辐射供冷空调方式能耗与控制的研究.doc

辐射供冷空调方式能耗与控制的研究 同济大学机械工程学院博士学位论文辐射供冷空调方式能耗与控制的研究姓名:寿青云申请学位级别:博士专业:热能工程指导教师:陈汝东20090301摘要摘要节能性与可靠性是辐射供冷空调方式应用中的两个突出问题。系统的运行能耗与系统效率密切相关,结露发生与否直接决定了系统是否适用。本文围绕这两个问题,对以下内容进行了研究分析。首先对炯分析方法在辐射供冷空调方式中的运用进行了研究性探讨,然后在各环节设备传热传质分析的基础上,分别对它们建立了相应的炯分析模型,得到了炯效率随相关因素变化的规律:接着构建了辐射供冷空调系统的整体炯分析模型,利用炯分析辨识方法对系统运行过程中的薄弱环节作出判断,并提出与之对应的改进措施。从能质角度出发,分析了在设计条件下,辐射板和独立新风系统的不同负荷分担率与辐射供冷空调系统炯效率的关系:还分析了在负荷发生变化时,采取不同对应措施对辐射供冷空调系统炯效率的影响关系。从分析结露现象的本质入手,对湿空气中水蒸气在辐射冷吊项上的凝结过程进行了原理性研究,推导得到发生凝结的临界凝结核心半径和最小壁面过冷度,建立起湿空气凝结过程的传热模型,求得水蒸气的凝结速率。对辐射供冷空调方式的热湿处理特性和不同类型建筑场所的散热散湿特性进行了综合分析与比较,将两者从热湿负荷供需匹配的角度关联起来,分别从原则定性和指标定量两个方面对辐射供冷空调方式的适用场所进行判定分析,同时提出了全新的定量评判指标?“单位质量新风除湿指标”。从“设计一运行一管理”各环节紧密联系的思路出发,提出了结露的“全过程控制策略,对各时期控制结露的实施途径进行分析研究,提出了具体可行的操作措施,并通过模拟与实测加以验证。本文的研究可为辐射供冷空调方式的设计、安装和运行管理提供参考与借鉴,具有较强的理论意义与应用价值。关键词:辐射供冷,独立新风系统,能耗,炯分析,结露,单位质量新风除湿指标,控制策略 . . .;. ;. ;., , .,“?”. : ;.: , , , , ,符号说明符号说明吸附剂微孔平均半径,室内某壁面的表面积,辐射表面面积,假想黑体的表面面积,为非冷却表面的加权面积平均温度,干空气的定压比热,取./,。水蒸气的定压比热,取./。,湿空气的比热容,/,。载冷剂的比热容,/。吸附剂的总比热容,/。管道直径,/湿空气主流的饱和空气的含湿量,/干空气以反 紧靠水膜的饱和空气的含湿量,蛞他干空气磊 室内空气设计状态点的含湿量,/如 送风状态点的含湿量,/与流道壁面吸附剂相平衡的空气含湿量,/瓯吸附剂的含水量,/吃水蒸气在吸附剂孔隙中进行分子扩散和努森扩散的总有效扩散系数,/吸附水分进行表面扩散的有效扩散系数,/符号说明分子扩散系数,/%努森扩散系数,/表面扩散常数,/出单位质量体系的炯,风机进口的空气的炯值,/%出口的空气的炯值,/%风机进口的空气的炯值,/% 出口的空气的炯值,/有效耗炯,忙供给炯,珥炯损,氐设备的总炯损包括内部炯损及外部炯损,日过程的炯损,冷凝过程中机组向高温热源输出的热量炯, 恤蒸发过程中机组向低温热源输出的冷量炯,能量转换过程输出的炯,用以维持该能量转换过程而向系统提供的能源的炯,点机组中压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀的内部炯损,管壁换热面积,五辐射表面与假想黑体内表面之间的辐射角系数,平板取值为.需处理的新风量,/厅气流与流道壁面之间的对流传热系数,/.符号说明矗湿空气侧的对流换热系数,/?载冷剂侧的对流换热系数,/.丸湿空气侧以含湿量为基准的传质系数,/?气流与流道壁面之间的对流传质系数,/.吃 室内空气设计状态点的焓值,/% 送风状态点的焓值,/管内对流换热系数,/.%风机全压,耳水泵全压,以二管道长度,管内流体的质量流量,/湿空气的质量流量,/噍载冷剂的质量流量,/吼新风的质量流量,鲈怫排风的质量流量,/嚏尸风机全压值,大气压力,只风机进口的空气的全压,昂出口的空气的全压,匕耽 按查取的水的普朗特数吸附热,/吼心 干空气的气体常数,取./?符号说明。水蒸气的气体常数,取./?丛系统在可逆过程中的熵变化量,/管壁平均温度,气进水温度,出水温度,湿空气主流的温度,载冷剂主流的温度,凝结水膜的温度,乞互室内空气平均温度,鬈冷吊顶壁面平均温度,风机进口的空气温度,%出口的空气温度,咒环境的绝对温度,系统放热时的绝对温度,暴露在辐射吊顶下的某壁面的表面温度,巧冷冻水进出口的平均温度,吸附剂的温度,乃对数平均换热温差,馘材 管内流体速度,/流体的体积流量,/圪压缩机的耗功,形风机单位风量耗功量,/形符号说明口冷吊顶的导温系数,/容积膨胀系数,/运动粘度,/暴露在辐射吊顶下的某壁面表面的发射率乇辐射表面的表面发射率假想黑体的表面发射率时间,流体的比容,/干吸附剂的密度,/风吸附剂的导热系数,/?五吸附剂的孔隙率曲折因子包含风机、电机及传动效率在内的总效率,%仉风机全压效率吼电动机效率砚电动机安装位置修正系数仍水的密度,/风学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名:劲彩年乡月加日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名:多青之硼年:;月日第章绪论第章绪论.课题背景我国是一个处于工业化前期的发展中国家,城市化水平还不高。年,我国城镇化率达到.%,而年世界平均城镇化水平为%。随着我国城市化进程的不断加快,第三产业占比例的加大以及制造业结构的调整,建筑能耗占总能耗的比例也在不断上升。尤其是近十年来,上升势头很快,已经逐步接近发达国家水平。在沿海经济较发达的城市中,第三产业在中的贡献率已经达到或接近%,人民生活水平也有很大改善,由此建筑能耗已成为不可忽视的能源消费成纠。根据近年来能源界的研究和实践,目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式,是缓解能源紧张、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【】。在各类建筑中,占建筑能耗比例最大的是暖通空调系统的能耗,因此,它的节能是建筑节能中最为重要的组成部分,节能技术在暖通空调系统的应用也将为建筑能耗的节省带来极为显著的效益。目前,常规空调都使用或更低的冷水作为冷媒,对空气进行处理,这样做主要是为了满足空气除湿的需要。若仅为了降温,采用的冷媒即可满足要求。尽管一般除湿负荷仅占空调负荷的%,但是目前大量的显热负荷也用这样的低温冷媒处理,这就导致了冷源效率低下。近年来应用渐多的温湿度独立控制的空调方式,是将室外新风独立除湿后送入室内,可用于消除室内湿量,同时满足对新鲜空气的需求;并用独立的水系统使的冷水循环,通过辐射或对流型末端来消除室内显热。这样不仅能避免采用冷凝式除湿时为了调节相对湿度进行再热而导致的冷热量抵消,还可用高温冷源吸收显热,使冷源运行效率得到提高,因此温湿度独立控制技术能犬幅降低空调系统的能耗,具有显著的节能效果【】。辐射供冷空调方式是温湿度独立控制原理的典型应用,它利用辐射板以辐射为主、对流为辅的方式消除室内大部分的显热,由独立新风系统以对流方式消除室内潜热和剩余部分的显热。辐射空调方式并不是新的事物,与目前普遍应用的对流空调方式相比,它也有着悠久的应用历史。文献和考古资料表明:在公元前年,土耳其人就利用河水冷却房间地板来对房间进行辐射供冷;年前古罗马人、朝鲜人利用烟气加热烟道、地板来对房间进行辐射采暖:我国秦、汉年代也出现过利用天然第章绪论冰块作为冷源进行辐射供冷的“空调房间”,并且汉代就有了利用烟气作为介质进行采暖的辐射采暖设备。现代辐射供冷技术源于世纪年代的欧洲,后被引入北美、日本等国,近年来开始在我国逐渐得到应用。独立新风系统,简称是一个通风空调的新概念,之所以被称为“新概念,是因为其采用的技术都是已经实用的空调技术,只是这些技术被巧妙地融合在一起,焕发出强大的生命力,从而导致了空调系统的一次大的革命。年由、美国能源部、美国煤气技术协会共同赞助的研究课题一冲的研究成果被汇编成商业建筑湿度控制设计指南,该指南将列为房间湿度控制的重要手段【。年又被美国著名网站.列为项顶级创新技术之一【。在年芝加哥年会上除了宣读多篇相关论文进行讨论外,还被列为会议上个短训班的主题之一,作为一项新技术在全美推广。年月出版的美国著名的美国机械程杂志刊登了该杂志编辑的专稿。详细地介绍了这项技术,该杂志对的评价是:“实实在在的节能技术将赢得建筑通风设计工程师的青睐”。年一场突如其来的肆虐全球的疫情,更是加快了这项技术在全球,尤其是在中国的推广。美国能源部年月出版的商业建筑能耗手册将辐射冷吊顶和独立新风系统列入到美国当今和未来、在经济上最有优势的项暖通空调节能技术之中【。表.是这最有价值的项节能措施的技术成熟性和节能的潜力。表.项节能措施的技术成熟件和节.能的可行性技术上节能的潜力序号 技术方案 技术水平/.自适应/模糊逻辑控制 新独立新风系统 .现行置换通风 现行 .电整流永磁电机 现行 .、.新风全热变换器 现行.】寒冷气候下工作的热泵零度热泉 高级改善风管密封性 .现行/新液体干燥剂空调机 高级 / ./.微通道换热器 新 .小环境/个人控制办公桌送风 .现行高温相变蓄冷 现行 /./.辐射吊顶冷却/冷粱 .现行小型离心式压缩机 .高级系统/部件诊断 新 .变制冷剂体积/流量 .现行第章绪论注:表中“技术水平”一栏中,“现行”是指目前已经得到应用,但是尚未得到广泛的应用:“新”指该技术具有商业应用价值,但是目前尚未永远商业建筑空调系统;“高级”指高技术还在有待商业化,或者有待验证,需要进一步研究和开发。美国暖通空调的全年能耗换算成一次能源为., .比.。技术上节能的潜力是指暖通空调系统中全面使用该系统时,全年所能节约的一次能源。例如,当应用于非个人空调之外所有的供冷和通风以及新风加热时,全年所需一次能源为,其中供冷可以节约%,供暖可.一.以节约%,折算成全年一次能源可以节约。前一项的节能率为液体干燥剂空调机用于整个空调系统,后一项为仅用于一般中。?前一项的节能率为高温变相蓄冷系统应用于除个人空调以外所有的空调系统中时的节能率,后一项为仅用于冷水系统时的节能率。因此,辐射冷吊顶与独立新风系统相结合的辐射供冷空调方式必将成为建筑节能技术的重要组成部分,为建筑能耗的节省带来显著的经济效益。.研究目的和意义节能性和可靠性是辐射供冷空调方式进一步发展的两大方向。目前对于辐射供冷空调系统的节能性研究,主要集中在能耗数量的节省上。但是显热负荷由高温冷源承担的做法其实更多地体现了“能质匹配”的理念,而只反映能量数量变化的焓分析方法却不能对能量质量进行分析,这使得能耗研究无法从量质统一的层次得出客观正确的评价结果。而可靠性是该系统应用的前提条件,但辐射板表面结露是危害辐射供冷空调方式可靠性的首要问题,它极大地阻碍了该空调方式的发展应用。因此,亟待开展对辐射供冷空调方式在用能质量上的分析评价和防止结露措施的研究,以满足其应用的更深层次需要。本文的研究目的是:利用能够同时反映能量数量和质量关系的炯分析方法,对辐射供冷空调系统相关参数与用能效率的关系进行深入分析,为量质统一的节能研究找到有效途径。通过对结露本质的研究,提出判断辐射供冷空调方式适用与否的依据,找到控制结露的有效途径和可行措施,为该守调方式的推广应用提供可靠保障。课题研究可为辐射供冷空调方式的应用提供一定的理论指导和技术支持,对推动建筑节能事业的发展、提高建筑室内环境品质具有重要的意义,符合节能减排的国家需求。第章绪论.文献综述.辐射供冷空调方式的相关节能研究与常规空调方式相比,辐射供冷空调方式因为由辐射板承担大部分显热负荷而提高了冷水机组的蒸发温度,使用独立新风系统减少了新风负荷与风机能耗,更可使用地源热泵、冷却塔“免费冷却”等新技术,这些都使其具有很强的节能优势。对于辐射供冷空调方式的节能性分析,国内外学者开展了大量的研究工作,主要是从软件模型和实验测试两方面进行的。文献【】以宾夕法尼亚州立大学的一间工作室为对象,对/辐射供冷系统与空气侧带经济器的全空气系统进行了全年逐时能耗模拟的比较。由结果发现与系统相比,辐射空调系统的冷冻机能耗降低%,全年制冷负荷减少.%,水泵能耗增加一倍,风机能耗减少%,全年可节省总能耗%。文献】以美国中大西洋区包括特拉华、新泽西、纽约、宾夕法尼亚、马里兰等五个州,位于北纬.,濒大西洋沿海地区气候为背景,对型办公楼分别进行了辐射空调系统与系统的能耗模拟,结果表明辐射空调系统在供冷季可节能%,在供暖季可节能%,风机输送能耗可节省%,并且气候越暖和,空气输送能耗的节能潜力越人。文献选择美国九个城市从北纬.,涵盖美国九个气象分区,基本能代表美国本土的各种气候的办公楼作为模拟对象,结果表明辐射空调系统相对于系统的节能量从%不等,平均节能量为%,并且气候炎热干燥地区的节能效果显著于阴冷潮湿的地区。文献【 用建筑能耗模拟软件对使用辐射空调系统的香港某办公楼进行能耗分析,认为与全空气系统相比,辐射空调系统因空气输送量减少使风机能耗降低,因提高蒸发温度使冷水机组能耗节省。系统使用冷冻除湿可节省一次能源达%,而使用干燥除湿可节省%,进行全热回收还可节省%。文献对冷却顶板、全空气、风机盘管等种不同空调系统的用电量和运行费用进行了计算分析和比较,结果表明使用冷却顶板时,采用冷却塔免费供冷可以显著减少制冷用电,耗电量仅略高于变风量系统;使用冷却顶板可以依靠结构蓄冷,便于更多地使用夜间廉价的电力,运行费用要低于传统系统,设有冰蓄冷装置的系统则运行费更低。文献对东京某层办公楼的、层的典型办公室的冷吊顶系统进行了全年能耗模拟,同时采用实验方法对模拟结果加以验证,结果表明与全空气系统相比较,冷吊顶系统能降低%的能耗,可获得更小的垂直温差梯度,人体舒适感更佳,根据冷吊顶产品的市场价格,初投资回收期在年年不等。第章绪论法国的 搭建了一个水冷吊顶系统的试验间,进行/:了两个冬季和一个夏季的测试。在夏季供冷时,冷吊顶能提供/到的辐射能力,而冬季供暖时,能提供/到 /的辐射能力。在实验的同时还利用软件对实验模型进行模拟,模拟结果与实验结果比较吻合,表明冷吊顶能满足室内舒适度的要求,并能节省大约%的能耗。从以上研究内容可以看出,辐射供冷空调方式的节能性研究更多地采用了建筑能耗模拟软件的方式进行分析,兼以实验与模拟相结合的方式。这可能是因为对建筑物能耗的实测受到实际条件的限制,相对而言,能耗模拟具有受条件限制小,参数设置灵活,结果可信度较高等优点,因此被更多地使用。.炯分析方法的相关研究炯概念和炯分析方法发展至今已有一百多年的历史,迄今为止仍有尚需完善之处,但炯分析方法和炯经济方法在能量密集型企业中的广泛应用已产生了巨大的经济效益。早在世纪,汤姆逊和泰特就确定了热量包括有效部分和无效部分,并着重研究了闭口系统内能的有效部分。.在年研究了工程实践中意义重大的稳定物质流,计算了稳定物质流的最大有用功及不可逆过程中熵增与作功能力损失之间的关系。.首次明确提出取最大有用功环境为计算基准,将最大有用功称为有效能。年.为统一名称,将其称为,并得到公认。他指出能量的无效部分对热过程并非无效,因而重新定义能量的不可转换部分为妩,可转换部分为炯【。能量的转换部分一炯和不可转换部分?慨是针对技术上是否可转换为有用功而言的,这点正好符合技术经济的要求,将能量分为两部分,这也正是能量平衡方法和炯分析方法在过程热力学分析与热经济学分析上获得应用和推广的根本所在。从上世纪五十年代开始,有关炯概念的研究逐渐增多,其基础理论研究获得很大发展,相继提出了燃料的炯模型、环境模型等。到了七十年代世界能源危机以后,各国开始重视节约燃料、能源综合利用、能量利用总体化等问题,为解决这些问题,炯分析方法的研究日益重要。年.对炯效率进行了系统性的研究,提出正确合理的炯效率定义。年,杨东华提出了物质系统的炯和妩的统一表达式,从另一角度揭示了它们的物理本质,建立了四种工程意义。明确的炯效率定义,确定了各类热工设备在各种具体情况下的合理炯效率【年廖白霞等人提出了能量单元的概念,建立了串联、并联和逆联组合的目的炯效率【】。第章绪论在分析方法方面,除黑箱分析法外,近年来陆续有研究者提出一些设想,如厚死图法、法、法和村上模型等。在能级分析方面,年提出能级的概念。年杨东华提出能级平衡的思想,年又提出能级平衡理论。年吴幼奋运用能级平衡、匹配用能的原则,提出余热利用热利用、动力利用、综合利用的合理性关系式引。用炯传递方法研究炯的传递和转换规律,是经典热力学从热静力学向热动力学过渡的过程中产生的研究新领域。文献在阐述静态的炯分析方法特点的基础上,分析了炯传递的产生原因与发展现况,指出了炯传递的学科属性、研究目的和研究对象是多势场协同作用的过程炯传递。文献【】在炯传递系统物理模型的基础上,建立了通用炯传递方程,引用“炯阻的概念,以热力学与传输原理相结合的方法为基础,提出了用炯传递分析方法揭示传递过程中能质的变化规律。分析了通过平壁和圆筒壁的稳态焓炯传递,发现在传递过程中炯流密度是下降的,得出了炯阻不仅与材料的几何尺寸及热物理性质有关,还与其内部温度变化规律有关的结论。文献探讨了不同形式炯的转换过程的评价准则,建议采用焖转换强度、娴转换强率作为炯转换过程的基本评价准则,采用炯流密度、炯降率作为稳态炯传递过程的评价准则,采用炯流密度变化速率、炯降率变化速率作为非稳态炯传递过程的评价准则。文献从热传导的角度出发,讨论了传递的能量中炯的变化规律,推导出炯传导的通用数学方程式,并对炯妩传导过程中的物性参数进行了定义。文献】通过对对流换热过程中传热及流动特性的分析,建立了定量分析换热性能的炯损失率关系式,并以此为基础确定了各种基本换热过程在给定条件下的最佳使用范围,比较了各种换热方式的性能差异,为换热过程提供了综合性能评价的指标。文献【】建立了除湿转轮炯效率模型,运用除湿转轮传热传质数学模型和实验装置分析了通道中湿空气的炯效率,研究了影响炯效率及除湿性能的因素。文献】对表面式换热器进行了炯平衡分析,建立了煳平衡方程式,提出了炯效率表达式,分析了冷、热流体温度和流动阻力对炯效率的影响。文献对管壳式换热器进行了炯经济评价,提出了换热器的费用方程,求解得到管壳侧同时优化的参数,开发出相应的可用于设计的优化选型程序,并推导出最优传热温差的关系式。文献】计算了典型制冷装置冷量炯的价格,分析了相关影响因素,建立了制冷蒸发器优化设计的目标函数。并以氨制冷蒸发器为对象,计算分析了传热温差对费用的影响及其优化设计的意义,并得出了冷量炯的价格主要随电价的升高而增大且远高于热量煳的价格的结论。文献对制冷空调系统中湿空气的热力学过程进行了炯分析,认为进行空气调节的能量系统是高度不可逆的,其炯效率较低,但这同时表示其性能改进的第章绪论潜力很大。大量的炯损失正比与不可逆过程引起的熵增,可采用如低温热源、废热及可再生能源等的一次能源来加以改善。必须在计算中考虑到炯损失的环境成本,并与系统相匹配,以避免设备容量过大。文献对湿空气处理领域炯分析中已有的多种环境参考点的选取方法,如的环境模型、的环境模型、蛳境模型及郑丹星等提出的环境模型进行了综述,提出了适合空调工程的湿空气零炯参考点的选取方法。并利用炯分析方法对空调系统处理新风和处理同风的代价进行了比较,分析了蒸发冷却过程能够达到的热力学极限;同时根据炯平衡的方法,来获知过程进行的方向。任承钦】从空调系统特点出发,分析研究了炯分析方法在空调中的应用原理,建立了炯效率与炯效比的分析评价指标。分析了蒸发冷却过程能量及有用能转换的相互关系,阐明了湿空气炯作为蒸发冷却潜力的合理性,对蒸发冷却方案进行炯分析评价,指出了各种蒸发冷却方式的适用性与合理的使用原则,并对提高蒸发冷却过程有用能利用率的发展方向进行了探讨。.室内湿度控制与防止结露的相关研究室内湿度控制与其它室内污染控制一样重要,湿度过高或过低都将严重影响建筑物性能和居住者健康。湿度过低,人体会产生干燥等不适感,并有北欧学者研究发现,流感病菌在低湿度下生存率明显增加。湿度过高,一方面会造成墙体壁面及内部结露,降低墙体断热和耐久性,影响建筑物寿命【】;另一方面,还会带来霉菌的大量繁殖,引起过敏性皮炎、哮喘等疾病,影响居住者的身体健康。因此,对室内湿度进行控制,防止结露现象发生,是室内环境品质的重要内容。文献【】针对地板辐射供冷的结露问题,引入启动湿负荷的概念,利用房间初始露点、启动时间等参数计算确定启动湿负荷,通过编程得到了不同室内设计温度下根据除湿量和机组处理焓差来确定的除湿机组容量选用表。认为采用两级能量调节的除湿空调机组容量较大,但可保证新风量,能耗较低;采用新回风切换运行的除湿方式机组容量较小,但在启动阶段不能送新风,适用于连续运行场合。文献建立了在气流场、温度场之外,能够分析室内湿度分布、结露分布并计算结露量动态形成过程的计算模型,推导出自由水面热湿同时移动的计算新方法;通过与模型试验结果的比较,验证了计算模型的精确性;最后通过具体算例,发现通风方式对室内湿度分布和结露的形成影响很大,在室内湿度较大第自绪论的场合,可以通过通风方式的优化设训有效地解决除湿结露问题文献以典型办公审状况为研究对象,对湿空气中水蒸气的凝古 / 结进行了稳态分析.认为湿气均匀湿分布在人均 的辐射板上时, 幽:下薯 / 小时厉的凝结厚度为,而人./.头发的直径通常住.左右,即 歪要达到与人头发直径相等的冷凝厚度至少需要花费分钟。因此,等于或低于设计的人员密度,且 ”%;目问.钟正常工作时,是小会发生结圉 人数加倍后叉恢复到设计要求过程的含湿露的。当人员加倍后,房问内的含量变化湿量由稳态开始以指数形式升;当房问室内露点温度等于冷水温度时,人员突然叉恢复到设计条件,含湿量逐渐下降,但在此过程发现古湿量的下降过程要比之前的上升过程缓慢很多,如图所示。等曾对冷吊顶的结露过程进行实验,实验观察了一个所示。它极端的结露现象,如倒 ,自目;目显示了室内露点温度与辐射板壁面图 露点温度与睁吊顶壁面温度处于不同差温度之间处于不吲温差时,辐射板值,.小时后辐射板的挎凝状态表面在 小时后的结露形成状态。可以看到,在这样极端的叫问条件,露点温度与壁面温度之间的温差在和。 之间时,辐射板表面仍没有生成足够大地可以滴下的水滴。立献认为确控制冷吊项的壁面温度是避免结露的有效途径,提出了两种控制方法,一种足进水温度小变只改变流量,另一种是流量不变只改变进水温度。为防止结嚣,应安装室内空气露点温度控制器。发生结露危险时,要及时关闭冷吊顶进水阀门,并且冷吊顶的壁面温度至少要比宅内空气露点温度高。晋生使用对长波具有高透过性的薄膜包裹冷却顶板,并在顶板下表面和薄膜之间保留一真空或空气央层的方法,对困扰冷却顶板的结露问题进行了理论和试验研究。由于薄膜温度明显高于冷却顶板下表而温度而接近其周围室内空气温度。从而大大降低结露的危险,并减小冷却顶板形成的下降气流:同时薄膜的波透过性搬高,其对争却顶板与室内环境的辐射换热几乎无影响,能够保持第章绪论大部分的制冷能力。文献【】指出发生结露严重限制了辐射冷吊顶在热湿地区的应用,研究了冷吊项在香港使用时,室内相对湿度的变化规律,提出了应在冷吊顶开启前运行通风系统使室内空气露点温度降低。并且还指出要控制好建筑内压和渗透率,做好建筑的气密性,尽量减少室外空气的渗入。以上研究分别从模拟、实验测定、冷吊顶壁面温度设定、系统运行控制和改进辐射板装置等方面讨论了防止结露的方法,但尚未有从“设计一运行一管理”全过程角度来进行的研究。.研究内容和思路从前述分析可知,节能性和可靠性是围绕着辐射供冷空调方式应用的两个重要关键问题。节能性即能耗节省问题关系到该空调方式是否能被用好,可靠性即防止结露问题关系到该空调方式是否能被使用。本文将通过以下章节关系对它们进行深入研究。第章绪论介绍了课题背景、研究目的和意义,概述了国内外在辐射供冷空调方式节能研究、焖分析方法应用研究和室内湿度控制及防止结露研究等方面的相关发展现状,提出了从利用炯分析方法和揭示结露本质分析着手,分别深入研究能耗节省和结露控制的问题。第章介绍了炯的相关概念和炯分析的评定准则,分析了湿空气的炯值关系式,确定了对环境参考状态的选择,并对炯分析理论在辐射供冷空调方式中的应用进行了研究性探讨。第章对辐射供冷空调系统各环节设备?冷源、辐射末端、表冷器、全热交换器、水泵和风机等分别建立炯分析模型,对影响炯效率的各项参数进行综合分析,提出了使设备:丑效率改善的相应措施。第章以各设备炯分析模型为基础,构建了辐射供冷空调系统的整体系统炯分析模型,对系统中薄弱环节进行判断,采取相应改进措施,提出炯分析辨识能量系统的方法;并从能质匹配的角度出发,对辐射供冷空调系统显热负荷的分担率进行了评价分析,还对建筑物的热湿负荷发生变化时,空调系统应采取的对应措施进行了讨论。第章从揭示结露现象的本质入手,以均相凝结成核理论为基础,对湿空气中的水蒸气在辐射冷吊顶壁面的凝结过程展开分析,研究了气液分界面上凝结和蒸发的机理,建立了湿空气在冷吊项壁面凝结的传热模型,推导出水蒸气的凝结速率公式。第章绪论第章对辐射供冷空调系统处理热湿负荷的特性和不同建筑场所的散热散湿特性进行了深入分析,将两者的热湿需求从匹配的角度关联起来,分别从原则定性和指标定量两个方面对辐射供冷空调系统的适用场所进行判断分析,提出了全新的定量评判指标?“单位质量新风除湿指标”。第章从“设计一运行一管理”各环节紧密结合的思路出发,提出了结露的“全过程”控制策略,认为应在设计中选择合理的参数预防结露,在运行中采取正确的手段防止结露,在结露后实行有效的措施消除结露,并对各个时期的实施途径进行分析研究,找到具体可行的操作措施,建立起一整套的控制策略。第章为本论文的研究结论,并提出了下一步的工作方向和展望。第章湿窄气炳分析的理论研究第章湿空气炯分析的理论研究.炯的基本概念能量在转换时具有量的守恒性和质的差异性的两重性质,炯概念的提出解决了单独用一个参数从“量”和“质”两个方面来评价能量价值的问题,揭示了能量在传递和转换过程中的退化程度。在除环境外无其它热源的条件下,当系统由任意状态可逆地变化到与给定的环境相平衡的状态时,能够最人限度转换为有用功的那部分能量称之为炯】。不管哪种形态的能量,其所含的炯都反映了各自能量中“量和“质”相统一的部分,这样炯就可以被用来评价和比较各种不同形态的能量。因为炯不仅在一定程度上反映了能的“量”的大小,而且还反映了“质”的高低。热力学第二定律反映了能量转换的方向和程度,从炯的角度出发可将其表述为“孤立系统炯减妩增原理”【,即在能量转换的过程中,孤立系的炯值不会增加,妩值不会减少;只有可逆过程,孤立系的炯值和妩值才分别保持不变。孤立系炯的减少,不但表明了能量在数量上的损失,而且表明在质量上的贬值。所以“节能”更重要的是“节炯”,要充分和有效地发挥炯的作用,尽量减少不必要和不合理的炯损失,避免让炯白白地退化为妩。能量有多种形式,如机械能、电能、热能、动能、位能等:相应地,炯则有机械能炯、电能炯、热量炯、动能炯、位能炯等。根据物质的炯值与其总能量的关系,可将物质分为两大类。一类是炯值等于总能量的物质,称之为全炯物质,如机械能炯、电能炯、动能朋、位能炯等。另一类是炯值恒小于总能量的物质,称之为部分炯物质,如热量炯、冷量炯等。热量炯是指高于环境温度的系统,在给定环境条件下发生可逆变化时,通过边界传递的热量中所能作出的最大有用功。若以该系统作为热源,以环境作为冷源,设想在此热源与冷源之间有一系列微卡诺热机工作,以保证系统在放出热量的同时可逆地发生状态变化。系统向微卡诺热机提供万热量,根据卡诺热机的效率公式,这部分热量中对外作出的最大有用功为.儿旧卜当系统发生可逆变化时向一系列微卡诺热机提供的总热量为艿,其中第章湿空气炯分析的理论研究所能作出的最大有用功即热量炯为旺,?一等一丛式中,为环境的绝对温度,:丁为系统放热时的绝对温度,;丛为系统在可逆过程中的熵变化量,/。相应地,热量妩为.如一。卑丛如果系统温度低于环境温度,微卡诺热机在下自环境吸热阳,在丁下向系统放出热量万,与此同时,每个微卡诺热机对外界所能作出的最大有用功为泣,吧一斋按能量守恒关系式。艿,则晓,吧?一斋儿成,芋一?当系统发生可逆变化时吸收的总热量为,外界得到的最大有用功即冷量炯为晓,。芋一蛾一丛一骁相应地,冷量妩为.厶。绕.在研究炯的过程中,系统与环境之间的平衡非常重要,依其性质可分为约束性平衡和非约束性平衡。约束性平衡是指系统与环境达到热与力的平衡,系统与环境之间不发生任何质量的迁移,既不会发生混合与扩散,也不会发生化学反应,即不涉及浓度与组分变化引起的化学平衡问题。这时,环境只是作为一种无限大的妩源,其物质组成及其成分是无关紧要的。非约束性平衡是指系统与环境之间不仅达到了热与力的平衡,而且还达到了化学平衡。这时,环境的物质构成及其成分就至关重要了,因为不仅要求系统的温度与压力应等于环境的温度与压力,而且系统的物质组成也应与环境的物质组第章湿宅气炯分析的理论研究成有相同的部分。这种情况下的环境,就不仅作为提供或蓄积妩的无限大能源,而且还是一种无限大的物质源。对应于系统与环境之间的两类平衡,可以把炯分为“物理炯与“化学炯”。物理炯是指系统经可逆物理过程达到约束性平衡时能最大限度转换为有用功的那部分能量。化学炯是指系统与环境之间由约束性平衡经可逆物理过程与化学过程达到非约束性平衡时能最大限度转换为有用功的那部分能量。显然,处于任意状态的系统,相对于非约束性平衡所具有的炯应包括从任意状态,到约束性平衡尹,矿时的物理炯岛以及从约束性平衡变化到非约束性平衡时的化学炯,即任意状态下系统的炯等于.色巨.湿空气的炯空调领域研究的对象是湿空气,而湿空气的状态是由温度和相对湿度来表征的。在湿空气的处理过程中,不仅存在热量的传递,同时也存在湿量物质的传递,这使得湿空气的炯分析变得较为复杂。从上世纪年代开始,就有很多学者采用煳分析的方法处理空调领域的问题,但得到的结果并不能很好地解释空调系统中能量转换的实际现象,也不能对进一步提高系统用能效率给出指导性意见。究其原因,主要在于进行炯分析时环境状态点的选择至今尚无统一的规定,而炯分析的结果却对于环境状态的选择有很大的敏感性】。两个任意给定的湿空气状态点之间的炯差值与环境状态点的选择密切相关,所以合理选择环境状态是炯分析的关键问题之一。关于炯分析环境状态选择的讨论从未停止过,至今已经提出了许多环境模型来确定环境状态,如的热力学平衡模型【、的自然基准物质体系环境模型【】、龟山.吉田模型【】和模型【】等。虽然这些模型并非专门针对湿空气的,而是涵盖了能源、化工和材料等诸多领域,但仍有较大的参考价值。按照空调领域对湿空气的关注方面,大致可将环境状态的选取分为三类:取环境大气参数为环境状态点,如等选择的标准室外工况作为湿空气的环境状态,推导得到湿空气的炯值表达式,并分析了几个基本的湿空气处理过程。取环境大气平均气象参数为环境状态点,如提出考虑室外状态。的波动,取某一时段平均气象参数为炯分析的环境状态点【取环境温度下饱和空气状态为环境状态点,如任承钦在分析问接蒸发冷却系统时采用室外状态的饱和点作为环境状态点【】。第章湿空气炯分析的理论研究空调系统工作的环境为室内外的空气和水,它与外界之间既有能量交换也有物质交换。在实际的湿空气处理过程中,液态水可被认为是无代价的,当作环境中无限大的质量源来考虑。自然界中空气作为无限大的热量源与液态水作为水蒸气源同时存在,但这两者在环境中却往往未能达到热力学平衡态,即环境空气通常是不饱和的。当不饱和空气与水接触后,会自发发生水向空气中蒸发、空气趋向饱和的过程,这种自发过程的终点就是室外温度下的饱和湿空气状态。该饱和状态是热量源和质量源的平衡状态,应取为空调工程中湿空气炯分析的环境状态点,该点是水与空气这两个无限大源相接触所能实现的熵值最大的点。若环境状态参数表示为:大气压力,环境温度,环境温度下饱和含湿量扩/。空调工程中的湿空气可看成干空气和水蒸组成的理想混合气体,任意状态,丁,的单位质量湿空气的炯值表达式为,丁。斋一?斋.专,。 /, .篇.万式中,.。为干空气的定压比热,取./?;%,为水蒸气的定压比热,取./?;尺。为干空气的气体常数,取./?;,为水蒸气的气体常数,取./?。从式.可以看出,湿空气的炯值由三部分组成:第一项代表热量煳,这是由于温度不同而具有的煳,反映了系统温度与环境温度不平衡时所具有的有用能;第二项代表机械炯,这是由于压力不同而具有的炯,反映了系统压力与环境压力不平衡时所具有的有用能,在恒压开式系统里,该项为零;第三项代表扩散炯,这是由于湿度不同而具有的炯,反映了系统湿空气含湿量与环境状态下湿空气含湿量不相等时所具有的有用能。由式.可知,热量焖和扩散炯只能大于或等于零,而机械炯可正可负。如果将温度低于环境温度的空气进一步冷却或将温度高于环境温度的空气进一步加热,则热量炯增加,必须消耗其它有用能;反之,则释放出有用能。如果空气的含湿量低于环境状态下的含湿量且还须进一步除湿,或者空气的含湿量高于环境状态下的含湿量且还须进一步加湿,则扩散炯增加,亦必须消耗其它有用能:反之,则释放出有用能。当有用能被释放时,应结合实际尽量采取回收利用的措施。第章湿空气炯分析的理论研究.炯损失与炯平衡炯的概念及理论的重要意义,不在于计算出物流或能流在某个状态的炯值,而是在于由状态炯计算入手,进一步研究各种实际过程的炯变。过程炯变的计算及分析,即过程的炯分析,是以系统的炯平衡原理为基础的。为了建立炯平衡方程,必须引入不可逆过程的炯耗散与系统对环境的炯排放损失【的概念,简称为炯耗散和炯损失。对炯分析来说,只有在计算出系统的各项炯损后,才能揭示出系统中各能量项之间的炯平衡关系。炯平衡方程的应用,关键在于炯损失的计算,焖分析的实质从某种意义上说也就是对娴损失的计算及分析。炯损失与炯耗散炯损失与能量损失是两个性质完全不同的概念。能量损失是指未能有效利用的能量,它只不过是在能量的传递过程中,一部分能量由其可被利用的形态,转化为不能利用的形态而已,并不是能量的真正消失。但在一切实际过程中,炯在传递中的确有一部分被耗散了、消失了。现以温差不可逆传热为例来加以说明。设有么、占两物体,温度分别为和瓦,且瓦毛。现使两物体在绝热条件下直接接触,便有热量从彳传向。根据能量守恒定律,彳传出的热量应等于获得的热量,传热过程中并未发生能量损失。再由热量炯的定义式,可知彳给出的热量炯为, 尹、. 一 /获得的热量炯为, 、.绋 一/由于瓦,则.。这表明尽管彳给出的热量与占获得的热量相等,但是么所传出的炯中有一部分在过程中消失了,或者说转换为妩了。这种能量在传递过程中由于不可逆性引起的炯消失现象称为炯耗散,本文在后面将统一称为内部炯损。任何一种能量系统,不仅在系统内部有各种能量传递现象,而且在系统与外界之间也存在各种能量交换。由于能量系统与环境之间的相互作用,致使一部分炯散失到环境中,而完全失去了作功能力成为妩,这是名符其实的炯损失,本文在后面将统一称为外部炯损。.砌。在一个能量系统中都会存在多种内部炯损和外部炯损,因此该能量系统的总炯损可以表示为第章湿空气炯分析的理论研究.疋.。.哪焖平衡原理在任何实际能量系统或任何实际过程中,总是存在着这样或那样的不可逆性。因此,在一切实际过程中,必定伴随着炯向妩的转化,即炯只会减少不会增加,而妩只会增加不会减少。对于过程中的任意状态,总有.将该式应用于过程中的状态和,则有最如于是,。如如移项得,%一。一如一以:一。对于微元过程,上式可写成.峨以式.和式.就是关于过程的炯平衡方程。在能量传递过程中,过程物系的炯减量恒等于它的妩增量,这就是关于过程的炯平衡原理。它实际上给出了过程进行的条件,可用来判别过程进行的方向。设输入系统的炯为最蛔,系统的有效输出炯为盯,内部炯损最哳,外部炯损。哪,它们的关系如图.所示。并可得图.能量系统的煳平衡模型.。民.民,哪这便是能量系统焖平衡方程的一般形式。该炯平衡方程表明,输入系统的焖恒等于系统的有效输出炯与系统的各种炯损之和。若系统有多股输入炯和多种内部炯损与外部炯损,则式.可改写为,&刚&。,氏嘶。