 1 8 7 t 。 ( 2 1 0 ) 其中，4 1 8 7 t 。为绝热加湿过程中加入水分的比焓( 近似值) 。 由于在绝热加湿过程中湿空气的焓值不变，即h = h 。，因此联立式2 7 2 9 r p w 得出d 、d 。、t 及t 。关系式： d：(2500-2374tw)d,-1010(t-t) ( 2 1 1 ) 2 5 0 0 + i 8 4 t - 4 1 8 7 t 。 、 由式2 1 l 可知，或为t 。的函数。因此，若p ，t ，d 已知，可用数值方法求得求 出t w 值。反之，若p ，t ，t w 已知，则可由上式求得矗值 2 2 2 2 湿球温度- 的迭代求解方法 利用式2 1 l 求解湿球温度t ，时，由于d = ，( 。) 比较复杂，其导数老= 厂“) 的形式会更加复杂鉴于此，可采用数值微商来代替直接求导，步骤如下： 求湿球温度初值t ，。处曲线d = f ( t w 。) 的切线斜率：将0 。代入方程d = ，“) ， 可得吐= f ( t d 的值。在初值点( t 巾d ) 附近取点x 使f 。= f 。l + a t 。，代入方程锝 以= 八f 。) 值。则( t 。，d ) 处切线的斜率可近似写为： 乳* 罢= 瓦d j r - d 1 参照露点温度的求解方法，迭代式可写为= k + h z ) ，( 搿d d _ k 迭代计算到第次时，若k 一“i s 】，则可认为o * 。】，取t 1 0 4 ；对 未饱和空气，由于 t w f ，而且一般在计算0 之前，t 采l t a 已经确定，故可取 初值0 i = ( f + ) 2 ；a t 。可取乙x 1 0 4 若t 。跳到区间【t d ，t 】之外时，可采用下述方法使其重新落入该区间中： o r 时，令k = o 9 9 9 t 。而当吐 0 。 此外，为了保证迭代过程收敛，应使i t 。一t 。j y ，笔者在计算过程中发现， 只要y q t - t d i 2 即可。 2 3 湿空气状态参数计算程序的开发 2 3 1 湿空气状态参数的计算类型 在大气压仇一定的条件下，已知湿空气焓h ，含湿量d ，干球温度t ，湿球 温度，相对湿度妒，露点温度t 。中任意两个独立状态参数，即可通过湿空气关 系式计算出其余未知参数。又因为对于工程实际而言，干球温度r 与大气压力见是 最易测的也较为常用的初始状态参数，因此，可将见与t 设置为必选参数，再从 其余5 个参数中任选一项，从而计算出其余参数。根据已知参数的不同，可将湿 空气状态参数的计算分为五类( 见表2 1 ) ： 表2 - 1 湿空气状态参数计算的分类 t a b l e2 - 1t y p e so f a i fs t a l u sp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n 序号已知参数待求参数 1 d ，p ，u ，h ，t dp h t - t - 2 p ，td ，d ，h ，t ，p b ，t ，纭 3 p h ，t ，事p ，d ，u ，h ，t j ，t ， 4 p b ，t ，d p ，p ，h ，t d ，t ， 5 a ，t ，hd ，p ，声，p ，t d ，t ， 2 3 2 湿空气状态参数的计算步骤 依据表2 1 中的分类，利用v i s u a l c + + n e t 编写湿空气参数计算程序，程序的 求解步骤如表2 - 2 所示。 l o 上海水产大学硕士学位论文 表2 - 2 不同已知条件下湿空气状态参数的求解步骤 t a b l e2 - 2p r o c e s so f a i rs t a t u sc a l c u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n tg i v e nc o n d i t i o n s ? 忍知玩，f ，f 。时的计算步骤已知a ，f ，幻时的计算步骤 目标说明目标说明 p ，( 3r 对应的水蒸气饱和压力p 。( 3r 对应的水蒸气饱和压力 d i应用易，p ，( 乃 d i应用p b ，p ，( 3 d 应用f ，和r ，tp ，乃对应的水蒸气饱和压力 p ，应用岛，d d 应用p 6 ，p ， 应用p ，p j 锣) 妒 应用p ，p ，( 3 d 应用t ，d 和见 d 应用t d 和见 厅应用t ，d应用t ，d 0应用p ，迭代计算f ，应用t ，d 和仇，迭代计算 ! 已知纯，f ，时的计算步骤已知，f ，d 时的计算步骤 目标 说明目标说明 p ，( )r 对应的水蒸气饱和压力见( dr 对应的水蒸气饱和压力 以应用以，p ，( d d l应用p 6 ，p ，( d p ， 应用痧。p ，( 3p ，融甩p b 。d d 应用p b ，p 应用p ，p ，( d u 应用t ，d 和所 u 应用t ，d 和a 应用t ，dh 应用，d 应用a ，迭代计算 t d应用p 。，迭代计算 f 应用f ，d 和仇，迭代计算 f -应用，d 和仇，迭代计算 上海水产大学硕士学位论文 ? 已知玩，t ，h 时的计算步骤 ； 目标说明 p ，( dr 对应的水蒸气饱和压力 d |应用见，p ，( d d 应用t ，h p ，应用p b ，d 应用p ，p ，( 3 口 应用d ，d u 应用t ，d 和见 t d 应用p 。，迭代计算 t ，应用r ，d 和见，迭代计算 注：文中未列出的部分计算公式见参考文献【5 2 5 6 l 2 3 3 计算结果分暂 使用以上程序进行湿空气状态参数计算的结果与查图结果的比较见表2 - 3 ： 表2 - 3 湿空气状态参数计算结果与查困结果比较 t a b l e2 - 3c o m p a r i s o no f a i rp a r a m e t e rr e s u l t sf r o mp r o g r a ma n de n g i n e e r i n gf i g u r e s 已知大气压力p b = 1 0 1 3 2 5 p a ，干球温度t - - 2 8 0 ，相对湿度r h = 5 0 参数名称计算结果 查图结果误差 水蒸气饱和分压力 3 8 2 5 5 6p a 3 7 5 0 p a+ 2 水蒸气实际分压力 1 9 1 2 7 8p a1 8 9 0 p a+ 1 2 湿球温度 2 0 3 4 2 0 3 o 含湿量 1 1 9 6 9 k g 1 1 8g k g+ 1 1 3 焓5 8 8 1k j l ( g5 8 1k j k g + 1 2 露点温度 1 6 6 2 1 6 8 1 上海水产大学硕士学位论文 由表2 - 3 所示，计算结果与查图结果的误差士2 ，表明该计算程序在湿空气 状态参数计算方面具备较高的计算精度及智能化，完全可以满足工程应用需要。 2 4 本章小结 本章针对湿空气状态参数精确计算的重要性，开发了高精度湿空气状态参数 的计算程序。算例结果表明，该程序在湿空气状态参数计算方面具备较高的计算 精度及智能化，可作为工程应用的基础工具。 上海水产大学硕士学位论文 第三章低温送风系统的管路阻力研究 本章对空调系统风路、水路阻力计算的计算公式及其关系进行了研究。针对 常规方法的不足，提出了管路阻力的高精度计算程序，并对其进行了验证。最后 利用该程序分析了较低的送风温度对风管阻力的影响。 3 1 管路阻力的计算方法 3 1 1 流动阻力计算 某段圆管的流动阻力可由式3 1 以2 【5 邵8 1 计算： _ = a 去西0 2 ( 3 1 ) = f 丢 单位长度圆管的摩擦阻力跏i 删为； 凡= 告下0 2 p ( 3 3 ) 式中，凡为单位长度摩擦阻力，a 所；u 为气流速度，m s 。 式中，以为沿程阻力；k 为局部阻力；，为管长，m ；d 为管径，m ；d 为断面 平均流速，m s ；五为沿程阻力系数；f 为局部阻力系数。 矩形管道的沿程阻力计算应先求取其当量直径d | ，再计算见对应的圆管沿 程阻力即可。具有相同体积流量和单位长度摩擦损失的矩形风管，其当量直径 9 , 6 1 l 旧l 为： 见= 警喾 式中，a 、b 分别为矩形的长和宽，m 。 整个管路的流动阻力等于各管段的沿程阻力和局部阻力的总和，即 = + k ( 3 5 ) 上海水产大学硕士学位论文 3 1 ，2 沿程阻力系数的计算 沿程阻力系数五可由式3 6 【6 2 】计算： 万1q - 盎+ 剥 ( 3 6 ) 式中，为粗糙度。m ；d 为直径( 非圆风管采用当量直径) ，m ；r e 为雷诺数。 由式3 6 可知，沿程阻力系数取决于雷诺数r e 和管道内表面的粗糙度。其 中，雷诺数r e 可由式3 7 t 5 3 1 计算。 r e ：p o d ( 3 7 ) 式中，为黏度p a j ，可由式3 8 ( 气体黏度) 或式3 9 ( 液体黏度) 计算： t 2 0 0 0 k 时， 导：墅塑但r (38)t * l li x l 硒 + sk 2 7 3 ) 式中，硒为o 时的黏度，。= 1 7 1 x 1 0 - 5 p a s ；s 为苏士兰常数，= 1 1 0 k 。 h 丢娑1 ) + 爿