（流体机械及工程专业论文）复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究.pdf

c l a s s i f l e di n d e x ： u d c ： m d d i s s e r t a t i o n s t u d yo ns i m u l a t i o na n d c o n t r o lm e t h o d so f c a p il l a r yr a d i a t i o n a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mw i t hd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n m a j o r ：f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g a d v i s e r ：p r o f l i ug u a n g y u a n g r a d u a t es t u d e n t ：c h e ny a n g y a n g z h o uu n i v e r s i t y m a y , 2 0 1 2 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 i 摘要l麴 本文介绍了毛细管辐射与置换通风空调的原理及特点，提出了毛细管辐射- 4 苴茇风 关键词：毛细管辐射：置换通风；c f d 模拟；防结露控制；节能 1 1扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h et h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i co fc a p i l l a r yr a d i a t i o na i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mw i t hd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ，a n dg i v ea m e t h o dt om e a s u r et h e r m a lc o m f o r ti n d e xo fi t t e s to ft h ev i l l a , i n s t a l l e dc a p i l l a r yr a d i a t i o na n dd i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o na i rc o n d i t i o n i n g s y s t e mo ns u m m e rc o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds p e e df i e l do fr o o m w a sv e r yu n i f o r m i t y , a n dm o r ec o m f o r t a b l et h a nt r a d i t i o n a la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m t e s te n e r g y c o n s u m p t i o no ft h ev i l l a t h er e s u l ts h o wt h a tt h ec a p i l l a r yr a d i a t i o ns y s t e mt a k e sl e s st h a nh a l f o ft o t a l c o o l i n gl o a d t h e a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mo ft h e v i l l am a yr e d u c ei t s e n e r g y c o n s u m p t i o n a n a l y z e ds o m et r o u b l e so f t h es y s t e m s i m u l a t et e m p e r a t u r ef i e l da n ds p e e df i e l do ft e s tr o o mb yf l u e n t t h er e s u l t ss h o w , t e m p e r a t u r e f i e l da n ds p e e df i e l do fr o o mw i t h o u th o ts o u r c ew a su n i f o r m i t ya n dm a i n l y i n f l u e n c e db yh e a t f l u xf r o mo u tw a l l sa n dw i n d o w s s i m u l a t et w ok i n d so fd i s p l a c e m e n t v e n t i l a t i o n r e s u l ts h o wh o r i z o n t a lv e n t i l a t i o ni sb e t t e rt h a nv e r t i c a lv e n t i l a t i o n w h e nt h e r ew a s h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ，t h ea i r f l o wf e l l e dt ot h ef l o o ra n df l o wc l o s et of l o o r , e x c e p t a tt h en e i g h b o r h o o do fh e a ts o u r c e t h ec o n t r o lm e t h o d so ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi n d e p e n d e n ta i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m w a sr e s e a r c h e d e n e r g yc o n s u m p t i o no fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mc a nb es a v e dt h r o u g h i n t e r m i t t e n tf l o wc o n t r o la n dr o o mt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nc o n t r 0 1 c o n d e n s a t i o nc a nb e e f f e c t i v e l yp r e v e n t e dt h r o u g hi n d o o ra i rd e wp o i n tt e m p e r a t u r ef e e d b a c kc o n t r o la n dc a p i l l a r y r a d i a t i o nc e i l i n gs u r f a c et e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t h em o s te n e r g y s a v i n g e c o n o m i co p e r a t i o n s t r a t e g yo f t h ev i l l aa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw a sp u tf o r w a r d t h i ss y s t e mf o r mw a s m o r ee n e r g y c o n s e r v a t i o nt h a ns o m eo t h e rs y s t e mt h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t h e o r yb a s i s w a sa l s ob ep r o v i d e df o rp r o m o t i o ni nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：c a p i l l a r yr a d i a t i o n ；d i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o n ；c f ds i m u l a t i o n ；c o n d e n s a t i o n p r e v e n t i o nc o n t r o l ；e n e r g yc o n s e r v a t i o n 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 符号说明一 1 绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 1 1 建筑室内环境1 1 1 2 建筑能耗现状1 1 1 3 空调能耗与温湿度独立空调2 1 1 4 辐射空调系统3 1 2 国内外研究现状。3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状4 1 3 本课题主要研究内容及意义5 2 毛细管辐射与置换通风空调系统及其热舒适性评价方法7 2 1 辐射供冷介绍7 2 1 1 辐射顶板的分类7 2 1 2 顶板辐射供冷量的计算8 2 2 置换通风系统1 0 2 2 1 系统概述1 0 2 2 2 置换通风系统的形式与布置1 2 2 2 3 置换通风系统的设计1 2 2 3 毛细管辐射与置换通风复合空调系统1 3 2 3 1 复合系统形式与特点1 3 2 3 2 复合系统最小通风除湿量的计算1 4 2 4 室内热舒适标准与范围16 2 5 室内热舒适性的评价方法17 2 6 室内热舒适性影响因素18 i v 扬州大学硕士学位论文 2 6 1 室内空气温度与作用温度一18 2 6 2 房间表面温度与房间空气温度之间的温差1 8 2 6 3 竖直温度梯度18 2 6 4 辐射不对称1 9 2 6 5 空气湿度1 9 2 6 6 空气流速与紊流强度2 0 2 7 本章小结2 0 3 毛细管辐射与置换通风空调系统的实验研究2 1 3 1 测试房间的选定2 1 3 1 1 测试别墅概述2 l 3 1 2 空调系统简介2l 3 2 实验仪器2 5 3 3 温度探点布置2 6 3 4 实验方法2 7 3 5 数据采集及分析一2 8 3 5 1 室内温度场测试2 8 3 5 2 室内湿度场测试31 3 5 3 置换通风效果测试3 2 3 5 4 系统运行噪声测试3 3 3 5 5 别墅空调系统耗电量测试3 3 3 6 房间热舒适性指标分析3 3 3 7 测试过程中发现问题及分析3 4 3 8 本章小结3 4 4 数值模拟结果分析3 5 4 1c f d 简介3 5 4 2f l u e n t 软件简介3 5 4 3c f d 控制方程3 6 4 4 房间温度场、速度场的模拟3 7 4 4 1 物理模型3 7 4 4 2 数学模型3 8 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 v 4 4 3 模型假设3 9 4 4 4 边界条件3 9 4 4 5 数值计算方法3 9 4 4 6 模型结果与分析4 0 4 5 本章小结51 5 热湿独立控制策略研究5 3 5 1 温湿度独立控制空调5 3 5 2 毛细管空调系统控制一5 3 5 2 1 温度控制5 3 5 2 2 毛细管防结露控制5 4 5 3 除湿系统控制5 6 5 4 复合系统最优化运行方式分析5 7 5 5 节能性分析。5 8 5 6 本章小结6 1 6 结论与展望6 3 6 1 研究结论6 3 6 2 研究展望6 3 参考文献6 5 致谢6 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 9 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书7 0 扬州大学硕士学位论文 符号说明 符号物理意义符号物理意义 g r 辐射板辐射传热量 瓦 室内空气紊流强度 t 。辐射面表面温度p m v预期人体热舒适感觉平均投票 t ，面积加权平均温度 p p d预期人体热舒适不满意百分率 乞 实际房间作用温度a ，b ，cp m v 值计算系数 口。 对流传热量 r 外墙传热热阻 乇 室内空气温度d外墙热惰性指标 单位面积辐射面总传热量、 qf o l距地面0 1 m 处的空气温度 时均供热量 k 。冷媒到辐射板表面的传热系数距地面1 1 m 处的空气温度 冷媒与辐射板的对数平均温差幻 距地面1 7 m 处的空气温度 t冷媒进口温度 t 2 6距地面2 6 m 处的空气温度 t ，冷媒出口温度1 1 距地面1 m 与处的空气温差 空气温差 冷辐射板表面平均温度 缈 空气相对湿度 口。讲冷顶板的总传热系数 距地面不同高度水平面 t冷顶板表面温度 双室内空气温度最大值 单位面积冷顶板的供冷量i 。室内空气温度最小值 t o房间的作用温度室内空气平均温度 通变量，代表“、v 、w 、t 等求解 气辐射不对称温度 矽 变量 m人体代谢率 ；空气平均流速 w 皮肤湿润度、压缩机做功 1 1 广义扩散系数 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 v i i 符号物理意义 符号物理意义 s 广义源项 n 折射系数 仃 斯蒂芬一玻尔兹曼常数 瓯散射系数 口 吸收系数、温差修正系数瓦冷凝温度 c p 空气定压比热死蒸发温度 g部分围护结构的基本耗热量 “供回水平均温差 4，部分围护结构的表面积 g 。单位制冷量 巧歹部分围护结构的传热系数 g 。 单位冷凝热 糸夏季室内计算温度 h焓值 如w夏季室外空气计算温度 f水的比热容 加热门窗缝隙渗入冷空气的耗热 q f p 室外空气密度 量 v i i i 扬州大学硕士学位论文 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 建筑室内环境 建筑是人们生活与工作的地方。现代人类大约有五分之四的时间在建筑物中度过。人 们已经逐渐认识到，建筑环境对人类的寿命、工作效率、产品质量起着极为重要的作用。 人类从穴居到居住现代建筑的漫长发展道路上，始终不解地改善室内环境，以满足人类自 身生活、工作对环境的要求和生产、科学实验对环境的要求。人们对现代建筑的要求，不 只有挡风遮雨的功能，还应是一个温湿度宜人、空气清新、光照柔和、宁静舒适的环境。 建筑室内环境由热湿环境、室内空气品质、室内光环境和声环境所组成。空调系统是控制 建筑热湿环境和室内空气品质的技术，同时也包含对系统本身所产生噪声的控制。但是随 着人民生活水平的提高，对室内环境的要求日渐提高，传统的空调已不能满足要求。特别 是传统的空调存在能耗高、运行噪声大、吹风感强等缺点、严重还会引起“空调病”。因 此一些健康节能的新式空调便孕育而生，满足人们对于建筑室内环境品质的高要求。 1 1 2 建筑能耗现状 有统计显示，我国能源消费约占世界总量的2 0 ，g d p 不到世界总量的1 0 。人均 能源消费接近世界平均水平，人均g d p 却只占世界平均水平的5 0 。当前，我国能源消 费总量与美国相当，g d p 仅为美国的3 7 ；g d p 略大于日本，而能源消费总量是日本的 4 7 倍。 我国是建筑大国，正处于建设高峰期，每年新建房屋面积超过所有发达国家建设量总 和的一半。公开资料显示，我国既有建筑近4 0 0 亿平方米，每年新建房屋面积接近2 0 亿 平方米，预计到2 0 2 0 年，总建筑面积将达到7 0 0 亿平方米而其中9 5 以上的建筑都是高耗 能建筑，其能耗大约是发达国家的3 倍。因建筑能耗高，我国仅北方采暖地区每年就多耗 标准煤1 8 0 0 万吨，直接经济损失达7 0 亿元。 在我国，建筑耗能般占社会总耗能的3 0 ，且随着城市化的进行和人民群众对建筑 环境日益提高的要求，这一比例会进一步提高。再加上建筑材料生产过程的消耗，在社会 总耗能的占比则达到4 6 - 4 7 。庞大的建筑能耗，已经成为我国国民经济的巨大负担。 扬州大学硕士学位论文 表1 1 我国建筑能耗消费现状与分类( 2 0 0 4 ) f 1 】 总面积 电耗 煤炭液化天然气煤气生物质总商品 石油能耗 气 亿平米亿万吨标万吨万吨标煤万吨标万吨标万吨标 k w h 煤标煤煤煤煤 农村 2 4 0 8 3 01 5 3 3 09 6 0 一一 2 6 0 0 01 9 2 0 0 城镇住宅( 不 9 61 5 0 04 6 01 2 1 05 5 02 9 0 7 8 2 0 含采暖) 长江流域住宅 4 02107 4 0 采暖 北方城镇采暖 6 4 1 2 7 4 0 一一一一 1 2 7 4 0 一般公共建筑 4 92 0 2 0 17 4 0 5 9 0 一一 9 4 7 0 大型公共建筑 45 0 0 一一 一 17 6 0 建筑总能耗 3 8 95 0 6 0 3 0 2 7 02 1 7 04 02 9 02 6 6 0 05 】7 3 0 现在我国每年新建房屋2 0 亿平方米中，9 9 以上是高能耗建筑；而既有的约4 3 0 亿平 方米建筑中，只有4 采取了能源效率措施，单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑 的3 倍以上。根据测算，如果不采取有力措施，到2 0 2 0 年中国建筑能耗将是现在3 倍以 l f 2 】 lo 1 1 3 空调能耗与温湿度独立空调 建筑能耗是指建筑使用能耗，包括采暖、空调、热水供应、照明、炊事、家用电器、 电梯等方面的能耗，其中采暖、空调能耗约占6 5 t 3 1 。在夏季用电高峰期，电网压力激增， 甚至影响到工业生产用电等。因此降低空调能耗是降低建筑能耗的关键。这就需要采用能 耗相对较低的空调形式替代传统的高能耗的空调形式。目前较为流行的节能环保的冷热源 形式有：土壤源热泵空调，水源热泵空调，与太阳能结合的空调，生物能、化学能空调、 利用自然通风进行降温等等。 对于空调末端来说，温湿度独立空调是近几年比较热门的新型空调形式。常规空调系 统通过将热湿负荷统一处理来调节控制温湿度，而在建筑中占大部分的显热部分，本 可以用高温热源进行处理，却与除湿一起共用低温冷源，造成浪费，而且传统空调处 理过程为了提高送风温度，存在冷热抵消的再热过程。温湿度独立控制空调系统的基 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 本理念是对室内温湿度分别进行调节。利用湿度控制系统承担建筑全部的潜热负荷来 实现室内湿度的控制，利用温度控制系统处理剩余的建筑负荷来实现温度控制。 温湿度独立控制空调系统中，独立新风除湿机组向室内送人干燥的空气，通过调 节送风状态点控制好室内湿度，除湿机组除湿方式包括冷冻除湿，吸附式除湿，溶液 除湿等；室内干工况末端( 干式风机盘管或毛细管辐射系统) 处理室内空气的显热来 调节室内温度。 1 1 4 辐射空调系统 毛细管辐射空调系统属于温湿度独立控制空调的一种末端形式。由于采用辐射传热 方式其舒适性优于传统对流换热空调形式。在节能上也比传统空调末端有如下优点，( 1 ) 采用辐射末端时，夏季室内空调设计温度可提高1 2 。c ，冬季可降低1 2 c ，人体感 觉仍然比传统空调末端舒适。( 2 ) 辐射末端夏季采用1 6 2 4 。c 冷水，相比于传统空调 末端的7 c ，提高了冷水机组蒸发器温度，c o p 提高1 5 以上，也使得低品位热源、 湖泊水以及在过渡季节冷却塔提供的冷却水，都有成为免费冷热源的可能。图1 1 给出了 我国部分地下水温度 4 1 。( 3 ) 如果结合置换送风系统，系统的送风量有较大幅度的减少， 使得风机耗功大幅度减少，节省风机运行费用。 图1 1 我国部分地区地下水温度 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 荷兰的j n i u 5 1 用逐时模拟的方法将冷却顶板与全空气系统进行比较，对节能性进行了 研究，结果表明：在荷兰的气候条件下，冷却顶板与变风量系统可以很好的兼容。 韩国的j a c h a nl i m e 6 1 针对本国人喜欢席地而坐的生活习惯对地板辐射供冷系统的控 4 扬州大学硕士学位论文 制方法进行了研究，指出采用水温反馈控制比水流控制又有利于减少室内温度波动。 新加坡的r i s t ok o s o n c n 和泰国的p r a p a p o nv a n g t o o k 通过模拟和实验研究了高温高湿 气候下的通风冷却顶板的可行性，结果表明：减少渗透进风，送风足以排除室内湿负荷， 采取有效的防凝露措施就可以在新加坡的气候条件下使用冷却顶板【7 训。 h u i j u a nx i n g 1 0 1 用实验方法研究了置换通风系统空气分层高度与房间内负荷的关系。 j a e w e o nj e o n g 1 1 1 、d o o s a ms o n g 1 2 1 分别研究了辐射供冷与混合通风结合对供冷量及室内热 环境的影响。 美国的c h r i s t o p h e rl c o n r o y 1 3 】分析了将冷却项板、独立新风系统和消防系统结合的经 济性、可行性以及各种技术细节，指出了在美国这样的国家技术条件和经济因素不再成为 阻碍冷却顶板加独立新风系统大力推广的问题。 宾夕法尼亚州立大学的a t i l an o v o s e l a c 1 4 】对冷却顶板+ 置换通风在美国的设计和应用 进行了研究：指出置换通风承担的冷负荷份额是一个很关键的设计参数。 法国的j m i r i e l 1 5 】利用建于雷恩的实验室对金属辐射顶板的性能、热舒适性和能耗进 行了实验和模拟研究，为金属辐射板在法国的推广应用提供参考和依据。伊朗学者m o r t e z a m 心d e h a l i 【1 6 】研究了辐射顶板的能量交换机制，建立了相应的解析数学模型，并与已有的 文献数据进行比较，结果吻合较好。 1 2 2 国内研究现状 山东建筑大学马玉奇等1 7 1 介绍了威海国际公寓辐射项板系统设计的方法，研究了利用 置换通风承担潜热负荷的可行性，探讨了在沿海高湿度地区防止室内结露的措施，为辐射 顶板加置换通风的空调系统设计提供了参考。 广州大学张燕【1 8 】针对热湿地区夏季空调期新风湿负荷占新风总负荷9 0 以上的实际 情况，开发了利用太阳能液体除湿处理冷却顶板空调系统新风湿负荷的方案，并将其与常 规的冷却除湿方案进行了比较，结果显示节能4 0 以上。 哈尔滨工程大学马景骏f l9 】对冷却顶板空调系统中辐射与对流换热及人体与环境的辐 射与对流换热、热舒适性进行了理论计算，指出冷却吊顶系统夏季室内温度可以比常规空 调系统高1 2 。 西安建筑科技大学赵蕾等【2 0 1 利用计算流体力学方法，对上置置换通风加顶板辐射供冷 复合空调办公建筑室内采用不同气流组织方式的通风效果进行了模拟研究，分析比较了气 流组织特性指标给出了送、排风口适宜的上置安装位置，并从舒适性、供冷情况、竖直温 度梯度以及温度、速度场分布等方面与传统置换通风加顶板辐射供冷复合空调系统进行了 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 比较，指明了这种新型空调模式的可行性、优点及不足。 重庆大学肖益民【2 1 】分析了冷却顶板空调系统中利用最小新风量去除室内湿负荷的可 行性，以及单独用表冷器处理新风的不足和改进途径。 华中科技大学王鑫【2 2 】运用a j r p a k 数值计算软件对结合置换通风的地板辐射供冷房间进 行了模拟，并考虑了室内存在人体及电脑灯热源的情况。通过对房间温湿度场，速度场， 以及p m v - p p d 的模拟，认为房间热舒适性良好，并与实验数据进行对比，认为较为吻合。 湖南大学的杨芳【2 3 】针对冷却顶板结露问题开发出一种新型的辐射板，在辐射板表面进 行憎水膜处理。 华南理工大学的丁云飞【2 4 】探讨了冷却顶板空调系统对新风承担湿负荷的要求及实施 方案，认为吸附除湿优于冷却除湿。指出当夏季室外空气温度低于3 0 及相对湿度低于8 0 时，除办公建筑外，除湿转轮均可满足系统运行要求。 哈尔滨工程大学孙丽颖【2 5 】通过对冷却吊顶运行能耗的计算机动态模拟，分析了供水方 式、新风系统形式、冷却塔供冷、制冷机冷水温差等因素对系统能耗的影响，认为采用冷 却吊顶水系统与新风系统独立的水系统形式，并结合冷却塔自然供冷，节能效果最好，建 议生产厂家开发小温差、大流量、低流动阻力的冷水机组，以推动冷却吊顶的应用。 清华大学狄洪发教授幽对辐射吊顶夏季供冷和冬季供暖的热工性能进行了测试，指出 在我国应用辐射吊顶完全可以满足供暖的要求。 山东建筑大学王立雷、赵菊【2 7 1 分析比较了置换通风及辐射顶板结合的空调系统的工作 原理特点及经济性，重点分析了系统独特的节能优势，通过测试假想平面网格节点上的温 度，以及空间各点的风速，评价了这种空调系统的热舒适性，研究表明：可以得到适中的 完全可以接受的室内空气品质和舒适性。 吉林大学葛风华2 8 】根据人体热舒适方程，推导出影响人体舒适性的平均辐射温度变化 与空气温度变化的关系，指出在保证人体热舒适感相同的条件下，平均辐射温度的变化与 室内空气温度的变化为负正比关系，且其变化的绝对值相同。 西安建筑科技大学袁锋【2 9 】模拟并分析了三种负荷条件下采用混合通风、顶板辐射、置 换通风及其复合空调四种空调模式在室内工作区p 值大致相等时室内热环境的区别， 还分析比较了顶板辐射加置换通风与地板辐射加置换通风两种空调模式室内热环境的区 别，结果表明：顶板辐射加置换通风比起地板辐射加置换通风具有一定的优势，其适用的 负荷范围更广。 1 3 本课题主要研究内容及意义 6 扬州大学硕士学位论文 毛细管辐射与置换通风复合空调系统( 后文简称复合系统) ，理论上比传统空调方式 更加节能和舒适。但是目前在我国应用较少，特别是南方高温高湿地区更甚。究其原因如 下： ( 1 ) 南方地区夏季空调负荷较高，系统能否满足温湿度设计要求。 ( 2 ) 系统在高温高湿地区夏季运行时冷辐射板易结露。 ( 3 ) 系统运行控制参数多、各参数直接互相影响制约，控制系统复杂。 ( 4 ) 系统初投资高。 针对上述问题，本文研究内容如下： ( 1 ) 在夏季工况对扬州地区使用毛细管辐射与置换通风空调的某别墅进行实际工程测 试，采用理论分析、数值模拟和实验测试相结合的研究方法，验证系统在高温高湿地方的 应用的可行性；检测系统实际运行效果；分析室内热环境舒适性。 ( 2 ) 针对毛细管辐射空调在南方地区夏季运行易结露的特点，分析结合置换通风对室 内温湿度的影响，并对保证不结露情况下最小除湿风量给出计算；另外通过实验和模拟优 化置换通风送风方式以及室内气流组织。 ( 3 ) 分析适用于毛细管辐射与置换通风空调系统的运行控制方式，给出别墅系统防结 露控制策略以及最经济运行方式。 ( 4 ) 分析对比己建成项目除湿方式的不同。验证复合系统的节能性。 如果解决了以上问题，可以降低复合系统运行能耗，改进复合系统控制方法，使得其 在南方高温高湿地区得到更广泛的推广和应用，对未来工程的设计也提供可靠的参考。 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 2 毛细管辐射与置换通风空调系统及其热舒适性评价方法 2 1 辐射供冷介绍 辐射供冷( 供热) 是指降低( 提高) 维护结构中的顶板温度，形成冷( 热) 辐射面， 依靠该辐射面与人体、热源、家具及其余围护结构表面间的辐射热交换，达到降温( 升温) 效果的技术【2 。毛细管辐射加置换通风复合空调系统以水作为冷( 热) 媒，置换通风系统 在消除室内的全部潜热负荷和湿负荷及承担部分显热负荷的同时，还承担通风换气的任 务，满足室内空气品质的要求。室内剩余的显热负荷由毛细管辐射板承担，辐射和对流是 毛细管辐射板的主要换热方式，其中以辐射换热方式为主导。辐射供冷一般采用顶板辐射， 有时也布置在侧墙和地板。图2 1 为辐射板的能量换热方式。 图2 1 辐射顶板的能量传递方式 2 1 1 辐射顶板的分类 辐射末端装置根据结构形式的不同大概可以分为以下三类b 0 | ： ( 1 ) 第一类是内埋管的混凝土板。在混凝土板中布置金属管，或是是塑料管和橡胶管。 厚度和楼板接近，承重能力强，可以当做楼板使用。这种辐射板启动时间长，停 止供水后也可以蓄冷较长时间，曾广泛运用于欧洲等干冷地区。在潮湿地区使用 需结合置换通风，否则容易引起结露。这种内埋管的混凝土板还具有价格低廉的 优点。 ( 2 ) 第二种是以金属为材料的辐射板，实际是- , e e 管内走水，管外为空气的表面式换 热器。一般制作为模块便于安装在室内吊顶或者墙壁上，通常采用铝板。优点是 对负荷反应迅速，换热效果好。缺点耗费金属较多，价格高。 扬州大学硕士学位论文 钥可管 继板导热胶 、 锚支架 i 划定 套 图2 2 几种常见的金属辐射板形式 ( 3 ) 第三类就是目前应用最广泛的辐射末端：毛细管平面辐射空调系统。用作供冷时也 被称为“冷却格栅”。一般以塑料为材料，制成直径小( 外径2 , - 3 m m ) 、间距t l , ( 1 0 , 2 0 m m ) 的密布细管，两端与分集水器相连，形成“冷网格”结构，类似于植物叶脉和人体毛细血管。 。 ， 由于不占空间，特别适合于层高较低的项目或是旧项目的改造。在夏季使用时为了防止辐 射板结露需要配合除湿新风系统使用。毛细管顶板的热响应时间介于混凝土板和金属板之 间，具有一定的蓄冷能力。 图2 3 毛细管席 网栅材料本身不含任何有害物质，网栅系统内不产生废气和废水等对环境有污染的废 物。同时网栅材料可百分之百回收再循环使用。此外该系统还具有取暖制冷合为一体、网 栅可免维修、安全可靠，使用寿命长等特剧3 2 1 。 2 1 2 顶板辐射供冷量的计算 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 9 由于影响辐射供冷系统的因素较多，与辐射板供冷( 暖) 相关的计算评价方法也较多， 一些由工程经验总结出来的简单准确的计算方法特别受到重视，具有代表性的方法有以下 几种m 1 。 a s h r a e 计算方法 辐射供冷公式如下： 旷叭5 l ( 等) 4 ( 等) 4 ， 式中：q r 为辐射传热量( w m 2 ) ；t p 为热辐射面表面温度( ) t s 为热辐射面以外其余维护 结构表面加权平均温度( ) 。 应该强调的是，虽然围护结构内表面温度的不均匀、内表面形状的不规则及辐射力的 波动性等，会使按公式( 2 1 ) 计算所得的辐射传热量与实际值存在一定差别，但是大量研 究表明，根据公式( 2 1 ) 计算所得的辐射传热量的误差范围不超过1 0 。 辐射供冷系统中辐射板热对流部分的换热量可用以下计算方法得出。 对于热地板或冷顶板：q 。= 2 1 8 ( t p 一气) ”1 ( 2 - 2 ) 式中：q 。为对流传热量( w m e ) ；t a 为室内空气温度( ) 。 对于加热或冷却的竖直辐射面： q 。= 1 7 8 ( t p 一气) 1 。3 2 ( 2 3 ) 单位面积辐射面的总供冷( 热) 量按下式计算： q = 级+ g 。 ( 2 4 ) 德国d i n 4 7 1 5 标准 辐射板的供冷能力除了与辐射板的构造、材质等结构参数有关外，主要还取决于冷媒 的温度参数。根据德国标准组织制定的d i n 4 7 1 5 标准，辐射顶板冷量的测量可用“冷辐射 顶板的特征曲线 来描述： g = k o 馘 ( 2 - 7 ) 式中，k o 为由冷媒到辐射板表面的传热系数，w m 2 k ，它表征了辐射板的特性；a t o 为冷 媒与辐射板表面温度之间的对数平均温差， 铲面t i - t r “，m 为冷辐射板表面平均 j n 一 温度，；为冷媒进口温度，。c ；t ，为冷媒出口温度，。 l o 扬少i 1 大学硕士学位论文 g l u e c k 公式 在围护结构表面温度与室内空气温度相差不大的前提下，g l u e c k 在实验基础上，提出 了冷顶板的总传热系数表达式： 口。m = 8 9 2 ( t 。一t ) o 1 ( 2 8 ) 式中，f 。为空气温度，；t 。为冷顶板表面温度，。 由式( 2 8 ) 可得，单位面积冷顶板的供冷量： q 。o l = 8 9 2 ( t 一t s ) 1 ( 2 9 ) 根据式( 2 9 ) 可得，不同冷顶板表面与空气温度差下冷顶板供冷量值的计算结果，如 表2 1 所示。 表2 1 冷顶板供冷量 温差 234567891 0 3 04 15 26 47 68 81 0 01 1 2 冷量( w m 2 ) 1 9 2 2 置换通风系统 2 2 1 系统概述 置换通风技术最早起源于上世纪7 0 年代的欧洲，最早用于焊接车间，9 0 年代后期开 始运行于改善建筑室内空气品质。 置换通风的原理是基于空气的密度差，形成的热气流上升而冷气流下降的。如图2 4 所示。置换通风的送风分布器一般靠近地面，送风风速较低，一般为o 2 0 5m s 。在这样 的低速下，送风气流与室内空气的掺混量很小，能够保持分区的流态。送入室内的低速、 低温的新风在重力作用下先是下沉，随后慢慢扩散，在地面上方形成一层新鲜空气层，通 常称为“空气湖”。与此同时，室内热源产生的热浊气流由于浮力作用而上升，并在上升 过程中不断“卷吸”周围空气，形成一股蘑菇状的气流。系统的排风口通常设置在顶棚附 近，热浊气流上升到这里被排到室外。置换通风用于采暖时，送风一般没有湿度要求。当 配合辐射供冷使用时，置换通风必须承担室内全部潜热负荷，此时送风含湿量有一定要求。 陈阳：复合空调系统热环境模拟及热湿独立控制策略研究 i i 送凤 e一一疋座- - 。一 过耐鲨卫。眍域 风 图2 4 置换通风示意图 传统的混合通风是以稀释原理为基础的，新风送入室内，稀释室内污染物浓度，从而 使被控污染物浓度降低到允许标准之下， 置换通风和混合通风的区别见下图： 项目)混合通风p置换通风p 目标p 控制室内温湿度均匀一保证室内空气品质最佳p 送风的作用一送风仅作动力源p送风是空气流动的动力源及浮力源p 气流分布的动力p由流体动力控制一由, , m , j - b 控制p 负7 亩特性p消除全室热湿与污染物负荷p消除工作区内热湿与污染物负荷p 送风气；氚特性p送风温差大，气；赢速度大，风量大)送风温差小，气流速度小，风量小p 送风口性能p要求风口紊流系数大，掺混性能好p送风紊! ；赢系数小，扩敌i 生胄皂好p 工作区要去一使工作区处于回流区或混流区妒送风直接进入工作区，工作区处于 分层高度以下p 实际效果p 工作区接近于排风空气品质p工作区接近于新风空气品质p 常用气流组织p 上送下回，上送上回，上侧送下回p下送上回，下侧送上回p 室内状态p室内空气高度紊动p室内空气紊流度低，出现温度分层p 换气效率) 5 0 p5 0 6 7 p j 通风效率p 2 的效果呢? 复合系统中合理的冷负荷分配应该是：置换通风系统承担新风负荷，室内全部湿负荷，以 及室内人员，设备对流热负荷；而辐射冷板能承担建筑维护结构传热、日射的热负荷，以 及室内人员设备的辐射热负荷。 因为辐射空调所具有的优点，我们当然希望辐射顶板承担大部分的室内负荷，但是并 不是所占比例越高越好。当辐射供冷所占比例过大时，墙表面温度低于空气温度，使得空 气下沉，破坏了置换通风的气流组织。另一方面，在一些高温高湿地区应用时，因为新风 含湿量较高，所以置换通风风量较大，承担室内冷负荷的比例也相应增大。国内外一般研 究认为，辐射供冷所承担总负荷的比例在5 0 巧5 时最为合理。 由于置换通风除湿风机与冷却顶板所供水温相差较大，除湿风机为了除湿的要求，水 温较低一般7 c ；而辐射顶板处于对结露的考虑，一般要高于室内露点温度，一般1 6 2 4 ；为了满足这两种不同的水温，一般有以下几种方式【3 2 1 ： 方案一：通过混水( 图2 6 ) 。辐射板与空气处理机组共用一套冷水机组，冷冻水设两个系 统，一路水温较低7 ，供给空气处理机组；另一路与毛细管辐射板的回水相混合，得到相对较 高的供水温度1 6 c ，供给毛细管网。这种方法设计简单，便于控制。 方案二：通过板换并联的冷水系统。机组产生7 冷冻水后分成两路，一路直接供给空 气处理机组；另一路通过换热器升高至1 6 后供给毛细管网。 方案三：独立冷水系统( 图2 7 ) 。一套冷水机组产生7 冷冻水供给空气处理机组；另一套 冷水机组产生1 6 的冷冻水供给毛细管辐射板。该方案分别设置冷水机组充分发挥了毛细 管辐射板供回水温度较高的优势，可以有效提高机组c o p 值，而且在冷热负荷不大的情况或 是过渡季节可以只开空气处理机组，缺点是系统初投资较大。 。喜戥明s i 0 i 丁口华唑z 髟衅鲤砚髯业薯蛩洌睡目犁皋业恒期压饕 号蔡嘞羽宁岿串骅够姒翠狲班昌嘭盈掣鬻喜晕影浆、f 靴上鬃谢一可。咄目朝髟僻鲤兽 姒掣辜群逮、喜蛩洌瑚捌、瞢蛩洌睡日士翕犁喜蛙明衅w 裂洌材蝴辁冒翠。薯蛩割脚 捌紧牲菩蛩髯鲷舄靠平、酉y 掣辜翱罩蜘业益型g 材捌犁彀0 至聚。喜蛩剖睡吕鬃牲菩 繇号掣辜明割旱适些审融辩明攀益嫌霉* 承珂礤骸甲辜0 至聚互睡日骑当姒鞲晦