温湿度独立控制系统气流组织的比较

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资料等级:温湿度独立控制系统气流组织的比较
发布时间:2016-1-20
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温湿度独立控制系统气流组织的比较
1前言
目前的中央空调系统通常采用传统的温湿度同时控制的方式,这种空调方式存在两个主要问题:一是冬夏季无法共用一套空调系统,造成初投资较高;二是由再热损失、大循环风量、制冷机低效率运行等问题导致空调能耗较高[1]。基于这些弊端,有学者提出了温湿度独立控制的室内环境控制方式[1],将建筑物降温和除湿这两个任务分开,温度控制系统只负责排除室内余热,而湿度控制系统排除室内余湿。
这种新的空调形式将向室内送入干燥新风以去除余湿,由于其送风系统仅为满足新风和除湿要求,如果按照人均新风量30m3/小时,每人占地10m2,层高3m,则换气次数约为1次/小时,需要的风量远小于传统空调形式下的送风量。而室内人员、发热设备等产生的余热则通过干式末端控制,如辐射板和干式风机盘管。本文以清华大学节能示范楼这一实际工程为例,采用计算流体力学(CFD)的方法对辐射板结合地板送风的空调系统进行模拟,并对辐射顶板和辐射侧壁以及室内人员负荷增加的工况进行了模拟分析,对气流分布、温度分布以及热舒适指标进行全面的比较,从而选择确定适于温湿度独立控制的气流组织形式。
2模型建立
模拟房间尺寸为长×宽×高=6.1×5.7×2.8m,它位于清华大学节能示范楼三层南侧,是典型的办公建筑格局。该房间均布4块送风地板,尺寸为600mm×600mm,于房间壁面近顶板处布置一尺寸为200mm×400mm的回风口,每人保证35m3/h的送风量(送风参数:26℃,9.1g/kg干空气)。人员负荷的空间分布给出了设计人员负荷和人员负荷增加两种情况:设计人员负荷时,室内有6名静坐人员,每人散热量为104.67W;考虑到办公室的人员流动,增加6名办公者,均匀站立于房间中,散热量亦为104.67W。每人散湿量为184g/h,假定散湿集中在人员头部。辐射板的安装位置也选择了辐射顶板和辐射侧壁(此工况为了保证辐射板面积与其它情况一致以便于比较,在近辐射侧壁的顶板也安装了辐射顶板)两种情况,总辐射板面积均为34.8m2,此为辐射板满布的理想情况,实际工程中由于灯具、结构等需要,辐射板不可能实现满布。4种工况的说明如表1所示:
表1工况说明
根据以上条件,建立的模型如图1所示:
3模拟结果及分析
采用商用CFD软件Fluent数值求解了室内空气湍流流动的控制方程(质量、动量、能量和水蒸质量守恒方程),湍流模型为k-ε模型,计算网格为90×45×65,辐射模型采用facetoface模型。经过计算得到室内气流和温度分布,以及相对湿度、PMV(PredictedMeanVote,预测热舒适投票)的分布,并针对室内设计负荷与人员负荷增加的情况作了比较,具体结果见下面的图表。
3.1辐射顶板
对人员工作区的温度,湿度及舒适性进行了分析,并针对辐射顶板附近是否含湿量过高导致结露的问题进行了研究。截取了2个人员工作区竖直断面的温度分布(图2),观察发现,除人员上方区域由于人员散热,热空气上升,温度较高外,主要呼吸区域温度基本维持在26℃左右,顶部由于辐射顶板中通入冷水降温,将顶板表面温度设定为20℃,因此接近顶部的地方温度有所降低。考察人员呼吸区水平截面(1.3m高处)的相对湿度(图3),基本在50~60%,符合设计要求。
3.2辐射侧壁
考虑到室内含湿量随高度方向而升高,近顶板处空气含湿量最高,将辐射板布置于顶板,顶板有可能出现结露问题。下面对将辐射板布置于侧壁的情形进行模拟,为了保证与辐射顶板工况的辐射板面积一致,在靠近辐射侧壁的顶板处仍布置了辐射板(图1(c))。
观察工作区温度,比辐射板安装于顶部时普遍要低,大约在25℃左右,这是因为安装于侧壁的辐射板与工作区的换热更直接,当辐射板安装于顶板时,人体还需要与工作区上方空间换热,所以辐射板布置于侧壁有利于热交换。人员呼吸区空气相对湿度也保持在要求范围内。
3.3人员增加的控制效果
对于实际的办公室,存在着人员流动,当室内人员负荷加倍时通过控制手段是否仍然可以保证室内环境舒适,下面对辐射板布置于顶板工况中,设计负荷与人员负荷增加的模拟结果作一比较。
室内人员负荷增加后,需要降低辐射板供水温度来去除更多的余热,相应的新风量也要增加以去除余湿。在室内余湿增加的同时降低供水温度,若新风量的改变不能及时去除室内余湿,最容易出现顶板结露的问题。因此,当前气流组织在辐射板附近的相对湿度分布情况是关心的重点。以工况1和2为例,辐射顶板附近的湿度分布如图6所示。从图中可知,在温湿度独立控制系统中,去除室内湿负荷的干燥新风从地板风口送出,吸收室内余湿后从侧壁上方回风口排出,故室内上方空间湿度较高,在顶板附近的区域,相对湿度基本在60~70%,远离回风口的墙角处,由于空气不易排出,相对湿度更高,达到了70%以上,但不超过85%,尚没有结露的危险。
进一步结合湿度和温度考察人体热舒适的感觉,图7给出了两个工况计算的PMV分布,用于判断气流组织对人体热舒适的要求。从图中可知,两种工况下,人员附近PMV值
也在0(适中)~1(微暖)范围内,满足要求。
图8给出了在工况1、2中空气温度,相对湿度沿高度方向变化情况。模拟结果表明,当人员负荷加倍之后,降低辐射板供水温度可以有效地控制室温,但加倍的风量并不能有效地去除增加的余湿,各个高度点的相对湿度明显增加,尤其是顶部辐射板结露可能性增大。这主要是由于人员负荷增加后,热羽流作用明显,人员头部区域空气速度增加,遇到更冷的辐射顶板后,产生了较为明显的回流,使得余湿不容易被排走。因此,当人员数量增加之后,风量提高的比例要比人员提高比例增大一些,这样才能避免顶板结露的危险。

 

编辑评价
目前传统空调存在的初投资大、能耗高等问题使得温湿度独立控制的新型空调系统出现。本文以清华大学节能示范楼为例,通过计算流体力学(CFD)的方法,模拟了采用辐射板结合地板送风的温湿度独立控制系统的空调方式时的室内气流、温度分布及热舒适指标情况,并针对室内人员负荷变化的工况做了比较分析。通过模拟认为辐射板与地板送风相结合的方式在实际工程中是可行的,为温湿度独立控制系统送风系统的设计提供了一定依据。
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