（动力工程及工程热物理专业论文）辐射空调末端设备的研究.pdf

中文摘要 摘要 目前，市场上的辐射空调末端设备主要有冷却顶板和毛细管网辐射板，其中毛 细管网辐射板在工程实际中得到了广泛的应用。然而，毛细管网辐射板价格高， 而且在使用过程中供冷量低、易结露。从生产成本、工程实际应用、供冷量、空 间舒适性、结露问题等角度出发，设计出两种类型的辐射板。以石膏、水、柠檬 酸钾为原料，配置成毛细吸液芯，设计出了毛细吸液芯辐射板；通过在a b s 板上 切割间距为3 m m 、宽高为3 1 5 m m 的平行矩形槽道，设计了平行流辐射板。 由于在空调领域，换热末端常用的载冷剂主要有两类制冷剂和冷冻水， 因此实验过程中，设计了两类辐射空调系统。一类是戊烷为制冷剂、以毛细吸液 芯辐射板为蒸发器的单级蒸发式毛细吸液芯辐射空调系统；另一类是以冷冻水为 工质、平行流辐射板为辐射面的平行流辐射板辐射空调系统。 基于单级蒸发式毛细吸液芯辐射空调系统分析，对其火用损、c o p 、热力完善 度进行了系统性理论研究；并且通过实验研究了蒸发温度和模型空间温度对系统 供冷量和火用损的影响。实验研究表明，单级蒸发式毛细吸液芯辐射空调系统具有 供冷量大、结露风险小的优点。同时，为了分析毛细吸液芯多孔介质的阻力特性， 实验过程中建立了一种新的两相流动模型。在此基础上，研究了流量对阻力的影 响、雷诺数对厂的影响。实验得出的厂与b l a s s i u s 解f = o 0 7 9 r e 。0 2 5 具有较高的一致 性。 以毛细管网辐射板为参照，研究了平行流辐射板空调系统。分别在两者内部 通入1 7 2 5 的冷水，对两者在供冷量、空间温度分布差异、空间温度对供冷量 的影响方面的特性进行了分析。研究结果表明平行流辐射板不仅供冷量大，而且 能够提供良好的空间舒适度。同时，通过改变两者进出口的流量，研究了两者槽 道内转捩雷诺数与比摩阻厂。研究结果表明，两者槽道内的转捩雷诺数明显低于常 规管道，大约在8 0 0 9 0 0 之间。在实验研究范围内，平行流辐射板槽道内的厂与经 典的计算公式厂= 6 4 r e 计算结果吻合。通过与常规分体式空调蒸发器比较，毛细 吸液芯辐射板火用损降低6 0 ：与风机盘管比较，平行流辐射板火用损降低8 0 。结 合供冷量与辐射空调系统设计要求等因素，确定了平行流辐射板的最佳流量为 4 1 3 l h 。在此基础上，建立了平行流辐射板火用损模型，研究了流量对火用损以及供 冷量对火用损失的影响。同时，对比分析了最佳流量下毛细管网辐射板与平行流辐 射板的流量、火用损、供冷量，对比结果表明平行流辐射板减少了流量、降低了火用 损、提高了供冷量。 关键词：蒸发式辐射空调系统，两相流动，平行流辐射板，火用损 重庆大学硕士学位论文 一一 1 1 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h e r ea r et w ok i n d so ft e r m i n a le q u i p m e n to f r a d i a t i o na i r - c o n d i t i o n i n g i nt h em a r k e t o n ei s c o o l i n gc e i l i n ga n dt h eo t h e ri sc a p i l l a r yr a d i a t i o nt u b et h a ti s a p p l i e dw i d e l yi ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e h o w e v e r , n o to n l yi sc a p i l l a r yr a d i a t i o nt u b e e x p e n s i v e ，b u ta l s ol o wi nc o o l i n gc a p a c i t ya n de a s yt oc o n d e n s a t i o n c o n s i d e r i n gt h e c o s to fp r o d u c t i o n ，e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，c o o l i n gc a p a c i t ya n ds p a c ec o m f o r t ，t w o k i n d so fr a d i a n tp a n e lw e r ed e s i g n e di nt h ep r e s e n t t h ec a p i l l a r yw i c kr a d i a n tp a n e l w a sd e s i g n e dw i t hw a t e r , g y p s u ma n dal i t t l ea m o u n to fp o t a s s i u mc i t r a t ea st h er a w m a t e r i a l s t h ep a r a l l e lf l o wr a d i a n t p a n e lw a sd e s i g n e dw i t hp a r a l l e lr e c t a n g u l a r c h a n n e l ( 3 m mi nw i d t ha n d1 5 m mi nh e i g h t ) a ts p a c ei n t e r v a lo f3 m mi nt h ea b s p l a t e r e f r i g e r a n ta n dc h i l l e dw a t e ra r eu s e da st h ec o m m o ns e c o n d a r yr e f r i g e r a n ti nt h e t e r m i n a ld e v i c eo f a i r - c o n d i t i o n i n g a n d t h e r ea r et w ok i n d so f r a d i a t i o n a i r - c o n d i t i o n i n gd e s i g n e di nt h ep r o g r a mo fe x e p e r i m e n t f r i s t ，t h e s i n g l es t a g e v a p o r i z i n gc a p i l l a r yw i c kr a d i a t i o na i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mw a sd e s i g n e db yu s i n g c a p i l l a r yw i c kr a d i a n tp a n e la st h e e v a p o r a t o ra n dc 5 h 1 2a st h er e f r i g e r a t i o ni n l a b o r a t o r y m e a n w h i l e ，t h ep a r a l l e lf l o wr a d i a n tp a n e la i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mw a s d e s i g n e db yu s i n gp a r a l l e lf l o wr a d i a n tp a n e la st h er a d i a t i o ns u r f a c ea n dc h i l l e dw a t e r a st h er e f r i g e r a n t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e s i n g l es t a g ev a p o r i z i n gc a p i l l a r yw i c kr 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 m ，t h el o s so f & 、c o pa n d 叮w e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya n d t h ei n f l u e n c eo fe v a p o r a t i v et e m p e r a t u r ea n dt h es p a c et e m p e r a t u r ei nm o d e lo nc o o l i n g c a p a c i t ya n dt h el o s so f & 矗w e r ea l s or e s e a r c h e dt h er e s u l t si n d i ca t et 1 1 a tt h e r a d i a t i o na i r 。c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a v ea d v a n t a g e so ft h ei n c r e a s e dc o o l i n gc a p a c i t ya n d t h er e d u c e dc o n d e n s a t i o n m e a n w h i l e ，i no r d e rt o a n a l y s i sr e s i s t a n c ec h a r a c t e ro f r a d i a t i o np a n e lo fc a p i l l a r yw i c k ，an e wr e s i s t a n c em o d e lo ft h ef l o wo ft w op h a s e sw a s e s t a b l i s h e d b a s e do nt h em o d e l ，t h ee f f e c to ff l o wo nr e s i s t a n c ea n dt h ei n n u e n c eo fr e o nfw e r es t u d i e d t h efi nt h ee x p e r i m e n th a sb e e nh i g h c o n s i s t e n c yt ob l a s s i u s ，s s o l u t i o n ：产0 0 7 9 r e 。o 2 5 f u r t h e r m o r e ，c 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 gs y s t e mw a su s e da sac o n t r a s tt h e p a r a l l e lf l o wr a d i a n tp a n e la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mw a ss t u d i e db yu s i n gt h ew a t e rw i t h t e m p e r a t u r eo f 17 。c - 2 5 。c r e s p e c t i v e l y t h ec o o l i n gc a p a c i t y , d i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ei nt h es p a c ea n dt h ee f f e c to fs p a c et e m p e r a t u r eo nt h ec o o l i n gc a p a c i t y i i i w e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：n o to n l yc a nt h ep a r a l l e l f l o wr a d i a n tp a n e l p r o v i d el a r g e rc o o l i n gc a p a c i t y , b u ta l s op r o v i d eb e t t e r c o m f o r t a b l es p a c et h a nt l l e c 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 gs y s t e m m e a n w h i l e ，t h et r a n s i t i o nr ea n d i nt h e m i c r o c h 籼e 1w e r e 咖d i e dt h r o u g hc h a n g i n gt h ei n l e ta n de x p o r tf l o w i nt h eb o t h r a d i a t i o np a n e l t h er e s u l t so fs t u d y s h o wt h a tt h et r a n s i t i o nr ei s l o w e ri nt h e m i c r o c h 锄e 1t 1 1 a nc o n v e n t i o l l a lp i p e ，w h i c hi s a b o u t8 0 0 9 0 0 i nt h ee x p e r i m e n t a l m g e ，m e 厂i nm i c r o p i p eo fp a r a l l e lf l o wr a d i a t i o np a n e li sa p p r o x i m a t e l ye q u a l t ot h e 士 a c c o 。r d i n gt oc a l c u l a t i o no f t h ec l a s s i c a lf o m m a 厂= 五6 4 c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls p l i tt y p ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，s i n g l es t a g e v a p o r i z i n gc a p i l l a r yw i c kr a d i a t i o na i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mc a nr e d u c e 晟日a b o u t 6 0 i nt e m i i l a le q u i p m e n to fh e m t r a n s i t i o na n dc o n t r a s tt ot h ef a nc o i lu n i ts y s t e m ，p a r a l l e l f l o wr a d i a n tp a n e ls y s t e mc a nr e d u c e & 日a b o u t8 0 i nt e r m i n a le q u i p m e n to fh e a t t 眦s i t i o n c o m b i n e dw i t hc o o l i n gc a p a c i t y a n dt h er e q u i r e m e n to f r a d i a t l o na i r c o n d i t i o n i n gd e s i g n ，t h eo p t i m u mf l o wi s 41 3 l hi nt h er a d i a t i o np a n e lw i t hp a r a l l e l c h a n n e l s b a s e do nt h i s ，t h el o s so fe x ，ha n dt h ei n f l u e n c eo fc o o l i n gc a p a c i t yo n t h el o s s o f 晟hw e r es t u d i e d a n dt h et h r e ec h a r a c t e r si n c l u d i n gf l o w 、t h el o s so fb ，日a n d c o o l i n gc a p a c i t yw e r ec o m p a r e du n d e r t h eo p t i m u mf l o w , t h er e s u l t ss h o wt h a tr a d l a t l o n p a n e lw i t hp a r a l l e lc h a i l l l e l sh a v es o m ea d v a n t a g eo fs a v i n gf l o w , r e d u c i n g t h el o s so f e x ，ha n di m p r o v i n gc o o l i n gc a p a c i t y k e y w o r d ：e v a p o r a t i o nr a d i a t i o na i rc o n d k i o n i n gs y s t e m ，t h e f l o wo ft w op h a s e s ， r a d i a t i o np a n e lo fp a r a l l e lc h a n n e l s ，t h el o s so fe x , h 主要符号表 主要符号表 v 重庆大学硕士学位论文 v i 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 国家统计局发布的 2 0 0 9 年国民经济和社会发展统计公报显示，2 0 0 9 年全 国能源消费总量达3 0 6 6 亿吨标准煤，比上年增长5 2 ，增幅提高1 3 个百分点； 2 0 1 0 年能源消费总量比上年增长5 9 ，达到3 2 5 亿吨标准煤；至2 0 1 1 年能源消 费总量比上年增长7 ，达3 4 8 亿吨标准煤。从近几年的数据分析，可知目前我国 能源消耗量巨大，增长幅度极快。 目前，我国城市化建设程度正在不断扩展，钢铁、水泥、电力等方面的能源 消耗达到了前所未有的程度。到目前为止，与建筑行业相关的能源消耗己占到我 国总商品能耗的2 0 3 0 。 按照国际通用的定义与分类，建筑能耗是指建筑( 居住建筑和公共建筑等) 使用 过程中的能耗，主要包括空气调节、通风、采暖、热水供应、家用电器、照明以 及炊事等方面的能耗j 。目前，建筑能耗已与工业能耗、交通能耗并列成为我国能 源消耗的三大“耗能大户”。不仅如此，伴随着建筑规模的扩大以及人们对居住空间 内舒适度要求的不断上升，建筑能耗还呈急剧上扬趋势。依据往年我国能耗情况 统计，建筑能耗所占比例从1 9 7 8 年的1 0 上升到2 0 0 1 年的2 7 4 5 ：从2 0 0 2 年的 2 7 6 快速上升到现在的3 3 以上【2 j 。近3 0 年国内外能源行业的研究与实践表明： 在各种节能途径中，潜力最大且最为直接有效的途径是建筑节能，它是缓解能源 紧张局势、解决社会经济发展与能源供应不足这对矛盾的最有效措施之一。而在 建筑能耗中，随着人民生活水平的不断提高，空调能耗占有的比重也越来越大， 有些大城市高峰时期的空调用电己占到总耗电量的5 0 以上【3 】。以办公楼为例，表 1 1 给出了各类功能一次能耗消费所占的比例【4 j 。从表1 1 中可以看出，对于办公 楼一次能耗消费构成而言，空调能耗所占比例约为0 4 7 ，照明能耗约为0 3 2 ，其 它用途所占能耗约为o 2 1 。从耗电量的角度来分析，办公楼电量消耗的构成如表 1 2 【4 j ，其中空调系统耗电量约占总耗电量的0 4 2 左右。由此可见空调系统的能耗 已经给城市供电系统造成了巨大的压力。 因而，建筑节能贵在空调系统的节能。现有空调系统一般由处理空气的末端 设备、空气输送管道以及空气分配装置所组成。空调的节能，就在于减少末端设 备的工况温度与室内空气的温差太大造成的火用损，还有为了加强大温差换热的热 流密度所消耗的风机能耗。现有暖通空调系统的节能途径和方法主要有以下几个 方面【5 】： 合理设计空调系统，达到系统高效经济地运行： 重庆大学硕士学位论文 提高建筑物维护结构的隔热保温性能，减少冷热损失； 加快可再生能源以及低品位能源空调系统的推广； 实现能源最大限度的综合利用，加强冷热回收利用的研究及应用； 进一步提高空调系统的控制水平，保证系统合理高效运行。 表1 i1 办公楼建筑各功能一次能耗比例 ( 建筑能耗以1 计) t a b 1 1t h er a t i oo fv a r i o u se n e r g yc o n s u m p t i o ni no f f i c eb u i l d i n g ( ! 垒星! ! ! 型皇望曼鳗q ! ! 坚i ! 垒垫gi ! 1 2 热源0 2热源本体0 1 6 空调用途0 4 7 输送系统0 2 7 热源辅机0 0 4 换气用风机0 1 1 空调用风机0 0 9 空调用水泵0 0 7 表1 2 办公楼耗电量的构成 ( 总耗电量以1 计) t a b 1 2t h ec o m p o s i t i o no fe l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o ni no f f i c eb u i l d i n g ( ! 旦里! q 型q ! 皇! 篁璺垒! 里i 壁璺q 里兰望里巳垡竺旦i ! ! ) 制冷机0 1 空调系统0 4 2空调动力0 2 7 其它o 0 5 然而，治标难于治本。现有空调系统设计无论如何优化、改进，都始终改变 不了大温差换热的传统空调供冷模式。 目前，随着经济社会的飞速发展，现代人的生活水平不断提高，对自己的生 活质量和生活品质的关心程度越来越高。良好的室内舒适度成为衡量人们生活质 量是否提高的重要标准之一。与此同时，大量的研究【6 ，7 j 也表明：人体舒适度得到 满足后，自身的工作潜能才能充分发挥，由此工作效率得到提高。通常认为，舒 2 1 绪论 适条件下人体产生的热量的散发比例大体是这样：对流散热3 0 、辐射4 5 、蒸 发2 5 。而现在的空调系统，对流换热占人体散热的比例很大。所以只要能够降 低空调房间内的平均辐射温度，适当增大人体辐射散热的比例，就能增加人体的 + 舒适感 8 - 1 0 。因而通过辐射换热途径来为现代人们创造良好的室内舒适性环境具有 可行性。 在日常生活中我们可以感受到，在一个较热的室内环境中，如果周围出现了 适度低温的物体面，就能够感觉到凉爽与舒适。就其原因是物体表面的温度低， 人体与物体表面的辐射换热增大，散热增加。因而人类学家e d w a r d t w a l l 就曾说 过，人类实际上可以适应辐射换热的散热方式。因为地球本身就是一个靠辐射能 加热的星球，人类几亿年的生活已经适应了这个辐射环境。任何肤色皮肤的人类， 发射率都达到了0 9 9 。他还大胆预测：“如果地球上的热交换完全靠辐射来进行， 我们只需要目前能耗的1 3 就能够生活的更好”【1 1 】。 由此可见，辐射换热不仅节约能源而且还能够提供室内舒适性。因而，为了 缓解目前的能源消耗紧张局势，同时满足现代人们的物质文化需求，创造出舒适 与温馨的室内环境，辐射空调应运而生。 1 2 现有空调末端设备的形式及工作原理 目前，节能、美观、舒适的辐射空调系统吸引了国内外众多空调行业与领域 的关注【l2 ，1 3 j 。因而辐射空调的形式不断推陈出新。 辐射供冷空调系统按末端辐射管管径大小可以分为常规管辐射管辐射空调系 统与毛细管网辐射板辐射空调系统。常规管辐射管空调系统按安装位置又可分为 吊顶辐射供冷系统与楼板辐射供冷系统。常规管辐射管一般安装在楼板与装饰面 板的空间内或直接安装在楼板内，如图1 1 ( a ) 、( b ) 所示。而毛细管网辐射板一 般是镶嵌在石膏板内一起组成装饰面板，如图1 1 ( c ) 所示。 ( a ) 吊顶式辐射供冷( b ) 楼板式辐射供冷 重庆大学硕士学位论文 ( c ) 毛细管网辐射板供冷 图1 1 辐射供冷空调系统末端安装示意图 f i g 1 1t h er e n d e r i n gp i c t u r eo f t e r m i n a ld e v i c eo f t h e r a d i a t i o na i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m 辐射空调系统按照冷热源的形式可以分为：水源热泵辐射空调、地源热泵辐 射空调、空气源热泵辐射空调、燃气壁挂炉辐射空调四种形式。 丑 3 图1 2 辐射空调系统图 f i g 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fr a d i a t i o na i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m 1 - - t g n # 2 一采暖地板3 一供冷顶板4 泠凝器 5 一节流阀 6 一蒸发器 7 一压缩机8 一水泵 以水源热泵系统为例对辐射空调系统的原理进行说明。如图1 2 所示，图中4 、 5 、6 、7 设备构成了制冷系统，其余设备构成了供冷系统。当同时开启k 2 、k 5 、 k 6 、k 7 、k 9 、k 1 0 ，关闭其它阀门时，辐射顶板供冷。在蒸发器侧：供冷系统中 1 绪论 的工质冷冻水流经蒸发器放热变冷达到系统供冷所需温度，再经辐射供冷顶板与 房间换热后温度升高，然后再次流入蒸发器放热降温恢复至供冷水温，循环往复， 达到辐射供冷的目的。在冷凝器侧：由于夏季水源井内水温度较低并且恒定，可 利用低温水冷却冷凝器的工质。流经冷凝器的冷却水吸热后温度升高，流回水源 井换热温度降低后，再与冷凝器换热，循环不断地冷却冷凝器中的工质。当同时 开启k 1 、k 3 、k 4 、k 8 、k 1 0 、k 1 1 ，关闭其它阀门时，采暖地板供热。此时，供 热系统中的热水从冷凝器中吸热升温，经过采暖地板供热后降温，然后再次进入 冷凝器加热。在蒸发器侧：由于冬季水源井内水温度较高且恒定，可利用水源井 内的水来加热蒸发器内的工质。流经蒸发器的井水冷却后，回至井内再次换热升 温，继续与蒸发器换热。 1 3 辐射空调研究现状 1 3 1 理论研究 到目前为止，在辐射空调的节能、结露的控制、供冷量的提高、舒适性、成 本费用等方面，国内外广大学者展开了广泛的研究。 在国内，李云东，张长兴，郭潇潇【1 4 j 利用数值模拟的方法分析在一定条件下 供水温度、管间距、管径等与地板表面平均温度及平均热流密度之间的关系得出： 当室内温度状况不变时，采用小管径、小管间距、表面热阻小的材料等措施可以 达到较好的供冷、供热效果。刘学来【15 j 从房间温度的调节方面来研究辐射空调的 节能性能，在不降低室内舒适度的前提下，毛细管网辐射板辐射空调系统与传统 空调系统相比，可节能1 5 以上。张佩东，常虹【1 6 j 以辐射空调冷却项板供冷为代 表做了模拟与研究，研究表明镶嵌在辐射板内水管直径宜在7 m m 1 3 r a m 之间，降 低管间距，可以增大供冷量。郑小丽，黄翔，殷清海【l7 j 通过工程实例实测并研究 得出：夏季应用辐射空调供冷时，辐射末端可承担总负荷的6 8 ，辐射空调系统最 高可节能6 3 ；同时高投资的成本也会在系统运行半个空调周期持平。高志宏， 刘晓华，江亿【l8 】通过对温湿度独立控制的毛细管网辐射板辐射空调研究表明：随 着空间热负荷的增加，室内温度也不断增高，毛细管网辐射板辐射空调的供冷量 随着增加，并且增大的幅度随着供水温度的升高而增大。唐凯，张旭，周翔等【1 9 】 通过实验研究了辐射吊顶+ 置换通风系统夏季运行性能，结果表明：辐射供冷室内 热舒适性评价指标p m v 和p p d 均在舒适性范围内，0 6 1 5 为人体活动区温度梯 度。 在国外，p v 撕甄o o k 等【2 0 - 2 3 】通过实验和数值模拟对辐射空调所要求的湿度进行 了研究，为防止辐射冷板不结露，辐射冷板的表面温度最好限制在2 4 以上，但 是如果将新风除湿和辐射空调结合应用，辐射板表面温度可以根据除湿后露点温 重庆大学硕士学位论文 度做相应的调整。泰国r a m e m o n 【2 2 】利用问卷的形式调查了处于亚热带地区人员 热舒适情况，调查表明：当人员满意度达n 8 0 时，有效温度值比a s h r a e 规定 值高约6 5 。k i t a g a w a 等【2 4 】研究也得出，人员热舒适投票与个人因素、生理情况 无显著关系；空气的微小运动能有效的提高室内热舒适性。法国学者t i b e r i u c a t a l i n a 等【2 3 】通过实验和c f d 模拟相结合，研究了冷却辐射板供冷时房间内热舒适 问题，研究表明房间空调区域空气流速不超过0 1 m s ，垂直温度梯度在s 1 m ，实 感温度一般要比空气温度约高0 8 。c ，p m v 值在室内分布均匀，人员具有良好热舒 适性。t a e y e o n 、s h u z om u r a k a m i y a n 、c o r i n as t e t i u 2 5 。27 j 开展的c f d 仿真研究和能 耗分析表明全空气系统要比辐射供冷系统的能耗高。通过对传统变风量系统和冷 却项板空调系统能耗比较分析，结果表明：与传统全空气系统相比，冷却顶板节 能达3 0 ，峰值负荷期间可节约2 7 的电能，且室内温湿度更加稳定。德 s o d e c 瞄酬 教授利用软件t r n s y s 比较了冷却顶板与变风量系统在能耗经济性方面的差异，发 现变风量系统能耗费和所占用空间均大于冷却顶板。当负荷处于4 5 5 5 w m 之间 时，冷却顶板费用大约为变风量系统的8 0 ，但是所占用的空间量仅为变风量系统 的4 0 - 5 0 。如果在过渡季节使用冷却塔直接供冷，冷却项板可节约费用1 0 2 0 ， 且房间负荷越大，冷却顶板经济性就越好。m a r t i nb e h n e p 9 j 通过实验分析了当置换 通风空气系统承担了超过2 0 - 2 5 的冷负荷，与混合通风+ 辐射冷却顶板供冷系统相 比，置换通风+ 辐射冷却顶板供冷系统能够提供更好的舒适环境。 r w g r i f f i t h s ，e c e a m e s 3 0 】研究了相变材料在冷却顶板领域的应用，将冷却顶板中的 水替换为相变材料可以增大冷却顶板的换热量，从而降低热泵的负荷和辐射板表 面温度，节约投资、降低能耗。s t a n l y a m u m m a 3 1 】建立了以导热板为传热中介的 辐射冷却顶板传热方程，阐述了导热板效率、管径、管间距、质量流量、管长、 板材的热工性质和室内空气流速对项板换热的影响。 1 3 2 应用状况 目前，应用最广的辐射空调末端换热设备是毛细管网辐射板。毛细管网辐射 板空调系统在国外已经应用了2 0 多年，毛细管网辐射板空调系统的应用范围涉及 到公共建筑与民用建筑领域。民用建筑领域有德国柏林s t o l p c h e n s e e 别墅区项目， 公共建筑领域有德国柏林t r e p t o w e r a l l a i n z 保险公司、德国勒沃库森足球体育馆、 德国柏林动物园企鹅馆、德国h a n n o v e r 2 0 0 0 展览会展馆、维也纳双子大厦、 比利时布鲁塞尔u c b 药厂等项引3 2 j 。在国内，近年来辐射空调系统也有了前所未 有的发展，并且与太阳能、水源热泵、地源热泵等低品位能源相结合，设计完成 了一大批工程案例，遍布全国各地。其中既有公用建筑也有民用建筑，如清华大 学低能耗示范楼、清华大学环境楼、北京锋尚国际公寓、南京朗诗国际街区、北 京奥运会部分场馆、上海世博会部分场馆、山东日照港务局培训中心、天津富水 6 1 绪论 一方、西藏华能水电站基地、绿地能源大厦等项目。 1 4 辐射空调系统的优缺点 辐射供冷空调系统是一种基于温湿度独立控制的空调系统，它的特点为【3 副：利 用水泵使低温冷水流过末端设备，当末端装置表面温度降低后，通过辐射和对流 换热进行热交换而冷却室内空间，消除房间的显热负荷；室内余湿负荷可以采用 其它形式消除，如独立新风系统等。辐射供冷空调系统具有以下主要优点【3 4 1 ： 舒适性高。在夏季辐射供冷降低维护结构表面温度，增强了人体辐射散热 份额，以辐射换热为主来达到调节人体舒适度的目的。同时辐射供冷采用温湿度 独立控制，且辐射供冷系统室内的温度梯度小、吹风感小，所以能够实现良好的 室内舒适性。 布置方式灵活。辐射供冷提供一种新的空调末端形式，有利于系统布置， 优化空调送风系统。特别是在采用全空气空调系统时，其风管横截面积大，需要 占用很大的建筑空间，有时还需要穿越建筑梁、柱等，难布置，而采用辐射供冷 系统可以有效减少对建筑物层高的降低，增加建筑物的可用空间。 节能性。影响室内舒适度的三大因素是：风速、空气温度、空气湿度。已 有研究表明夏热冬冷地区居民夏季的热中性温度为2 7 3 ，热期望温度为2 6 7 ， 夏季8 0 人可接受的舒适温度范围在2 4 2 - - 2 9 8 内。如果对室内的风速、湿度加 以合理控制，室内温度就可以在现行的2 6 基础上提2 3 。辐射空调由于具有 新风置换系统，因而能够合理控制室内湿度、风速。从而室内温度可以设定在2 8 2 9 之间，对室内热环境进行设计，节约夏季空调能耗1 2 1 5 【3 5 | 。 尽管如此，这样一种新型的空调系统形式也存在其它的不足之处： ( 1 ) 初投资成本高、系统复杂 无论哪种冷热源形式的辐射空调系统，初期投资都高，一般客户都不易接受。 以2 4 0m 2 的别墅采暖为例，对各种形式的采暖，工程初投资分析如1 3 表。此费用 不包括房间保温措施等相关费用。 针对此高昂的费用产生原因分析有： 末端辐射设备。无论是常规的辐射管还是毛细管网辐射板，都是不能直接 应用在工程实践当中。从1 1 图可以看出，辐射管都是镶嵌或隐藏在装饰面内，依 靠热对流、热传导降低装饰面外表面温度，对空间进行辐射供冷。由于辐射管之 间相隔，这样就产生了板面温度的不均匀性。在保证板面不结露的情况下供冷量 低，要想达到更大的供冷量，则需要加大辐射管的铺设面积。 热泵设备。目前国内使用的热泵及其附属的水箱等设备大多是进口，增大 了辐射空调系统的初期投资。 重庆大学硕士学位论文 新风系统。对于密闭性良好的辐射空调房间，为了营造卫生、温馨、舒适 的室内环境，必须保证一定的新风量，同时为了保证辐射板板面不结露，需要对 房间空气与新风除湿，维持室内湿度恒定。新风置换系统也加大了系统设备的初 期投资。 辐射换热的滞后性。在高热湿负荷的空气调节时，直接利用辐射空调达到 室内空间的舒适性有困难，必须以风机盘管辅助供冷、除湿。风机盘管空调系统 更加加大了辐射空调设备的初投资。 表1 3 几种辐射采暖费用对比 ：! 垒垒：! ：三! 垦皇鱼q 坐p 垒堕! q 垒q ! 里q ! ! q ! ! q 坐曼! 塑i 璺堕垫曼查! 旦g 组合形式 辐射管单体造懒 总造价 ( 万元) ( 2 ) 漏水修复难、且不易察觉。辐射空调系统的冷热媒管路都是安装在装饰 面板里面，铺设面广，一旦出现管路漏水现象，不易察觉，且维修不方便。如果 对漏水点维修不及时，很有可能对室内装饰造成不可修复的破坏。 ( 3 ) 较高的集成控制、系统较强的集中性。系统高度的集中，带来了控制系 统的复杂性，必然会带来管理强度的加大，进而造成管理费用上涨。 1 5 本文的研究内容 对目前的社会、经济能源形式分析表明，一方面是能源消耗的巨大压力，另 一方面是人们对自身生活室内高品质环境的追求。因而，走出一条能源节约型的 可持续的道路，又满足人们对生活品质的追求与享受，成为了当务之急。辐射空 调从诞生之日起发展到今天，应用在其上的技术可以说是雨后春笋。但是尽管技 术如此的日新月异，还是不能满足辐射空调在国民生活中的普及应用。制约辐射 空调的发展瓶颈，主要有以下几方面原因：系统复杂，初投资大；辐射板表面易 结露，影响环境卫生；板面温度分布不均匀，存在局部温度低，造成整体供冷量 小。 目前在空调领域，换热末端常用的载冷剂主要有两种制冷剂和冷冻水， 因而本课题从此点出发，设计辐射空调系统与末端换热设备，克服现有辐射空调 1 绪论 系统的缺点，大力推广辐射空调在我国的应用。本课题主要研究内容如下： 利用石膏、水、柠檬酸钾按比例配置成具有多孔结构的毛细吸液芯。并将 其填充到a b s 板焊接成的长方体空腔内组合成毛细吸液芯辐射板。该板利用制冷 剂在内部直接蒸发吸热，以承担室内负荷。利用此板与第二代户式空调室外机相 结合，设计了一种单级蒸发式毛细吸液芯辐射空调。要保证辐射空调系统不结露、 系统压力不能太大、制冷剂蒸发温度在常压下不能太低，并且蒸发潜热也不能太 小；同时所选用制冷剂还应低廉、稳定且是环境友好型。基于此选用常压下蒸发 温度为3 6 。c 的戊烷为制冷剂，实验调节制冷剂的蒸发温度在1 8 2 6 内变化，对 单级蒸发式毛细吸液芯辐射空调系统的性能、毛细吸液芯辐射板的热工性能进行 研究。其次，对毛细吸液芯辐射板内的两相流动阻力特性进行详细的分析。 设计制作以冷冻水为载冷剂承担室内负荷的平行流辐射板。在一平米的 a b s 板上开出8 1 条平行的矩形槽道，其槽道规格为：2 0 0 0 m m 3 m m x l 5 m m ( 长、 宽、高) ，槽道与槽道之间的距离减小至3 m m ，约为现在毛细网辐射板管与管间距 的1 7 。此换热器结构简单、利于开模加工、成本低、还可以根据装修需要多样性 加工。以此板为基础构成了平行流辐射板辐射空调系统。 对平行流辐射板热性能进行研究，对其阻力特性进行了测试。实验过程中， 改变系统流量对此板槽道内部的阻力特性进行分析研究。同时研究流量在 1 5 l h 7 1 4 l h 范围内，平行流辐射板中通入1 7 2 5 的冷水时，此板供冷工作状 况。并结合进口水温变化和模型空间内的温度分布，研究此板的热性能。 结合阻力特性以及模型空间的热物性，取平行流辐射板为研究对象，分析 其节能性即能效。 将平行流辐射板与毛细管网辐射板的热性能、阻力特性、能耗等相关性质 进行对比分析。 重庆大学硕士学位论文 1 0 2 单级蒸发式毛细吸液芯辐射空调系统的实验研究 2 单级蒸发式毛细吸液芯辐射空调系统的实验研究 本章首先介绍了辐射供冷原理，以及实验测量方法与测量途径。紧接着通过 实验研究以毛细吸液芯辐射板为蒸发器、戊烷为制冷剂的单级蒸发式毛细吸液芯 辐射空调系统。对系统的c o p 、热力完善度进行了系统性理论研究；并且通过实 验研究了蒸发温度和模型空间温度对系统供冷量的影响以及模型空间内温度分 布。同时，实验过程中还建立了一种新多孔介质内两相流动模型，对毛细吸液芯 辐射板内毛细通道的阻力特性进行分析。 2 1 辐射空调供冷的理论依据 在辐射供冷中，存在辐射和对流两种形式的热量交换。由于辐射空间内各板 面温度不相等，因而各个辐射面都在进行辐射换热，热量从高温物体表面传递到 低温物体表面；由于辐射空间内各处的温度差异，整个辐射空间内空气处于扰动 状态，且温差越大扰动越大。对于辐射空调而言，在供冷板面处，空气的扰动较 为强烈。因而辐射空调换热量是对流换热与辐射换热两部分z 和 3 6 ，即： q = q l + q 2 ( 2 1 ) 式中，q l 为辐射换热量，w ；q 2 为对流换热量，w 。 辐射换热量q 1 ： q l = 盯4 c ( 巧一f ) ，= 等 ( 2 2 ) 厶。1 式中，一为辐射换热系数，无量纲；乃为辐射板表面温度，k ；l 为空间非冷 却表面的平均温度，k 对流换热量q 2 ： q = h a ( v p 一0 ) ( 2 3 ) 式中，乃为空间内流动空气温度，k 。 由于实验模型空间中采用的是顶板供冷，并通过底板加热来提供热负荷，上 下两板温差较大，冷空气下沉、热空气上升，因而此两板之间存在一定的自然对 流换热，由于没有其它扰动源，自然对流的强度仅与板面之间空气密度差有关。 辐射换热量受板面温度与空间非冷却表面温度差的影响，温差越大，辐射换热量 越大。在通常的分析中，辐射热占总热量的比例超过6 0 ，因此，本课题中是以 辐射换热为主、自然对流换热为辅将空间内的热负荷带走，从而创造出良好的室 内舒适环境。 重庆大学硕士学位论文 2 2 实验测量方法与途径 2 2 1 实验测量方法 实验过程中涉及的参数有：温度、流量、压力、供冷量、加热量。其中加热 量、供冷量为间接计算参数。 实验过程中所需设备有：长方体箱体、流量计、水银温度计、电压表、电流 表、压力表、u 型压力计、数据采集仪、热电偶、恒温水浴、量筒、水泵、秒表。 表2 1 实验设备及其规格 ! 垒! ：呈：! ：! 旦里! 生垡里虫皇堕坐曼璺! 呈g 旦虫翌曼坐塑璺! 巳! 鱼i ! ! 里堂i 旦翌 实验设备规格 长方体箱体 流量计 水银温度计 电流表 压力表 u 型压力计 数据采集采集仪 热电偶 恒温水浴 量筒 长宽高- 2 0 0 0 5 0 0 6 0 0 ( m m ) 镀锌铁皮外层绝热保温 w t l l 转子流量计量程0 3 5 l m 量程0 5 5 误差士o 1 量程0 - 2 5 a1 6 级 量程0 2 5 0 v1 6 级 量程0 3 m , - o