（环境工程专业论文）山水自然冷源空调系统的应用研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 自然冷源空调系统充分利用自然资源与常规空调相比具有节能、环保的特点。分析 山水自然冷源空调系统的特点、设计过程、运行效果及经济和环境效益，对推广应用该 系统、节约能源和环境保护具有重要的意义。 + 为了充分的节约能源，本文结合工程实际及建筑特点，选择分层空调的系统型式， 介绍了分层空调的负荷计算方法并详细计算了夏季空调的冷负荷，同时将该方法计算的 冷负荷与常规空调计算的冷负荷相比，结果前者相对后者要节能达4 0 之多。 针对山水直接作为空调冷源冷水温度偏高的特点，设备选择不能按照常规空调的设 计来选，必须要对表冷器进行详细的计算选型以指导空调设备的选择。除了常见的表冷 器计算方法外，本文详细介绍了等热交换效率接触系数干工况法。由于该方法主要针对 风机盘管来做计算的，因此本文在此基础上提出了对该方法的改进措施，以使其能够应 用于计算非标况下空气处理机组的制冷量。利用该方法，计算了本工程冷水温度为1 9 时机组的制冷量，得到机组在此温度时新风工况的制冷量占标况下制冷量的比例为 4 6 。7 5 ，从而确定了机组的型号和台数。 此外，通过该方法，本文又对冷水温度为8 “1 9 时机组制冷量分别进行计算，得 到其占标况下制冷量的百分比，从而为实际工程的设备选型提供了参考依据。 通过c f d 软件对建筑进行数值模拟计算，分析室内温度场及速度场，结果表明室内 人员活动区温度及风速适宜，满足人体舒适性需求，说明空调的运行效果良好。可见， 山水作为空调冷源是可行的。 分别从经济性、能耗及环境效益方面对自然冷源空调系统与常规空调系统进行比较， 结果可知自然冷源空调不管在主要设备投资上还是在年运行管理费用上均是耗资最少的， 同时在节能和环保方面也是效果最显著的。 关键词：自然冷源分层空调表冷器c f d 模拟节能环保 第1 i 员 t 武汉嗣鼓大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n 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 h en a t u r a lc o l ds o u r c ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，v o h i c hm a k ef u l lu s eo fn a t u r a ls o u r c e ，h a s 之h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 。i ti si m p o r t a n t 幻re n e r g ys a v i n g 、e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e mt oa n a l y s e si t sc h a r a c t e r i s t i c s , d e s i g np r o c e s s a n do p e r a t i o ne f f e c ta n de c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s 。 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h el o a dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h es t r a t i f i c a t i o na i rc o n d i t i o n i n g a n dc a l c u l a t e si nd e t a i l 、t h ec o l dl o a di ns u m m e r c o m p a r i n gi t sc o l dl o a dw i t ht h ec o l dl o a do f c o n v e n 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 h ef o r m e rc a ns a v ee n e r g yt o4 0 r e l a t i v e l y f o rl a n d s c a p ed i r e c t l ya sa i rc o n d i t i o n i n gc o l d s o u r c e ，t h ec o l dw a t e rh a sh i g h e r t e m p e r a t u r e ，s ow em u s tm a k ed e t a i l e dc a l c u l a t i o no ft h es u r f a c ea i rc o o l e rf o rt h e e q u i p m e n ts e l e c t i o n i na d d i t i o nt ot h ec o m m o nc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h es u r f a c ea i rc o o l e r , ac o n v e n i e n tm e t h o dw h i c hi s f i tf o ra n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e ro ft h ef c ui s i n t r o d u c e dd e t a i l e d f o rt b j sm e t h o dh a si t sl i m i t a t i o nt h a ti si t o n l ys u i tf o rf c u s o i m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r ep r o p o s e dt om a k et h i sm e t h o ds u i tf o ra i r - h a n d l i n gu n i t u s i n g t h i sm e t h o d ，t h ec o o l i n gc a p a c i t yo ft h i sp r o j e c tw i t hc o o lw a t e rt e m p e r a t u r ea t19 i s c a l c u l a t e d a n dt h ep r o p o r t i o no ft h ec o o l i n gc a p a c i t yw i t hc o o lw a t e rt e m p e r a t u r ea t19 。ct o t h ec o o l i n gc a p a c i t ya ts t a n d a r dc o n d i t i o ni s4 6 7 5 ，w h i c hc a nm a k es u r eo ft h et y p ea n dt h e n u m b e ro ft h eu n i tc o n v e n i e n t l y i na d d i t i o n ，t h r o u g ht h i sm e t h o d ，t h i sp a p e rh a sc a l c u l a t e d t h ec o o l i n gc a p a c i t yw i t ht h ec o l dw a t e r t e m p e r a t u r ea t8 “1 9 r e s p e c t i v e l ya n dg e t t h ep r o p o r t i o n so ft h e mt ot h ec o o l i n gc a p a c i t ya ts t a n d a r dc o n d i t i o n t h a tc a np r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h eu n i ts e l e c t i o ni np r a c t i c e 。 u s i n gc f ds o f t w a r ee s t a b l i s ht h em o d e lo ft h ep r o j e c tt om a k en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n f o ri n d o o rf l o wf i e l d ，t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h ei n d o o rt e m p e r a t u r ea n da i rs p e e da r ea l l c o m f o r tf o rp e o p l e 。i tp l o o ft h a tt h el a n d s c a p ea sa i rc o n d i f i o nc o l ds o u r c ei sf e a s i b l e + b yc o m p a r i n gb e t w e e n 憾父| cs y s t e mu t i l i z i n gn a t u r a lc o o r e s o u r c ea n do t h e rg e n e r a l 久7cs y s t e m sit h ef i r s ti n v e s t m e n to nm a i n e q u i p m e n t s ly e a r - c o s to fo p e r a t i o na n dm a n a g i n g o ft h ef o r m e ra r ef o u n dt ob em u c hl e s s 。a n di ti sv e r yo b v i o u st h a tt h ef o r m e rg i v e sg r e a t b e n e f i tt op r o t e c t i n ge n v i r o n m e n tb e c a u s eo fl e s se l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n 。 x 锣w o r d s ：n a t u r a lc o l ds o u r c e ，s t r a t i f i e da i rc o n d i t i o n i n g l s u r f a c ea i rc o o l e r ，c f d s i m u l a t i o n ，e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 武汉科技大学磺士学位论文 第l 页 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 能源是社会赖以发展的重要物质基础。随着现代化进程的日益加剧以及人民对高品 质生活的不断追求，能源就成为世界各国谋求发展的重中之重。中国要实现稳定、快速 的发展，在很大程度上取决于能源的供应和有效利用，因而能源是我国现代化建设的战 略重点。 煤炭、石油、天然气是目前采用最多的常规能源，它们属于矿物燃料，需要经历上 百千万年时间的不断变化才能生成，显然，这些资源产生的速度远远赶不上它们被消耗 的速度，因此这些资源用一点就少一点，是不可再生能源。据w e c 报告，全球上述三大 常规能源的最终可采储量折合成标准煤分别为：煤炭3 4 万亿吨，石油2 0 0 0 亿吨，天然气 2 2 0 0 亿吨，合计3 8 2 0 0 亿吨。此外，目前尚未被大量开发的非常规天然气2 2 0 0 亿吨，非常 规石油5 5 0 0 亿吨，铀1 7 0 0 万吨，总计为4 7 6 万亿吨。若按1 9 9 8 年全球能耗计算，这些储 量可用5 7 2 年，按2 0 0 0 - , 2 0 5 0 年预测的年平均能耗1 5 0 亿吨计算，则只能用3 1 7 年，而若按 1 9 9 8 年的耗能量计算，石油和天然气则分别只有5 8 8 年和6 6 5 年的可采年限。这就意味着， 以上可采用的能源无法满足人类世世代代的长期发展，这些能源维持不了几代人的时间， 而我们在子孙将会在未来某一天面临能源桔竭的惨蒯h 】。 我国煤炭资源丰富，地质总储能1 4 万亿吨，探明储量6 4 2 4 亿吨，但是可采储量却并 不可观。根据2 0 0 0 年出版的世界能源统计评论，世界煤炭探明可采储量为9 8 4 2 亿吨。 其中中国居美国之后列第二位，为1 1 4 5 亿吨，虽然，随着科学技术的发展，我国地质储 量中的探明储量以及可采储量都会逐渐增加，这样，煤炭的可采年限也会增加，但是极 限也只有几百年时间。 大量使用煤炭、石油等常规能源还给环境造成极大的危害。煤烟的颗粒物严重影响 大气质量，排放的c 0 2 包围在地球周围形成靠温室效应弹，使全球气候变暖，对环境和生 态造成严重破坏。燃煤产生的s 0 2 升空遇水汽成酸雨下落，使建筑物、桥梁、古迹等遭 受严重腐蚀破坏。 因此世界要发展能源问题必须解决，仅靠常规能源显然是不可能的。 西前，建筑用能在我国浪费比较严重，这几年我国建筑行业正在如火如荼的高速发 展中，建筑用能也日益剧增，而我国能源生产可能增长的速度却远不及建筑能耗增长的 速度，如果不将这种高耗能建筑继续发展的势头加以遏制，国家的能源生产势必难以长 期承受此种浪费型需求。积极提高建筑行业的能源使用效率，对有效缓解国家能源綮缺 压力，大力促进我国国民经济快速、健康发展有着重要的意义。因此，建筑节能成为贯 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 彻国家可持续发展战略，实现节能减排目标的重要措施，符合全球发展趋势。 在各类建筑中，暖通空调系统的能耗在建筑能耗中所占的比重是最大的，因此，空 调系统的节能在建筑节能中就显得尤为重要，而在空调系统中积极的研发并应用节能技 术将成为摆脱建筑高能耗的一项重要措施。 因此寻求高效、环保、低碳的新型能源成为科学研究的一大热点。 自然冷能及自然冷能空调系统 自然冷能的科学定义为：“在常温环境中自然存在的低温差低温热能”，简称“自然 冷能 2 1 。温差在地球上其实广泛存在，比如昼夜间的温差，房屋内、外的温差，冬夏 季节的温差，物体阴面与阳面的温差，大地与空气间的温差等，而有温差就意味着有可 被利用的温差能的存在。大自然中温差无处不在，温差能的数量也是无限大的，它们大 量蕴藏于空气、土壤：水库及江河湖泊中，属于潜能巨大的低品位能源。 自古以来，天然冰就被人们很好的使用和储存起来以保存食物和改善环境。在我国 商、周时期，人们就懂得在冬季储存冰，到夏季取用的自然冷能利用方法，该方法至今 仍被使用。2 0 世纪3 0 年代，法国的研究人员在实验室常温下，利用3 0 c 温差带动小型 发动机发电，将几个小灯泡成功点亮，第一次证实了自然温差能作为能源利用的可行性。 6 0 年代，为了防止地基融化下沉，以保障管路系统的运行安全，美国学者借助寒冷的气 候条件为阿拉斯加输油管路加强散热。很多研究人员在受此启发之后，便展开了对自然 冷能进行实际应用研究的工作，经过长达十年的实验研究，1 9 8 6 年，世界上第一座利用 自然冷能制冷的热管换热式冷藏库在日本建成，据观测结果显示，库四周季节冻土层常 年都处于冻结状态，效果良好。 利用自然冷能建成的冷藏库在蔬菜、水果、肉类等食品冷冻保鲜方面应用是非常广 泛的1 3 】【4 】。生活水平的不断提高使得人们对生活品质的要求也随之提高，对新鲜果蔬的 品种、品质和数量的要求也就更高，而且，随着人们对食品安全问题的越来越多的重视 和担忧，使得食品的贮藏方式的发展就更趋于物理方式，以更好的确保食品的食用安全， 保证食品的天然品质，并能降低耗贮藏能耗，使储藏更加方便。因此，物理保鲜方式如 利用自然能冷藏等正越来越多的得到人们的认可和重视。 自然冷能不仅可以在食品贮藏保鲜方面发挥有效作用，而且在空调系统中也可以发 挥其巨大的潜能。利用自然冷能直接供冷可以实现房屋的“无能耗空调”，在与常规空调 系统设施投资相当情况下，只需在运行时消耗一些通风用电，因此耗电功率相比常规空 调可下降到1 3 0 以下，节能效果显著【5 1 。另外，利用地热能的集中式热泵空调系统，比 常规空调系统节能3 0 7 0 ，研究人员指出1 6 1 ：假如全国7 0 的供热，空调，制冷的能 源利用自然冷能，每年至少节约l 亿吨标准煤，在很大程度上可减轻能源需求压力，缓 解电力高峰负荷，降低碳排量，同时酸雨等环境危害也会随之减少。因此，随着节能减 排、低碳环保要求的提高，利用自然冷能进行室内空气调节将是制冷空调行业发展的一 武i 汉科技大学硕士学位论文 第3 页 个重要趋势。 按供冷原理自然冷能空调系统可被分为： 1 ) 热泵式自然冷能空调系统。这类空调系统根据冷热源形式不同主要有空气源、水 源、地源等热泵型式。该类系统将自然界和工业生产中，储存于空气、土壤、水及工业 废气、废水中的大量低温位热源作为冷热源，产生高温位的热量以供应生产和生活之用。 图1 1 为地源热泵空调系统原理图。 9 0 年代初开始，随之热泵技术的发展，在我国空气源热泵的应用最为广泛。目前，该机 组的应用比例在整个中央空调系统中已占到2 0 3 0 7 1 ，而且其应用范围还在逐渐扩 大。然而，虽然空气源热泵其有系统简单、制造及安装使用方便等诸多优点，但其最大 的缺点是冬季融霜问题。为了解决此问趣，科研工作者们在如何除霜方面作了大量研究。 嚣前，主要的除霜方法有换向法、电加热除霜法、热媒回串化霜法、热气除霜法、热水 除霜法等溺【9 l 。 、 土壤湿度和大气温度一样都是不断瘸期变化的，但是，土壤的熟容相比空气的热容 要大得多，因此土壤温度变亿幅度较气温要小，而在地面以下一定深度时，土壤的温度 便处予稳定状态基本不随时闻发生变化。正是由于土壤的这一温度相对稳定的特性，使 得地源热泵技术【1 疆h l 才能利用它，通过消耗电能，将夏季室内的热量转移到土壤中，达 到降温或制冷的嚣的，丽冬季时便将土壤中的热量转移到室内给人员供暖。地源热泵的 冷热源为缝热能，它可以取代冬季锅炉并减少冷却塔的使用，同时市政管网等传统的供 殴或中央空调系统也会在一定程度上被取代，该系统也因其节能、环保、热稳定等特点， 弓l 起了世界各国的广泛重视。 总之，采用热泵技术可以有效的回收并利用低品位热能，随着热泵机组和相关设备 的研发制造及对其性能的试验研究，这项技术必定会在我霞得到大面积的推广使奔l ，发 挥其巨大的节能潜力。 2 ) 直接供冷自然冷能空调系统。井水、河水、地下水等是这类空调所采用的自然冷 能。这些低温的地下水、地表水经过处理后通过水泵壹接送至空调末端设备进行供冷。 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 该类系统供冷不需要制冷主机，因此也被称力零能耗自然冷能空调1 1 2 l ，如图l 。2 所示。 ：i 蠢 下 瘩 并 图1 2 裔然冷能空调熏统工作原理 与传统的氟利昂等制冷荆制冷以及滨化锂吸收制冷等这些人工制冷相比，溢度低且 稳定的邋表水、地下水等自然冷源直接供冷要显得经济环保得多。因此在低温地表承或 地下水源较丰富的地区，充分利用这些自然资源作为空调系统的冷热源，可以大量节约 能源，减少运行费用。此类系统的特点如下【1 3 1 ： ( 1 ) 耗电量较低，般占常规空调系统的2 5 q 5 ； ( 2 ) 投资低，在同样负荷下为其他常规空调系统的3 5 0 口一- 6 5 ； + ( 3 ) 不需要制冷剂，因此不存在由其导致的环境污染； ( 4 ) 结构相对筒单，使用维修方便； ( 5 ) 舒适性良好，可保持室内温度在2 5 2 8 之间，基本可满足舒适性要求。 l 。3 自然冷能空调技术国内外研究现状 自然冷能空调系统是采用低品位自然能作为空调冷热源来进行制冷制热的，具有节能 环保的特点，因此，对该空调系统的特点、运行性能、节能效采等的研究是意义非凡的。 2 0 世纪6 0 年代，国外的很多科研机构开始对利用地下埋管来冷却空气这一课题产生浓 厚的兴趣。经过近几十年的努力研究，他们在对利用地下埋管冷却空气的技术研究上取得 了很大的进展，对这一技术的研究主要集中在对地下埋管在冷却室外空气的过程中周围土 壤的温度场的动态变化，埋管换热器的换热效率及空气沿地下埋管降温的数值模拟等。目 前，土壤源热泵系统成为国内外的研究热点，而对这一技术的研究热点集中在土壤一空气 换热器的换热机理，换热器对建筑物能耗的影响，管内流速给定时最佳管长，截面积，埋 管深度和管间距的确定，土壤空气换热器的兰维传热的数学计算模型班蛾搭珏蝴雏秘。 另外，国内外的学者对水源利用技术的研究也颇多，近年来的地表水、地下水、地热 水等水源热泵的研究也正受到越来越多的学者追捧。通过对某建筑的水源热泵系统多年运 行情况的分析总结，美国学者m j h a t t e n 提出了关于深并回灌水源热泵系统设计中需要注 武汉科技大学硕士学位论文第5 员 意的问题n 引。a l s n i j d e r s 对水源热泵系统的应用进行了可行性条件的分析，提出让抽水 井与回灌井之间保持一定距离，可以避免回灌井对抽水井井水造成影响 s o o 国内的马最良、 曹源等对闭式环路水源热泵空调系统运用计算机动态模拟，分析了气象条件、建筑特点、 系统形式、热源形式等运行能耗的影响因素陋。重庆大学的吴艳菊对地表水水源热泵适宜 性进行了综合评价和规划研究，分析了影响地表水源热泵应用的因素及地表水在我国的分 布状况，结合水源热泵机组的特点，利用模糊数学理论，建立适宜性评价体系陇3 。 利用地道风、岩石隧道风等低温空气来降低室内温度，达到降温的目的也是自然冷能 的一种利用型式。国外，地下矿井通风的研究最早始于美国，1 9 4 0 0 i ，ch 和p 矾e r s o n 就 开始对地下矿井的通风系统进行了研究汹1 ；1 9 6 2 氰啦a l i c e 和m i n i s h 建立了最早的空气 与地下矿井内壁面之间的传热模型1 ；1 9 6 6 年，s t a r f i e l d 也对岩石隧道内不同表面对流换 热系数的热交换情况作了详细的分析汹j 。文献 2 6 采用整场求解法，通过对地道风系统的 分析，数值模拟了地道土壤一空气换热系统的空气温度及土壤传热。以整场求解法计算地 下人防工程空气与岩壁之间的传热时，提出了应注意的问题以保证此类耦合传热问题的真 实性。通过对传热的数值模拟，分析了影响地道对空气冷却能力的因素。 文献【2 7 3 对太阳能制冷技术在低温储粮方面进行了应用研究。运用数值计算分析了 粮仓的隔热性能及仓房湿屋面蒸发冷却被动制冷的性能。通过测试、分析，提出了仓内 空气隔离层环流通风冷却、膜下上层与沿墙四周区域内循环太阳能低溢储粮通风方式， 并设计建成了两套太阳能吸附制冷低温储粮系统。采用数值模拟分析了该系统的制冷性 能及能使太阳能制冷系数达到最大的最优热水温度，同时也确定了系统运行的合理运行 参数，从而为太阳能制冷低温储粮技术的应用奠定了一定的基础。 文献【2 s 针对地下水或地表水与大气之间存在温差能，采用火用概念建立水的火 用值计算模型，对某地区的低温河水的火用量进行了理论计算，从理论和实践两方面分 析了无论夏季还是冬季，地下水或地表水的比火用总是正值，利用它们作为空调或热泵 的冷热源，就意味者为空调提供了火用。低温河水蕴含巨大的火用，直接利用低温河水 作为空调冷源的节能效果是巨大的。 文献 2 9 采用动态法分析了深埋地下工程的室内温度分布和周围岩土的温度分布 及两者之间的耦合传热情况，为设计作进一步的指导。通过简化深埋地下拱形建筑在间 歇工况下的数学物理模型，采用固体导热和对流换热彼此互为边界条件的方式将两者有 效耦合，对固体与流体整个区域建立统一的控制方程，以采用整场求解法进行计算，为 菲稳态导热与对流耦合传热的求解提供了一种可行性方法。 文献【3 0 】首先对土壤热物性进行了分析，讨论了该热物性参数对土壤温度的影响， 不同韵土壤其热物性参数不同。对地表面温度呈简谐波规律变化时，通过建立计算模型， 得出了计算土壤内部温度的公式，并迸一步计算分析了土壤内部温度波的变化特点。 ，文献【31 3 2 1 针对地源热泵地能幂j 用中，存在因地温恢复性影响土壤传热的问题， 提出可控间歇技术，可避免热量的堆积使其充分扩散也使地温能有效恢复，提高地下换 热负荷。分析了机组连续运行及间歇运行时的地温变化规律，通过对比研究分析得出可 第6 页 武汉嗣嵌大学硕士学位论文 控间歇技术在地能利用上具有重要意义和实用价值。 文献【3 3 提出了一种应用海洋冷量的区域空调技术。由于地下含水层具有良好的透 水性和富水性并且与大气环境相隔绝，因此将其作为天然的运能通道，而人工灌注则通 过注水井将冷媒水注入含水层来实现；在水力梯度( 自然的和人工的) 的作用下冷媒水 不断流动，原地下水在与其不断的进行热质交换而被逐渐冷却和淡化，该地下水在用冷 区域被大扬程大流量的抽水井所抽取，以为区域性空调提供冷源，使得“海水空调”在 滨海的内陆也能够被应用。该技术与水源热泵技术相结合的区域性空调技术较常规的制 冷机制冷、电制冷等节能效果可达1 4 0 o 5 0 8 。 文献【3 4 】通过建立土壤导热数学模型，利用p h o e n i c s3 6 软件进行求解，分析了 不同温度波对土壤导热区域的影响。研究了热波振幅、频率的不同及土壤物性参数的不 同对不同深度处热波响应特性的影响。 文献 3 5 1 研究了适合于我国北方的自然冷资源空调系统，即将冬季的自然冰采集并 储存起来待到夏季为空调提供冷量。该研究首次对北方地区自然冰的存储特性进行了理 论分析和试验研究，并在此基础上进行自然冷资源辅助空调的系统设计和其换热系统的 换热性能试验，得到了自然冷资源空调的换热系统设计的最佳参数组合及换热系统的换 热系数，也为以后同类试验研究提供了理论依据和试验参考。此外，通过理论计算和试 验验证从空调的运行效果、经济性及节能环保方面都证实了该空调方式的可行性。 1 4 本论文的主要研究内容 本项目为地处宜昌市的一个建设项目。宜昌市地理环境独特，山水资源丰富，所以 在空调设计方面可以因地制宜，充分利用现有的自然资源，尽可能的节约能源。该建筑 坐落在山体上，由于山上源源不断的流出大量的山水，经过测试夏季山水的温度为1 9 。c ， 因此本文将研究利用该山水直接作为空调冷源应用于建筑的中庭部分。具体研究内容如 下： ( 1 ) 由于中庭部分属于大空间建筑，而人员一般都只在一楼地面活动，因此只需要 保证人员活动区的空调效果即可。鉴于此，本文在计算夏季冷负荷时通过采用分层空调 的方式来计算，并与常规空调方式进行计算对比来进一步验证分层空调系统方式的节能 性。 ( 2 ) 本文自然冷源的应用中最主要的一点就是关于表冷器的设计及末端的选型问题。 因为是非标准工况，冷源不同于常规冷源，因此本文对非标况下表冷器的设计选型进行 了分析和计算。 ( 3 ) 山水自然冷能空调效果的研究。通过c f d 模拟软件的运用，对该建筑的空调 系统进行模拟研究，预测空调效果并进一步的论证该空调系统的可行性。 ( 4 ) 对山水冷源空调系统的经济性、节能性及环保性进行分析。通过对这三方面的 分析，为该空调方式的推广应用做出一定的参考依据。 戴汊科技大学硕士学位论文 第7 页 第二章分层空调负荷计算 2 1 分层空调技术介绍 、 大空间建筑，其体积庞大，当为了满足舒适性要求或某些生产工艺要求而需要对大 空间建筑进行空气调节时，空调负荷就显得比较大，从丽会影响到整个空调系统的能耗。 因此，为了减少大空间空调的能耗，一些大空阅空调技术便应运面生。常见的有喷口送 风、置换送风、上部送风、分层空调等。 在大空间建筑空调设计中应用较为广泛的便是分层空调了。分层空调是指仅对高大 空间的下部区域即工作区进行空调，保持一定的温湿度，面对上部区域不进行空调的空 调方式。与全室空调相比，夏季可节省冷量3 0 附3 6 1 左右，从而节省了初投资翱运行能耗。 设计时，以送风口中心作为分层面，将整个大空间建筑在垂直方向上分为两个部分，分 分层空调冷负荷特性分析 2 2 1 分层空调冷负荷计算特点 豳2 。1 分层空调示意图 分层空调由于将整个空间分为空调区和非空调区两部分，因此 | 导热量和冷负荷必须 按上、下两区来进行计算，在空调区计算空调冷负荷，在非空调区计算通风排热负荷。 虽然在计算得热量和负荷时是将两个部分分开计算，但两者之间实际仍然存在热量的交 换。一方面，在分层面上，送风形成的射流会卷吸周围的空气，将止部非空调区的热量 随气流的卷吸而被带入空调区，成为空调瞬时冷负荷，这部分热量就被称为对流热转移 负荷驰。另一方面，由予围护结构内表面的湿度在空调区和非空调区是不同的，后者要 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 高于前者，因而这两者之间必然存在辐射换热，然而由于地板及围护结构的蓄热作用， 该辐射换热量并不是完全转化为瞬时冷负荷，只有一部分被释放到空气中成为空调区的 瞬时负荷，这部分热量就被称为辐射热转移负荷咖 因此，分层空调负荷的计算，不仅包括空调区本身得热形成的冷负荷的计算，还必 须计算由于对流和辐射引起的热转移负荷。 2 2 2 分层空调冷负荷的组成 通过上文的分析得知，分层空调工作区的冷负荷包含两大部分，即空调区本身得热 冷负荷和热转移冷负荷，具体组成见图2 2 所示。 图2 2 分层空调空调区负荷组成示意图 辐射热转移形成的冷负荷又包括两个部分，分别为非空调区各面( 屋面、墙、窗等) 对地板的辐射换热形成的冷负荷和对空调区墙体间的辐射换热产生的冷负荷。因此，空 调区的冷负荷可按下式进行计算。 1 空调区冷负荷的组成 + q l - q l w + q l q 寸q 产q d ( 2 1 ) 式中q 厂空调区分层空调冷负荷，w ； 口，w 一通过空调区外围护结构得热形成的冷负荷，w ； 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 g h 一空调区内部热源散热形成的冷负荷，w ； 纵一空调区室外新风或渗透风产生的冷负荷，w ； 旷辐射热转移形成的冷负荷，w ； g 厂对流热转移冷负荷，w ； g mg 胁瓠按全室空调冷负荷计算方法计算，留、驰按下述方法计算。 2 非空调区向空调区辐射热转移形成的冷负荷垡，- ( 1 ) 辐射热转移量9 可按下式计算： q f = c 1 ( q i d - i - e q f d ) = c 。 f i i d c 0 4 一4 】) + 倒叭h ( 2 2 ) 式中q i d 非空调区各个面对地板的辐射换热量，w ； q f d 一一透过非空调区玻璃窗被地板接受的日射得热量，w ； c l 一一系数，取1 3 ； 劬d 非空调区各个面对地板的形态系数； f i 计算表面积，m l ： i ，d 非空调区各个面及地板的表面黑度： c o _ 一黑体的辐射系数，c o - - 5 6 8 w l m k 4 ； t i ，t d 一一非空调区各个面及地板的绝热温度，k ； p 厂一空调区地板的吸收率； + ( p c h d 一一非空调区外窗对地板的形态系数： f c h 非空调区外窗的面积，m l ； j c h 一一透过非空调区外窗的太阳辐射强度，w m 。 ( 2 ) 辐射热转移形成的冷负荷旦厂 旷c 2 q f 式中c 2 冷负荷系数，通常c 2 = 0 4 5 o 7 2 ，对一般空调可取c 2 = 0 5 。 3 非空调区向空调区对流热转移形成的冷负荷和 q l = 空调区得热量= q l w + q l ，托 移 q l = 空调区热强度= v 1 q 2 = 非空调区得热量屯w + q 2 n q f q 2 = 非空调区热强度= 争 v2 q p = 非空调区排热量= 1 0 1 p v 2 n 2 a t p 3 6 0 0 式中q 拥l 一一非空调区与空调区热量比： q 2 1 = q 2 q l 一一非空调区与空调区热强度比； ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 q 廿= q p q z 一一非空调区的排热率； 虱= 罐d q 2 一一无因次对流热转移负荷。 式中q 2 w 一一通过菲空调区外围护结构的得热量，w ； q 2 。一一非空调区内部热源散热量，w ； v l 、v 2 空调区和菲空调区体积，l n 3 ； 1 0 卜一一空气定驻比热，k j ( k g ) ； p 一空气密度，k g m 3 ； n 2 一j 空调区换气次数，次凡； t 。进排风温差，可取2 3 。 根据q 2 q i 和q p q 2 ，可查图2 3 求得一d 的值。 ， |绺! i ，“ 整 2爵伐2 塞 。 ， 0 3 广i 矿 - 一一3甜o 3 一 r 0 4 一 毒绺 r r 一- _ 一 一 o ，2 形 7 一 爹矽 一r 0 ，l 肜 ， j矿 l 每鳓l 图2 3 分层空调对流热转移受蘅 2 3 工程概况及空调设计基础资料 2 3 1 工程概况 本项目为地处宜昌市的一个建设项嚣。宜昌市地理环境独特，出永资源丰富，所| | 麸 武汉嗣技大学硕士学位论文 第1 l 页 在空调设计方面可以因地制宜，充分利用现有的自然资源，尽可能的节约能源，合理利 用自然资源。该建筑坐落在山体上，由于山上源源不断的流出大量的山水，经过测试夏 季山水的温度为1 9 c ，故欲利用这些山水直接作为空调冷源应用于建筑的中庭部分。该 中庭的长宽高为1 1 0 m x 9 m x 2 7 m ，其中东西两面墙均与空调房间相邻为内墙，可不考虑 传热，南、北两面为外墙。 2 3 2 空调设计基础资料 1 夏季室外气象资料 宜昌市的气象资料，夏季室外计算参数如下： 空调室外干球计算温度 3 5 8 。c 空调室外湿球计算温度 2 8 1 空调日平均温度 3 1 5 室外通风计算温度 3 3 最热月平均相对湿度8 0 风速1 7 m s 大气压9 8 9 1 b a r 2 室内空调设计参数 中庭夏季室内空调设计参数如下： 空调区夏季设计温度t l 2 7 。c 空调区夏季设计相对湿度 巾6 0 3 围护结构的传热系数和黑度 屋盖k = o 6 8w m 7 = 0 8 8 外墙k = 0 7 1w m 2 = 0 9 2 外窗k = 2 4 4w m 2 = o 9 4 地面k = o 4 7 w m 2 = o 8 8 墙内表面换热系数h n q = 8 7w m 2 屋顶内表面换热系数h 2 n = 8 7w m 2 地板上表面换热系数h 3 n = 8 7w m 2 2 4 分层空调负荷计算 由以上介绍的分层空调的负荷计算方法，该项目中庭负荷计算的步骤如下： ( 1 )确定非空调区的室内温度t 2 t 2 = ( t 1 + t 2 d ) 2 = ( 2 7 + 3 8 8 ) 2 = 3 2 9 c 式中t 2 d 屋面下表面附近空气温度或排风温度 t 2 d - t w + ( 2 “3 ) = 3 5 8 + 3 = 3 8 8 ( 2 )确定分层高度h l ( 2 9 ) 第1 2 页 武汉科技大学硕士学位论文 在不影响使用要求的前提下，分层高度越低越节能，可由下式确定 h l = h + y = 2 + 2 = 4 m ( 2 10 ) 式中h 工作区高度，m y - 射流垂直落差，m ( 3 ) 确定空调区外围护结构得热形成的冷负荷q l w 和内部散热产生的冷负荷q l n 具体的计算结果如表2 1 所示。 表2 1 计算结果 ( 4 ) 计算非空调区外围护结构传热量q 2 w 和内部散热量q 2 n 有 1 计算非空调区外围护结构传热量q 2 w = 3 6 7 0 0w 2 计算非空调区内部散热量q 2 。 由于中庭上部没有热源，故q 2 n = 0 。 ( 5 )计算空调区和非空调区各内表面的温度 t = ”k t z h a i l ( 2 1 1 ) 式中t n 一一室内计算温度，空调区为t l ，非空调区为t 2 ， k 一一外围护结构传热系数，w n 1 2 ； a t z h 一一综合温差。 a f l 一一外围护结构内表面换热系数，w m 2 。 计算结果如表2 2 。 表2 2 非空调区及空调区各内表面的温度表 南墙3 3 4 南窗 3 4 2 北墙 3 3 3 非空调区北窗 3 4 2 东墙 2 7 西墙 2 7 屋面 3 5 2 空调区地板 2 8 1 ( 6 )确定非空调区各个面对空调区地面的形态系数 根据各个面的相对尺寸，通过查图可得形态系数o i d 如表2 3 。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 表2 3 形态系数i d 值 黯 屋面北墙南墙东墙两墙北窗南窗 l2345n s 空调区 地蘧1 0 。1 3 80 0 6 80 0 6 80 0 7 50 0 7 5 、0 0 6 8 0 0 6 8 ( 7 )辐射热转移量q f 的计算 计算非空调区各个面对地面的辐射换热量 y q ；d = f l i d c 。【4 一i 】 ( 2 1 2 ) 计算结果列予下表。 表2 4 辐射热转移量 由i df i e i ed c 0t i t dq i d 母、1 l 0 1 3 89 9 00 8 8o 8 85 。6 33 0 8 23 0 1 。l4 8 2 6 。2 4 零、2 l 0 。0 6 88 0o 。9 2o s 8 5 。6 83 0 6 。33 0 1 。l1 4 5 。7 6 辔 3 1 0 灏88 0o 。9 2o 。8 85 。6 83 0 6 。43 0 1 。l1 4 8 。6 4 枣、4 1 0 。0 7 5 2 5 3 0 o 多2o 。8 s 5 6 s3 0 03 0 1 1一l 鹳2 3 3 零5 l 0 。0 7 52 5 3 0o 妮o 8 s5 。6 33 3 0 1 。l- 1 0 4 2 3 3 审 n 1 o 。沩81 2 70 9 4o 8 85 6 83 0 7 23 0 1 。l2 7 8 5 9 零s 1 0 0 6 81 2 70 9 4o 8 85 6 83 0 7 23 0 1 12 7 8 5 9 y q i d = 3 5 9 3 1 7 w 计算透过非空调区玻璃窗被地板接受的日射得热量 e q f d = p d q ，c h df c h i c h 计算结果列于下表。 ( 8 ) ( 9 ) 衰2 5 日射得热量 零i df c h pd q f d 啼n lo 0 6 91 2 7o 6 31 8 71 0 1 7 4 1 巾s l o 0 6 81 2 7o 6 32 9 31 5 9 4 1 2 y q f o = 2 6 1 1 5 3w q f = 3 5 9 3 17 + 2 6 11 5 3 = 6 2 0 5w 计算辐射热转移负荷q f q f = o 5q f = 3 1 0 3w 计算q i 和q 2 ，q l 和q 2 q t = q w l + q n l + q x + q f = 6 9 9 2 + 2 8 3 5 4 + 0 + 31 0 3 = 3 8 4 4 9w q 2 = q w 2 + q l l 2 q f ( 2 1 3 ) 第1 4 页 武汉科技大学硕士学位论文 空调区体积 非空调区体积 = 3 6 7 0 0 + 0 6 2 0 5 = 3 0 4 9 5w v l = l lo x g x 4 = 3 9 6 0m s v 2 = 1lo x 9 x 2 3 = 2 2 7 7 0i n j q l = q 1 v l = 3 8 4 4 9 3 9 6 0 = 9 7 w m j q 2 = q 2 v 2 = 3 0 4 9 5 2 2 7 7 0 = 1 3 4w m 3 q 2 q l - o 1 3 8 ( 1 0 ) 假如不考虑排风的影响，由q 2 q l 和q p = 0 值查表，可得对流热转移负荷 q d q 2 = o 1 8 q d = o 18 x 3 0 4 9 5 = 5 4 8 9 w ( i l ) 空调区冷负荷q 。l 为 q c i - 3 8 4 4 9 + 5 4 8 9 = 4 3 9 3 8 w ( 1 2 ) 能量节约率 若按全室空调设计计算，通过计算得空调负荷为7 2 0 4 6 w ，因此能量节约率= ( 7 2 0 4 6 4 3 9 3 8 ) 7 2 0 4 6 = 4 0 。 2 6 本章小结 1 ) 分层空调是将空间划分为空调区和非空调区两个区间来进行空调负荷计算的，而 并不是将整个空间都纳入到空调范围内，因此其在能耗方面较传统的全室空调具有显著 的优越性，使得分层空调在很多大空间建筑( 如高大厂房等) 中被广泛的采用。这也是 本工程采用该空调方式的主要原因。 2 ) 介绍了分层空调的负荷特性及负荷的组成。空调冷负荷主要由空调区本身得热冷 负荷和热转移冷负荷两大部分组成。 3 ) 对本工程进行了分层空调的冷负荷计算，展示了分层空调负荷计算的方法及步骤， 并将分层空调及全室空调负荷计算结果进行对比，再次证明了分层空调节能的优