毛细管平面辐射空调系统.ppt

一种新型节能空调系统-毛细管平面辐射空调系统,李永安山东建筑大学,毛细管辐射空调原理特 点结露问题分析辐射顶板的传热数学模型热舒适性研究数值模拟及结果分析实验研究结论,主要内容：,一、毛细管辐射空调原理,毛细管网模拟自然界中植物叶脉和人体皮肤下的毛细血管机制.,毛细管外经3.5-5mm,壁厚0.9mm.,毛细管平面空调系统示意图（1.金属面板；2.石膏板；3.矿毛绝缘纤维；4.毛细管网栅；5.接头）,毛细管空调系统的组成:热交换器带循环泵的分配器温控调节器毛细管网,设计参数:一般夏季供/回水温度为18/20,冬季供/回水温度为30/28以水或其它介质传递热量,以辐射方式调节室温.,返回,二、特 点,美国能源部(DOE)推荐的15项空调节能技术毛细管系统名列榜首新风全热交换器空调系统诊断技术变冷媒流量空调系统空调模糊控制系统高温相变蓄冷技术,山东省科技攻关计划:2005GG3208010 住宅建筑的生态化与节能关键技术研究与示范山东省科技攻关计划:2008GG30006005 毛细管平面辐射空调关键技术的研究与示范 山东省自然科学基金：ZR2011EEM030 毛细管平面辐射空调系统机理研究,特 点,节能 实现建筑用能的“品位对应,温度对口,梯级利用”夏季，冷冻水供水温度由原来的7，提高到18 左右 冷水机组的COP则有原来的 5提高到10左右,本课题组研究表明，在舒适度相同的条件下，毛细管平面辐射空调房间室内计算温度比传统空调房间在冬季（夏季）供暖（冷）时低（高）1.6左右,舒适度高 世界卫生组织定义：高舒适度标准：温差小于10 传统风口送风：是点热（冷）源与室内空气换热 毛细管：面热（冷）源与室内空气换热，温度场均匀，垂直温度梯度小 辐射换热舒适程度大于对流换热,无噪声 风机盘管噪声:FP-5，39dB(A)；FP-10，46dB(A)毛细管：室内没有吹风感，无风机噪声，在国外，称为“静音制冷系统”,布置灵活 毛细管可以敷设在天花板上，也可以敷设在墙面上，还可以辐射在地面上 为了灯具、烟感报警等设备的安装，可以将毛细管在铺设时，方便地拉开,冷源多样化 夏季，由于毛细管供水温度较高，可实现多种冷源形式供冷：高温冷水机组、地下水、冷却塔直供等,占用建筑空间少 由于毛细管直径小，所以，对建筑层高影响小 毛细管系统十分薄，可以完全与房间围护结构表面形成一体,保护环境 毛细管格栅材料(聚丙烯)可以100%回收再循环利用 毛细管内的介质是水，没有任何污染,表面温度要求高 冷却吊顶的表面温度要高于室内空气的露点温度，否则，吊顶表面就要结露,返回,三、结露问题分析,凝露的形成是一个极其缓慢的过程，随着现在自动控制技术的发展和辐射供冷研究的不断改善，凝露问题不应该成为阻碍冷却顶板的推广发展的障碍。可采取的控制措施有：在辐射板表面贴附敏感元件监测辐射表面温度，来控制进水温度。,返回,四、辐射顶板的传热数学模型,传热数学模型的假定、简化,联立上述方程，编写MATLAB计算程序，进行求解。由于辐射板表面平,通过上面计算模型可见：影响冷却顶板性能的因素有冷水供回水温度、水流速度、管内外径、管道材料、粘结剂导热系数、顶板材料、板厚、管间距。,无论其它结构参数如何变化，冷水供回水温度的降低，都将成倍提高冷却顶板的冷却性能。这是因为使冷却顶板表面平均温度降低，增加换热量所致。但是冷媒入口温度由于结露问题的限制，不能无限减低，一般要比室内露点温度要高（一般在16以上）。,冷水水流速度的增加可以使管内对流换热系数增大，从而提高冷却能力。但是同时泵的能耗也随之增大，以及带来噪音，因此水流速度不宜过大。,返回,五、热舒适性研究,1.热舒适性的评价方法（1）热舒适方程（1）,热舒适性研究,（2）PMVPPD指标该指标综合考虑了人体活动程度、衣着热阻(衣着情况)、空气温度、平均辐射温度、气流速度和空气湿度等六个因素。预测平均评价指标PMV表达式为：,（2）,PMV 热感觉标尺,预期不满意百分率PPD指标表达式为：,PPD表示对热环境不满意的百分数,热舒适性研究,毛细管平面辐射空调房间示意图（1辐射平面；2外墙；3、4、5内墙；6外窗；7地板；8门）,2.毛细管辐射空调房间热平衡数学模型,热舒适性研究,房间各表面热平衡方程的通式为：式中：窗与外墙的单位面积导热量，J/m2；第表面的对流换热系数；室内空气的平均温度，；、分别为第i和第k维护结构内表面温度，；内热源单位散热量,J/m2；为维护结构表面和之间的辐射换热系数W/(),（4）,热舒适性研究,3.计算结果分析(1)计算参数的确定：M取值为58.15W/m2（相对静坐）；人体机械效率取值为0；服装的基本热阻：夏季 0.5clo、冬季1.0clo；室内风速的取值：夏季0.2m/s，冬季0.1m/s；平均辐射温度：用围护结构内表面积加权平均值来计算。,热舒适性研究,平均辐射温度每升高1，PMV值升高约0.190；而空气温度每升高1，PMV值升高约0.111。,平均辐射温度对舒适性的影响,空气温度对舒适性的影响,(2)冬季工况下平均辐射温度对热舒适性的影响,热舒适性研究,(3)毛细管平面辐射空调房间计算温度探讨 冬季工况下毛细管平面辐射空调与传统空调房间的热舒适性比较,冬季工况下两种空调房间的PPD曲线图,热舒适性研究,冬季工况下两种空调房间的PMV计算值,注：上行为毛细管平面辐射空调房间的PMV值，下行为传统空调房间的PMV值,热舒适性研究,冬季工况下两种空调房间的PPD计算值,注：上行为毛细管平面辐射空调房间的PPD值，下行为传统空调房间的PPD值,热舒适性研究,由以上研究可以得出，达到最舒适点(PMV=0)时，毛细管平面辐射空调房间的空气温度为21.6，与传统空调房间的空气温度相比，两种空调房间的温差为1.6。通过分析两表中的数据可以得出，冬季供暖时，在一定的相对湿度下，若要达到相同的热舒适效果，毛细管辐射空调房间的空气温度比传统空调房间的低1.6左右。,热舒适性研究,夏季工况下两种空调房间的PMV比较图,夏季工况下毛细管辐射空调与传统空调房间的热舒适性比较,热舒适性研究,夏季工况下两种空调房间的PMV计算值,注：上行为毛细管平面辐射空调房间的PMV值，下行为传统空调房间的PMV值,热舒适性研究,夏季工况下两种空调房间的PPD计算值,注：上行为毛细管平面辐射空调房间的PPD值，下行为传统空调房间的PPD值,热舒适性研究,夏季供冷时，在一定的相对湿度下，若要达到相同的热舒适效果，毛细管辐射空调房间的空气温度比传统空调房间的高1.6左右。结论：毛细管辐射空调房间冬季供暖的温湿度范围为：温度1620，相对湿度为30%60%；夏季供冷的温湿度范围为：温度2628，相对湿度为50%65%。,返回,六、数值模拟及结果分析,1.物理模型的建立及边界条件的设定(1)物理模型的建立,模拟房间的几何构造及室内布局,数值模拟及结果分析,网格划分计算所采用的模型为室内零方程模型。网格数目大约在14万。,网格划分情况示意图,数值模拟及结果分析,(2)边界条件的设定室外计算参数的设定：济南市夏季室外计算干球温度：34.8、湿球温度：26.7,平均风速2.8m/s。围护结构边界条件的设定：设定外墙为定热流边界条件，热流密度为7.0W/m2。外窗:传热系数为3.3W/（m2.k），面积是3m1.8 m。玻璃外窗为南向，太阳辐射热负荷为59.05 W/m2，通过玻璃的总的热流密度为81.23 W/m2。毛细管辐射平面:供水温度为18时，考虑2温差，出口温度为20，因此顶板表面平均温度为19。送风口边界条件的设定：模拟中采用总送风量为216m3/h，送风面积为0.15平方米，送风风速为0.4m/s。,数值模拟及结果分析,2.夏季工况下模拟结果分析(1)室内温度场的计算结果与分析,X=1.6m截面上的温度分布图,Z=-2m截面上的温度分布图,Y=0.1m截面上的温度分布图,Y=1.1m截面上的温度分布图,数值模拟及结果分析,X=1.6m截面上的速度分布图,Z=-2m截面上的速度分布图,Y=0.1m截面上的速度分布图,Y=1.1m截面上的速度分布图,(2)室内速度场的计算结果与分析,(3)室内CO2浓度场的计算结果与分析,Z=-2m截面上的CO2浓度分布图,Y=1.1m截面上的CO2浓度分布图,Y=1.75m截面上的CO2浓度分布图,数值模拟及结果分析,送风口位置对室内温度场的影响,送风口在地面时X=1.6m截面上的温度分布图,送风口距地面0.1m时X=1.6m截面上的温度分布图,送风口距地面0.6m时X=1.6m截面上的温度分布图,送风口距地面3.0m时X=1.6m截面上的温度分布图,(4)送风口位置对室内温度场、速度场和二氧化碳浓度场的影响,数值模拟及结果分析,送风口在地面时Z=-2m截面上的温度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m截面上的温度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m截面上温度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m截面上的温度分布图,数值模拟及结果分析,通过与其他送风方式比较，可以得出，送风口位置在屋顶（距地面3m）时，室内垂直方向的温度分布没有出现明显的分层现象，工作区区域温度梯度较小。而送风口位置在下部时（在地面上、距地面0.1m、0.6m）室内温度出现明显的分层现象，下部温度较低，上部温度较高。送风方式可以改变室内温度的分层现象。,数值模拟及结果分析,送风口在地面时X=1.6m截面上的速度分布图,送风口距地面3.0m时X=1.6m截面上的速度分布图,送风口在地面时Z=-2m截面上的速度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m截面上的速度分布图,送风口位置对室内速度场的影响,数值模拟及结果分析,送风口的位置可以改变室内速度场的分布情况。且除了送风口及热源附近风速较大外，其他区域风速均在0.3m/s以内，满足舒适性要求。所以为保持人员呼吸区空气新鲜，送风口的最佳位置是在屋顶（距地面3.0m）。,送风口在地面时Z=-2m截面上的CO2浓度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m截面上的CO2浓度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m截面上CO2浓度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m截面上的CO2浓度分布图,数值模拟及结果分析,送风口位置对室内CO2浓度场的影响,数值模拟及结果分析,通过上面的数值模拟可以得出，夏季工况下当送风口的位置分别在地面、距地面0.1m、距地面0.6m时，气流混浊区出现在人员呼吸区位置，为解决呼吸混浊区，送风口的最佳位置是在屋顶（距地面3.0m）。,3.冬季工况下模拟结果分析,(1)送风口位置对室内温度场的影响,送风口在地面时Z=-2m截面上的温度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m截面上的温度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m截面上的温度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m截面上的温度分布图,数值模拟及结果分析,送风口位置距地面高度为0.1m时，工作区区域温度梯度较小，工作区区域垂直温度差约为0.8；送风口位置在房顶（距地面3m）时，室内上部温度较高，下部温度较低，而且低温区域面积较其他几种送风方式大，工作区区域垂直温度差约为1.6。送风口最佳位置为距地面0.1m处。,送风口在地面时Z=-2m截面上的速度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m截面上的速度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m截面上的速度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m截面上的速度分布图,数值模拟及结果分析,(2)送风口位置对室内速度场的影响,送风口在地面时Z=-2m截面上的CO2浓度分布图,送风口距地面0.1m时Z=-2m截面上的CO2浓度分布图,送风口距地面0.6m时Z=-2m截面上CO2浓度分布图,送风口距地面3.0m时Z=-2m截面上的CO2浓度分布图,数值模拟及结果分析,(3)送风口位置对室内二氧化碳浓度场的影响,数值模拟及结果分析,由送风口的位置对冬季工况下室内温度场、速度场和CO2浓度分布场的模拟结果分析可以得出，送风方式可以改变室内温度、速度和CO2浓度的分层现象。冬季工况下，对于室内温度场、速度场和CO2浓度分布场的综合考虑送风口最佳位置为距地面0.1m处。,返回,七、实验研究,实验对象描述“海御19”国际公寓，即位于“最适合人类居住地方”的旅游避暑胜地威海的国际海水浴场的中心位置，2800米天然黄金沙滩旁，具有罕见世界级湾岸环境资源。海御19总建筑面积63000平方米，地上19层，地下1层，由七个单元组成，共336户，地下停车位400个。在第三届中国威海国际人居节中，将海御19作为“绿色节能建筑”的示范工程。本次实验测试为两个样板间。样板间1为别墅版复式三房三厅三卫，面积为260m2，建筑物本身为游轮建筑，样板间2为回归经典两房两厅一卫，面积为118m2。,毛细管空调系统的实验研究,建筑外观图,实验研究,2.实验方法及仪器(1)实验方法测试为夏季阶段进行，测试时间为2007年7月20日7月31日;2008年8月1日-2008年8月5日，测试每天进行，每半小时测量一次并记录实验数据。测量时间内，天气以晴为主。室内空气温度测量，在垂直方向取7个点，分别为地板上方0.1m、0.3 m、0.6 m、1.1 m、1.7 m、1.8 m、2.0 m。墙壁与屋面温度的测量：各壁面温度用红外测温仪测试，每面墙均匀取三个测点,取其平均值。,实验研究,(2)实验仪器,实验研究,实验室室外气温变化图,实验室室外相对湿度变化图,3.实验结果分析,实验研究,实验室1室内与室外温度变化曲线图,实验室2室内与室外温度变化曲线图,实验室1室内与室外相对湿度变化曲线图,实验室2室内与室外相对湿度变化曲线图,实验研究,实验室1内不同高度气温变化曲线图,实验室2内不同高度气温变化曲线图,实验研究,由上面的图可以得出，实验室1内的0.1m高度处的温度为22.7，1.1m高度处的温度为24.1，温差约为1.4。实验室2内的0.1m高度处的温度为22.2，1.1m高度处的温度为23.3，温差为约1.1。一天内，室内的相对湿度变化较小，实验室1内的相对湿度维持在50%左右，实验室2内的相对湿度维持在55%左右。,实验研究,实验室1室内不同高度气温变化曲线图,实验室2室内不同高度气温变化曲线图,4.实验结果与数值计算对比分析,实验研究,通过对比实验数据与模拟计算结果，毛细管平面辐射空调与置换通风相结合的复合空调房间的实测值与模拟计算值的变化趋势基本一致。,返回,八、结论,1、建立空调房间湿度控制数学模型，即使在极端不利的情况下，凝露的形成仍是一个极其缓慢的过程。通过现有的控制技术完全可以有效的避免结露现象的发生。2、平均辐射温度单位改变量会引起较大的PMV值的改变，它对人体热舒适性影响要大于空气温度的影响。3、通过与传统空调对比，在舒适度相同的条件下，得出毛细管平面辐射空调房间室内计算温度比传统空调房间在冬季（夏季）供暖（冷）时低（高）1.6左右。,结 论,4、对毛细管平面辐射空调加通风系统的复合空调系统房间进行数值模拟。夏季工况下：综合考虑工作区的垂直温差和气流混浊情况，得出送风口的最佳位置是在屋顶（距地面3.0m）。冬季工况下：若综合考虑室内的温度梯度和气流混浊区，送风口的位置应在距地面0.1m处。,5、以威海“海域19”公寓的毛细管平面辐射空调加置换通风的复合空调房间样板间进行实验测试、并与数值模拟值进行了对比分析。结果表明，理论计算值与实测值基本吻合。,返回,祝同学们 学习进步 健康成长！,