（环境工程专业论文）夏季空调房间间断运行室内温度特性及节能潜力的理论与实验研究.pdf

摘要 随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，空调器作为一种能够改善人们生 活和工作环境的设备已逐渐成为人们日常生活中的必需品。由于我国城市居民家庭的空 调器整体拥有率逐年上升，这就直接导致了空调耗能量逐年增大，所以空调的节能问题 已经成为重点研究问题之一。 本课题采用k s 双方程模型和壁面函数法相结合建立了房间温度场数值计算的三 维湍流数学模型。利用所建立的模型，应用f l u e n t 软件对空调房间内空调器间断运行进 行了模拟计算，并结合空调房间内部能量变化的理论分析，得到了空调房间内部围护结 构及室内空气温度在空调器开、关机过程中的变化规律。结果表明：空调器开机后，室 内空气温度下降最快，室内空气温度在空调器开机1 0 分钟后下降了7 左右，1 5 分钟 后室内空气温度稳定在了2 5 ( 2 左右。而空调房间围护结构内表面温度的变化与室内空气 温度变化相比比较平缓，房间围护结构内表面温度在开机2 7 分钟后基本达到稳定。空 调器关机后，室内空气温度迅速上升，在1 5 分钟内温度上升约7 左右，而围护结构内 表面温度的上升没有室内空气温度上升显著。在空调器关机过程中，室内空气温度的变 化比围护结构内表面温度的变化显著，主要是由于围护结构的热容量大于空气的热容量 的原因。 空调器的节能运行控制是以满足人体热舒适性为前提的。用预期评价指标p m v 作 为热舒适性的评价标准，根据满足人体热舒适性要求的p m v 值就可以找到冬、夏季空 调房间空调设备间断运行最佳的开、停机时间组合方式。研究表明，夏季最佳启停机的 组合方式是开机1 8 分钟，停机8 分钟。冬季最佳启停机的组合方式是开机1 6 分钟，停 机1 0 分钟。按以上方案启停空调设备，夏季可以节能1 1 ，冬季可以节能1 9 。 关键词：空调，节能，间断运行，热舒适性，数值模拟 a b s t r a c t a l o n gw i t ho u rc o u n t r ye c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dt h eu n c e a s i n g l ye n h a n c e m e no f l i v e so ft h ep e o p l e l e v e l ，t h ea i r - c o n d i t i o n e rt h a tt o o ko n ek i n de q u i p m e n tw h o s ec a ni m p r o v e t h et h ew o r k i n ga n dl i v i n gc o n d i t i o n sh a sg r a d u a l l yb e c o m et h ee s s e n t i a li t e m i nt h ep e o p l e d a i l y l i f e b e c a u s ea i r - c o n d i t i o n e rw h o l eo w n e r r a t eo fo u rc o u n t r yc i t yp e o p l ef a m i l yr i s e s y e a rb yy e a r , t h i sc a u s e dd i r e c t l yt h a tt h ee n e r g yo fa i rc o n d i t i o n i n gc o n s u m i n gi n c r e a s ey e a r b yy e a r , t h ea i rc o n d i t i o n i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o nq u e s t i o na l r e a d y b e c a m eo n eo fk e yr e s e a r c h q u e s t i o n s t h i st o p i cu s e dk - - et h ed o u b l ee q u a t i o nm o d e la n dt h ew a l ls u r f a c e f u n c t i o nl a w u n i f i e s ，e s t a b l i s h e dt h er o o mt e m p e r a t u r ef i e l dn u m e r i c a lc o m p u t a t i a lt h r e ed i m e n s i o n a l r a p i d sm a t h e m a t i c a lm o d e l u s i n gt h ee s t a b l i s h i n gm o d e l ，u s i n gf l u e n ts o f t w a r ec a r r i e do n t h ea n a l o g c o m p u t a t i o nf o rt h ea i r - c o n d i t i o n e ri n t e r r u p t e dm o v e m e n ti nt h ea i rc o n d i t i o n i n g r o o m ，a n du n i o na i rc o n d i t i o n e dr o o mi n t e r i o re n e r g yc h a n g et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，o b t a i n e d c h a n g er u l eo fs u r r o u n d i n g p r o t e c t i o ns t r u c t u r ea n dt h er o o mt h ea i rt e m p e r a t u r ei nt h ea i r c o n d i t i o n e dr o o mi n t e r i o rd u r i n go p e n i n ga n dc l o s i n gt h ea i rc o n t i o n i n g t h er e s u l ti n d i c a t e d t h a t ，a f t e ra i r - c o n d i t i o n e ri so p e n e d ，i nt h er o o mt h ea i rt e m p e r a t u r ed r o p sq u i c k l y , i nt h e r o o mt h ea i rt e m p e r a t u r ed r o p p e da b o u t7 ca f t e rt h ea i r - c o n d i t i o n e ri so p e n e d10m i n u t e s ， a f t e r15m i n u t e si nr o o m st h ea i rt e m p e r a t u r es t a b i l i z e di na b o u t2 5 b u tc o m p a r e dw i t ht h e a i rt e m p e r a t u r ec h a n g ei nt h er o o m ，i nt h ea i rc o n d i t i o n e dr o o ms u r r o u n d i n gp r o t e c t i o n s t r u c t u r es u r f a c et e m p e r a t u r ec h a n g eq u i t eg e n t l y ，t h er o o ms u r r o u n d i n gp r o t e c t i o n s t r u c t u r e s u r f a c et e m p e r a t u r eb a s i c a l l yi ss t a b l ea f t e rt h eo p e n i n gt h ea i rc o n d i t i o n i n gf o r2 7 m i n u t e s a f t e ra i rc o n d i t i o n e ri sc l o s e d ，i nr o o ma i rt e m p e r a t u r er i s er a p i d l y ，i n15 m i n u t e si n t e m p e r a t u r er i s ea p p r o x i m a t e l ya b o u t7 ，b u tt h es u r r o u n d i n gp r o t e c t i o ns t r u c t u r ei n t e r n a l s u r f a c et e m p e r a t u r er i s ei sn o tr e m a r k a b l e ，c o m p a r e dw i t ht h ea i rt e m p e r a t u r ei nt h er o o m i n t h ea i r - c o n d i t i o n e rc l o s i n gm a c h i n ep r o c e s s ，i nt h er o o mt h ea i rt e m p e r a t u r ec h a n g ei sm o r e r e m a r k a b l et h a nt h es u r r o u n d i n gp r o t e c t i o n s t r u c t u r ei n t e r n a ls u r f a c et e m p e r a t u r ec h a n g e ， r e a s o nm a i n l yi st h a tt h es u r r o u n d i n gp r o t e c t i o ns t r u c t u r ec a l o r i f i cc a p a c i t yi sb i g g e rt h a n i i t h e a i rt h ec a l o r i f i cc a p a c i t y t h ea i r - c o n d i t i o n e re n e r g yc o n s e r v a t i o no p e r a t i n gc o n t r o li st a k es a t i s f i e st h ep e r s o n v o l u m e t r i ch e a tc o m f o r t a b l e n e s sa st h ep r e m i s e t a k e st h eh o tc o m f o r t a b l ee v a l u a t i o nc r i t e r i a w i t h a n t i c i p a t e da p p r a i s a lp m v , a c c o r d i n gt os a t i s f i e st h ep e r s o nv o l u m e t r i ch e a t c o m f o r t a b l e n e s sr e q u e s tt h ep m vv a l u e ，f i n dt h eb e s ti n t e r r u p t e dm o v e m e n tt w a yo fh e w i n t e r , t h es u m m e ra i rc o n d i t i o n i n ge q u i p m e n t t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t ，i ns u m m e rt h e b e s tt h ec o m b i n a t i o nw a yi st h eo p e n i n gt h ea i rc o n t i o n i n g18m i n u t e s ，t h ea i rc o n t i o n i n go f f 8 m i n u t e s i nw i n t e rt h eb e s tt h ec o m b i n a t i o nw a yi so p e n i n gt h ea i rc o n t i o n i n g16m i n u t e s ， t h ea i r c o n t i o n i n go f f 10 m i n u t e s a c c o r d i n g t ot h ea b o v ep l a nt oc o n t r o lt h e a i r c o n d i t i o n i n g e q u i p m e n t ，i ns u m m e re n e r g ym a yb ec o n s e r v e d11 ，i nw i n t e re n e r g ym a yb e c o n s e r v e d19 k e y w o r d ：t h ea i rc o n d i t i o n i n g ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，i n t e r r u p t e dm o v e m e n t ，h o t c o m f o r t a b l e n e s s ；n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 韩哺孙7 年石月多日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 韩；旖 铷龇篷冬 如7 年石月日 7 年月f 日 长安人学硕十学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着我国经济的发展，人民生活水平不断提高，建筑能耗在总能耗中所占比例越来 越大，建筑节能己成为我国节能工作的重要环节。建筑节能途径主要可以分为措施节能 和使用高性能设备节能。措施节能包括采用保温节能材料、加强对建筑设备节能运行的 管理等。目前符合节能建筑标准的建筑面积占总的建筑面积的比例很小，只有约1 【1 2 3 1 ，所以降低非节能建筑的建筑能耗，增加节能建筑所占比例已成为建筑节能的重点。 对于已建成的非节能型建筑物，由于其围护结构、门窗形式、窗墙比、建筑形体系数等 都己确定，所以其节能方法主要应从加强对冷热源设备节能运行控制的研究入手。 随着人们对生活环境舒适度的要求越来越高，空调器已经成为人们日常生活中不可 缺少的常用设备，空调设备已成为创造室内舒适环境、保证生产工艺、提高工作效率和 发展生产力的重要保证。目前我国城市居民家庭的空调整体拥有率己达到4 6 5 ，与2 0 0 0 年相比增长了1 2 个百分点，表明这两年我国城市空调消费市场已进入快速增长阶段【4 1 。 空调产业的发展是以促进人们居住的舒适性、健康性，及对能源的有效利用，保护 地球环境等基于可持续发展的观点为原则而取得进展的，其发展背景特别体现在能源和 环境方面。 当前，能源问题已经成为世界各国最为棘手的问题。2 0 0 0 年我国消耗能源1 3 o 亿 吨标准煤，约为世界能源消耗量1 2 4 3 亿吨标准煤的l o 5 ，而我国产生的国民生产总值 1 0 8 万亿美元，仅占世界总值3 1 8 万亿美元的3 4 。这说明我国单位能源消耗所创产值 仅占世界平均水平的三分之一【5 】。另据统计，目前我国家用空调器的年耗电量为4 0 0 亿 k w h 以上【6 】，随着空调的进一步普及，这个数字还将进一步增加。近年来，在我国许多 城市的夏季用电高峰时期，都出现了由于用电紧张，供电部门被迫实施强制性错峰用电 的现象，既影响了居民的正常生活，又不利于企业的生产经营。粗略计算，如果将空调 设备的平均效率提高1 0 9 6 ，每年就可以节省3 7 g w 的发电量，为国家节约1 6 0 亿人民币 的损失，因此提高空调设备电能利用率是一项量大面广的节能技术。 从环境保护的角度出发，为了防止温室效应对人类的危害，要求控制化石燃料燃烧 排放出的c 0 2 量，因为c 0 2 它对于地球温暖化的影响占1 2 以上。为此对化石燃料不仅 是关心其“枯竭的问题，同时要重视c 0 2 排放问题，通过提高一次能源利用效率，少 第一章绪论 用化石燃料以减少c 0 2 排放量是理所应当的。1 9 9 7 年1 2 月，联合国气候变化框架公约 缔约方第三次会议在京都召开，确定了发达国家温室气体的减排目标。日本早已提出， 在工程建设中应以寿命周期c 0 2 排放量( l c c 0 2 ) 评估其对环境的影响，在家庭中推 行可以计算住户c 0 2 排放量的“环境家计薄”，这显然是环境意识的进步。空调器的低 效率用电是增加大气温室效应的间接因素，因此，随着环境保护运动的蓬勃发展，必须 进一步提高房间空调器的能量利用效率。 节能是标志空调器质量好坏的重要指标，各主要空调器生产大国都制定了节能法 规，迫使空调器的能效比不断提高。日本在房间空调器的节能方面已走在了世界前列【7 】， 1 9 9 9 年4 月1 日生效的新节能法规在旧法规的基础上作了较大提高。旧法规规定制冷量 小于4 o k w 的空调器，季节能效比s e e r 应达到2 9 7 ：而新法规作了更详细的规定：制 冷量小于2 5 k w 的分体壁挂式空调器的s e e r 应达到5 2 7 以上：2 5 k w 3 2k w 的分体 壁挂式空调器的s e e r 应达到4 9 0 以上；3 2k w - 4 0k w 的分体壁挂式空调器的s e e r 应 达到3 6 5 以上。从2 0 0 0 年起，日本推出的节能类空调器，s e e r 值均达到了5 0 以上。 美国到2 0 0 6 年实施的新能源标签，规定了分体式空调器的s e e r 应达到3 5 2 以上，分体 式热泵型空调器的s e e r 应达到3 8 1 以上，空调能效比低于2 8 的就不准在市场销售。 这说明国际上各国政府都非常重视能源的有效利用问题，有必要深入地研究空调器及设 备的节能技术。 我国已加入w t o ，这给房间空调器的制造业带来了巨大的生机，同时也给我们带 来了新的挑战。国内市场国际化，国际市场一体化，空调器市场竞争进入白热化，而节 能和环保已成为市场竞争的焦点，同时也是空调器行业发展永恒的主题和热剧引。国内 外对空调器节能要求越来越高，欧美等国家更是利用其近乎苛刻的能耗标准作为绿色技 术堡垒来限制广大发展中国家产品对其出口贸易。目前我国的房间空调器产量已跃居世 界第一位，但性能和质量与国外先进的产品相比仍有差距。为了引领空调市场，必须不 断创新、开发新型节能与环保空调器。因此，对目前空调器节能的分析研究，尤其是空 调器运行节能的分析研究，有着十分现实而重大的意义。 计算机仿真( 也叫计算机模拟) 是用计算机建立无限接近实际的数学模型，并求解 数学模型以反映实际制冷机组的工作过程和性能的一种方法。这种研究方法主要是借用 计算机强大的计算能力来解析相关的数学方程来获得结果的。这种研究方法与实验研究 相比，具有省时省力的特点。房间空调器的开关机过程是一个复杂的动态过程，用实验 研究不仅耗工耗时，而且其中的一些参数也不可能得到逐时逐刻的值。利用计算机仿真 2 长安人学硕。 = 学位论文 技术建立房间空调器开关机工作过程的数学模型，对空调开关机过程进行连续地仿真， 得到空调房间内的相关参数，这对了解空调器开关机的实际工作过程和节能的情况很具 现实意义。 1 2 研究现状综述 q i n g y a nc h e n 在1 9 8 8 年利用c f d 技术对建筑物能耗分析、室内空气流动以及室内 空气品质等问题进行了分析和研究【9 1 。 1 9 8 6 年美国国家标准协会对世界范围内用c f d 模拟室内空气流动的发展情况进行 了总结，并成立了专门的研究机构，致力于室内空气流动的研究。美国供暖、冷藏与空 气调节工程师协会( a s h r a e ) 于1 9 8 9 年成立了研究用c f d 方法预测室内空气流动的研 究机构，它组织和完成了a s h r a e 的第4 6 4 号( i 冲4 6 4 ) 研究课题“室内空气流动的数 值计算”。这项课题比较完整地研究了用c f d 方法模拟室内空气流动的许多相关问题， 其研究成果发表在1 9 9 4 年的a s h r a e 杂志上【1 0 】。 诺丁汉大学的g u o h u i g a n 在1 9 9 5 年利用c f d 技术对机械通风房间的室内环境和总 的空气分布系统的通风效率进行了预测，结果发现在供热和制冷两种情况下的最有效的 空气分布方式是不同的；从室内空气质量( i a q ) 和能耗方面考虑，向上置换通风产生 的空气分布方式较好，但从热舒适方面讲要差一些【l l 】。 q i n g y a nc h e n 在1 9 9 6 年提出了一种零方程模型来计算各种通风房间内的速度、温 度和污染物浓度的分布。该模型假设湍流粘性系数是长度和当地平均速度的函数。提出 这种模型是因为标准k 一占模型对计算机内存要求较高，并且计算时间较长，而这种零 方程模型占用计算机内存较少，计算速度比标准k 一占模型至少快了十倍，并且计算结 果与用标准k 一占模型算出来的结果基本吻合【1 2 】。2 0 0 0 年他又进一步提出在通风房间中 可以采用双层湍流模型，即在y 。 莎 ”“ ，q d 慧嚣蜀i 图3 1 27 月1 5 日开机1 5 分钟后室内温度分布 c h a r t 3 1 20 1 1 j u l y l 5a f t e r o p e n i n g m a c h 血e 1 5 m i u u t e s i n d o o r t e m p e r a t u r e sd b t r m u 曲n s 第1 章值模拟k 其蜡罢 鋈醺苌 匿匿琴 图3 1 37 月1 5 日关机4 分钟后室内温度分布 c h a r t 3 1 3 0 n 如坤1 5a f t e r c l o s i n g m a c h i n e 4 m i n u t e s i n d o o r t e m p e r a t u r e sd b t r i b u f i o n s c h a r t3 - 1 4o nj u l y l 5a f t e r c l o s i n g m a c h i n e 8 m i n u t e s i n d o o r t e m p e r a t u r e s d i s t r i b u t i o n s 长安上学硕士学位论主 图3 1 57 月1 5 日关机1 5 分钟后室内温度分布 c h a r t 3 1 5 0 n j n 坤1 5 a f t e rc l o s i n g m a c h i n e l 5 m i n u t e s i n d o o r t e m p e r a t u r e s d t s t r l b u f l o m 34 3 空调室内空气温度随时间的变化规律 空调房间内空气温度变化规律是房间在各种外扰、内扰及建筑围护结构的热工特性 等因素综合作用下的必然结果。外扰主要包括室外气候参数如室外空气温度、太阳辐射 强度、风速及邻室温度；内扰则主要是室内设备、照明、人员和通风等热湿源和空调冷 热源等。在通常情况下，房问内的空气温度变化受房间空调制冷量( 或供热量) 、围护 结构传热、通过玻璃直接进入的太阳辐射、通风与空气渗透得热、室内人员散热、设备 散热、照明散热等因素影响。 对房间的热力学模型公式( 31 ) 进行详细分析，可以将模拟结果用m a t l a b 软件拟 合成如下形式： t = f 。一k t o k 一。7 ( 3 1 5 ) 式31 5 反映了房问在内扰、外扰、围护结构热工特性及空调制冷量( 或供热量) 等 因素的综合作用下，空调房间内空气温度随时间变化的规律。从式31 5 中可以发现，当 t m ( 或r 是足够大时) ，f = t 。其中把f 。称为空调房间稳态时的特征温度。空调房问 第三章数值模拟及其结果 的b 值越大，初始时刻的温度变化速度越大，且随时间的衰变速度越大，空调房间温度 趋于稳定的时间越短，因此b 被定义为空调房间的温变指数【3 9 1 。它反映了空调房间内空 气温度随时间变化的快慢程度。方程3 1 5 中的b 和t 。可以用m a t l a b 由模拟结果拟合求 得。从而可以得到空调室内空气温度随时间的变化规律： 7 月1 5 日开机t = 2 5 2 + 7 1 e - 0 2 0 0 9 丁 ( 3 1 6 ) 7 月1 5 日关机t = 3 2 7 e - 0 2 2 2 6 r ( 3 1 7 ) 7 月1 6 日开机 f ：2 5 8 + 7 2 8 - 0 2 3 7 1 t 7 月1 6 日关机t ：3 2 9 7 1 p - 0 2 0 1 2 r 3 5 房间空调器开、关机过程实验 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 2 0 0 6 年7 月1 5 日7 月1 6 日在长安大学某一空调办公室进行了空调器开机和关机 过程中空调房间各围护结构内表面温度和室内空气温度的检测实验。 ( 1 ) 开机后空调房间围护结构内表面和室内空气平均温度的变化规律 图3 1 6 图3 1 9 分别给出了7 月1 5 日7 月1 6 日房间空调器开机后空调房间围护 结构内表面和室内空气温度的变化规律。 7 月1 5 日开机 p 瑙 赠 口 o51 01 52 02 53 03 54 0 时间( m i n ) 图3 1 6 开机后围护结构内表面温度随时间的变化曲线( 7 月1 5 日) c h a r t3 1 6a f t e ro p e n i n gm a c h i n es u r r o u n d i n gp r o t e c t i o ns t r u c t u r e i n t e r n a l 长安人学硕十学位论文 3 3 3 2 3 l 3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 s u r f a c et e m p e r a t u r ec h a n g ec u r v e ( o nj u l y1 5 ) o1 02 03 0 4 0 时间( m i n ) 图3 1 7 开机后室内空气温度随时间的变化曲线( 7 月1 5 日) c h a r t3 1 7a f t e ro p e n i n gm a c h i n ei n d o o ra i rt e m p e r a t u r ec h a n g ec u r v e ( o nj u l y1 5 ) 7 月1 6 日开机 3 3 3 2 5 3 2 p 嚣3 1 5 3 1 3 0 5 3 0 051 01 52 02 53 03 54 0 4 5 时间( m i n ) 区螬砸巨巫匦酋墙殛玉亟画基圃 图3 1 8 开机后围护结构内表面温度随时间的变化曲线( 7 月1 6 日) c h a r t3 1 8a f t e ro p e n i n gm a c h i n es u r r o u n d i n gp r o t e c t i o ns t r u c t u r e i n t e r n a l s u r f a c et e m p e r a t u r ec h a n g ec u r v e ( o nj u l y16 ) 4 7 广乞 第三章数值模拟及其结果 3 4 3 3 3 2 3 1 3 0 p2 9 巡2 8 赠2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 01 02 03 04 05 0 时间( m i n ) 图3 1 9 开机后室内空气温度随时间的变化曲线( 7 月1 6 日) c h a r t3 1 9a f t e ro p e n i n gm a c h i n ei n d o o ra i rt e m p e r a t u r ec h a n g ec u r v e ( o nj u l y1 6 ) 从图3 1 7 、图3 1 9 可以看出，空调房间内空气温度在空调器开机后下降最快。图 3 1 7 、3 1 9 表明室内空气温度在空调器开机1 0 分钟后下降了7 左右，1 5 分钟后室内空 气温度稳定在2 5 左右。图3 1 9 室内空气温度变化趋势与图3 1 7 中室内空气温度变化 趋势基本相同。 图3 1 6 、图3 1 8 表明房间围护结构内表面的温度变化与室内空气温度变化相比比较 平缓。空调器开机后围护结构内表面温度开始缓慢地下降，并且在开机2 7 分钟后基本 达到了稳定状态。北墙和南墙内表面温度最终稳定在3 0 1 左右，而东墙和西墙内表面 温度最终稳定在3 0 3 左右。北墙、南墙和东墙、西墙最终稳定温度不同，这是因为北 墙、南墙是内墙，都与空调房间相邻，而东、西墙是外墙与室外空气相邻，它们受室外 空气影响的程度不同，所以导致了它们最终稳定时的温度不同。在测量的过程中地面温 度变化很小，只是有微小下降。 ( 2 ) 关机后空调房间围护结构内表面和室内空气平均温度的变化规律 图3 2 0 图3 2 3 分别给出了7 月1 5 日7 月1 6 日房间空调器关机后空调房间围护 结构内表面和室内空气温度的变化规律。 7 月1 5 日关机 长安大学硕：i 二学位论文 3 2 3 1 5 3 1 p 型3 0 5 赠 3 0 2 9 5 2 9 05l o1 52 02 53 03 54 0 时间( m i n ) 图3 2 0 关机后围护结构内表面温度随时间的变化曲线( 7 月1 5 日) c h a r t3 2 0a f t e rc l o s i n gm a c h i n e s u r r o u n d i n gp r o t e c t i o ns t r u c t u r e i n t e r n a l s u r f a c et e m p e r a t u r ec h a n g ec u r v e ( o nj u l y1 5 ) 051 52 02 53 03 54 0 时间( m i n ) 图3 2 l 关机后室内空气温度随时间的变化曲线( 7 月1 5 日) c h a r t3 2 1a f t e rc l o s i n gm a c h i n ei n d o o ra i rt e m p e r a t u r ec h a n g ec u r v e ( o nj u l y1 5 ) 4 9 鹪弛叭凹嬲卯撕拍孔船毖 p 世赠 第三章数值模拟及其结果 7 月1 6 日关机 3 3 3 2 5 3 2 基3 1 5 赠 3 l 3 0 5 3 0 o1 02 03 0 4 0 5 0 时间( m i n ) 图3 2 2 关机后围护结构内表面温度随时间的变化曲线( 7 月1 6 日) c h a r t3 2 2a f t e rc l o s i n gm a c h i n es u r r o u n d i n gp r o t e c t i o ns t r u c t u r e i n t e r n a l s u r f a c et e m p e r a t u r ec h a n g ec u r v e ( o nj u l y1 6 ) 02 03 0 4 0 5 0 时间( m i n ) 图3 2 3 关机后室内空气温度随时间的变化曲线( 7 月1 6 日) c h a r t3 2 3a f t e rc l o s i n gm a c h i n ei n d o o ra i rt e m p e r a t u r ec h a n g ec u r v e ( o nj u l y1 6 ) 由图3 2 0 图3 2 3 实验数据可以发现，关机后室内空气温度上升迅速，在1 5 分钟 内温度升幅基本都达到了7 左右，而围护结构内表面的温度上升没有室内空气温度上 升显著。这是由于围护结构的热容量大于空气的热容量。达最终稳定时，室内空气温度 弘鹪弛叭四嬲卯拍弱孔嬲毖 p 越赠 长安大学硕l 学位论文 值最高。同样，在关机的过程中地面温度变化仍然很小，只有微小的上升。 从空调器开机、关机实验过程中，室内空气温度以及围护结构内表面温度变化曲线 可以发现，室内环境温度的变化遵循着一定的变化规律，并且不同时间的开关机温度变 化规律在总体趋势上具有较好的重复性。 3 6 模拟计算与实验结果的比较 图3 2 4 图3 2 7 表示实验测试结果与理论建模预测的空调室内空气温度随时间变 化规律的比较。 ( 1 ) 7 月1 5 日开、关机实验测试结果与理论建模预测结果的比较 3 3 0 3 2 o 3 1 - o 3 0 0 2 9 o 卜。 2 7 0 2 6 o 2 5 0 2 4 o 2 3 0 o51 01 52 02 53 03 5 时间m i n 图3 2 47 月1 5 日空调开机室内空气温度变化规律理论与实验比较 c h a r t3 2 4o nj u l y1 5a f t e ro p e n i n gm a c h i n ei n d o o ra i r t e m p e r a t u r et h e a r yr u l ea n dt h ee x p e r i m e n tc o m p a r e s 第三章数值模拟及其结果 3 3 3 2 3 l 3 0 2 9 p 蜊2 8 赠 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 o51 01 52 02 53 03 54 0 时间m i n 图3 2 57 月1 5 日空调关机室内空气温度变化规律理论与实验比较 c h a r t3 2 5o nj u l y1 5a f t e rc l o s i n gm a c h i n ei n d o o ra i r t e m p e r a t u r et h e a r yr u l ea n dt h ee x p e r i m e n tc o m p a r e s ( 2 ) 7 月1 6 日开、关机实验测试结果与理论建模预测结果的比较 o1 02 03 04 05 0 时间m i n 图3 2 67 月1 6 日空调开机室内空气温度变化规律理论与实验比较 c h a r t3 2 6o n j u l y1 6a f t e ro p e n i n gm a c h i n e i n d o o ra i r t e m p e r a t u r et h e a r yr u l ea n dt h ee x p e r i m e n tc o m p a r e s 5 2 o 0 0 0 0 0 0 o o o o 0 4 3 2 1 o 9 8 7 6 5 4 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 p 籍 长安大学硕二f 二学位论文 3 4 3 3 3 2 3 l 3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 01 02 03 04 05 0 时间m i l l 图3 2 77 月1 6 日空调关机室内空气温度变化规律理论与实验比较 c h a r t3 2 7o nj u i y1 6a f t e rc l o s i n gm a c h i n ei n d o o ra i r t e m p e r a t u r et h e a r yr u l ea n dt h ee x p e r i m e n tc o m p a r e s 图3 2 4 和图3 2 6 给出了7 月1 5 日和7 月1 6 日空调开机时空调房间内空气温度的 理论预测曲线和实验数据的比较。图3 2 5 和图3 2 7 给出了7 月1 5 日和7 月1 6 日空调 关机时，空调房间内空气温度的实验数据和理论预测曲线的比较。通过实验数据和理论 曲线的比较可以看出，理论曲线和实验数据吻合相当好，而且空调房间内空气温度的理 论预测曲线和实验曲线的误差都在5 以内，所以可以认为所建立的空调房间动态数学 仿真模型是正确的，能够来模拟空调开、关机过程中空调房间内空气温度及围护结构温 度的变化情况。 从空调室内温度的理论预测曲线和实验曲线可以看出房间温度随空调器开、关机之 后时间的变化过程可以分为以下两个阶段： 第一个阶段，空调器开、关机之初。空调室内温度随空调器开、关机之后时间的延 伸，近似直线上升或下降。在这个阶段中房间空调器提供的冷量或热量的绝大部分是用 来冷却或加热室内空气到设定温度的。在不考虑室内人员散热和房间中有内热源的情况 下，房间内部和室外环境的能量交换与房间空调器提供给房间的冷量或热量相比很小， 所以，认为可以忽略房间内部与室外环境的能量交换，并且认为房间壁面温度是恒定的。 在固定的送风温度下，随着风量的加大，房间温度随时问的延伸而升高或降低的曲线就 第三章数值模拟及其结果 越陡峭，达到要求的室内设定温度值的时间就越短，即空调房间的温变指数曰也就越大。 第二阶段，空调室内温度达到设定值之后。随着空调器开、关机之后时间的延伸， 空调室内温度变化逐渐趋于平缓，并趋近于某固定值。在这个阶段中，房间空调器提供 的冷量或热量的主要作用已经逐渐转化为开始承担空调房间的冷( 热) 湿负荷，室内温 度随时间变化已经不像开始时那么剧烈，而是缓慢地向设定温度值逼近。在这一阶段中， 房间内部与室外环境的能量交换是空调器负担的主要部分。 3 7 本章小结 ( 1 ) 对本论文中模拟的对象进行了简述，在此基础上对模拟对象房间内能量的变 化进行了分析，利用数学关系式得到了房间的热力学模型，并对空调房间的围护结构及 房间内部散热量的计算进行说明。 ( 2 ) 通过太阳辐射强度动态的计算，获得了空调房间围护结构室外综合温度随时 间变化的关系曲线。 ( 3 ) 对空调器开、关机运行模式进行数值模拟及理论分析，得到空调房间内空气 温度随时间的变化规律。 ( 4 ) 对空调房间进行了空调器开、关机运行模式的实验测试，并对实验测试数据 进行了分析研究，获得了空调房间内空气温度以及围护结构内表面温度随时间变化曲 线。 ( 5 ) 对模拟计算结果与实验结果进行比较，可以看出房间内空气温度的变化曲线 与实验结果误差都在5 以内，证明了空调房间动态数学仿真模型的正确性，为今后进 一步研究室内空调间断性运行动态特性奠定了基础。 长安大学硕士学位论文 第四章夏季空调房间间断运行节能潜力的研究 空调器的间断性节能运行，是以不影响人体的热舒适为前提的。影响人体冷热感觉 的各种因素所构成的环境称为热环境。研究热环境的目的就是为居住者提供舒适的室内 生活与工作环境，并且达到节能的目的。 4 1 热舒适及p m v 指标简介 4 1 1 热舒适简介 美国a s h r a e 提出的热舒适性定义是：对热环境具有一种满足的心理状态。由此 可以看出，热舒适感是人体对周围各种影响因素综合考虑后的一种主观判断。通常人们 都认为，只要空气温度合适，人体就会觉得舒适。但实际上，人体要感觉舒适，表示的 是一种意识行为或心理活动的状态，而这种状态是由许多因素综合作用的结果，除空气 温度外，还包括湿度、风速、周围环境的平均辐射温度、生理因素与心理因素等。因此， 要创造一个人体感到舒适的热环境，需要包括空调技术、气象学、心理学、生理学、卫 生学及医学等在内的各方面专家的共同研究。在暖通空调技术中，主要是研究各环境因 素变量对人体舒适感的影响，通过技术手段调节室内的微热气候，从而创造出使人感到 满意的热舒适环境。 4 1 1 1 人体与周围环境进行热交换的影响因素 人通过食物摄取的能量最终会变成热量，并将这些热量排出体外，以保持一定的体 温。人体内的热量通常靠对流、辐射及蒸发三种方式向外界传递。当气温较低时，周围 空气与皮肤之间的温差变大，从而导致对流换热的增加。除皮肤表面之外，通过呼吸道 也会发生对流换热。当周围物体表面温度比较低时，人体会向周围物体表面进行辐射换 热，也称之为冷辐射；相反，当周围物体表面温度比较高时，人体接受热辐射。对于与 人体相接触的物体，则通过导热的方式来传递体内的热量，由于各接触物体的导热系数、 蓄热系数等热工特性参数不同，即使其表面温度相同，人体散失的热量也会不同。 人体中的水分一般是通过皮肤和粘膜来蒸发的，通常称之为无感水分。常温静止状 态时，无感水分蒸发的热量约占人体总热量的2 0 - - 2 5 左右。当环境温度升高时，通 过对流与辐射进行散热的方式受到阻碍，这时身体开始出汗，自身的体温调节功能启动。 随着环境温度的进一步升高，出汗更加明显，以保证正常的体温。当空气流速增大时， 有利于对流和蒸发散热。衣服位于人体表面和环境之间，在寒冷季节起防寒保暖的作用， 第四章夏季空调房间问断运行节能潜力的