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工位辐射空调系统舒适性及能耗工程研究

论文编号:lw201806241809334348 所属栏目:工程硕士论文 发布日期:2018年06月26日 论文作者:www.51lunwen.com
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第 1 章 绪 论

1.1 研究背景
科技与社会的进步使得人们的生活水平逐步的提升,而随着人们生活水平的逐渐提升,能源的消耗也随之不断增加。我国既是一个资源大国,又是一个资源小国,我国的总资源含量丰富,但人均资源占有量很小,日趋严峻的能源消耗问题已然成为我们目前急需解决的首要问题。据相关资料统计表明,近十年来,在我国总能源消耗中,建筑能耗占社会总能耗的 20%-25%,中国建筑运行总能耗高达 7.56 亿吨标准煤,占全国总能耗的 19.50%。而在建筑能耗中,空调系统能耗约占建筑能耗的 40~60%[1]。人口增长、城市人口密度增加、空间的组织架构、经济发展、建筑的改造与运行以及人们的居住行为等等,都与能源的消耗息息相关。因此,对建筑能源的消耗领域及其影响作更深层次的分析显得尤为重要。我们需要找到更为整体,有效的能源消耗策略来节能降耗。当今社会,人们对生活环境舒适的要求日趋提升。因此,越来越多的空调建筑拔地而起,空调节能对降低能源的消耗和减少环境污染有着举足轻重的意义。对于一个空调系统而言,创造一个更舒适的建筑环境,往往意味着需要更多的能源消耗。于是,寻找一种既节能且又能满足人们对热舒适要求的空调系统,成为了暖通空调专业研究的重要课题和任务之一。为何传统空调的能源消耗巨大?其主要原因在于传统空调系统将整个室内环境的空气都进行加热或者制冷到一个绝大多数人感到舒适的温度。而其中像房间上半部分以及一些角落等房间内不经常使用或者不会被使用到的区域,也都被空调系统加热或制冷至和人经常活动的区域一样的温度,这自然就导致了大量的不必要的能源浪费。为了节省能源,设计师们往往会对一些高大建筑,例如:体育馆、音乐厅、工厂、戏剧院等进行分区或者分层空调系统的设计[2, 3]。但是,一般的居住或者商业建筑层高往往普遍较低,分区或者分层空调系统在此类建筑中并不适用。因此,如何在满足人们舒适要求的同时,节约能源的消耗成为我们值得深思的问题。
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1.2 文献综述

1.2.1 辐射制冷技术
辐射制冷技术在我国的历史悠久,早在我国秦汉时期,古人就利用了冰块来对房间进行降温从而实现辐射供冷;在汉代,更出现了以烟气为媒介进行采暖的辐射采暖设备[4]。关于现在的辐射制冷技术,则是在 2000 年以后。2001 年,哈尔滨工程大学的马景骏、孙丽颖[5]等人对比分析了相同房间中的冷却吊顶供冷系统与常规空调供冷系统的热舒适性,确定了两个系统之间的差异。2002 年,王子介、夏学鹰等人进行了地板辐射供冷的可行性研究分析[6],表明由于辐射供冷会受到露点温度限制,因此对其推行应当慎重。若将空调和辐射供冷进行结合运用,则可以在加强地板供冷效果的同时改善室内的空气品质以及热环境。2008 年,赖艳红[7]研究了毛细管和金属辐射冷顶板的换热机理,并用实验对研究进行了验证,研究结果表明影响辐射冷顶板换热的因素可分为两大类,一类为顶板特征因素,另一类为工作条件因素;张佩东[8]研究了辐射冷顶板与置换通风系统的动态响应特性,表明辐射顶板结合置换通风的复合空调系统具有较好的流动性,可以提供更大的单位面积供冷量;左涛等人[9]研究了辐射冷顶板和独立新风系统与气候之间的相关性,认为使用地区具有以下特点:炎热的气候、干燥、光照时间长、显热冷负荷占总的冷负荷比例高时,可以提高系统的节能率;闫振华等人[10]进行了毛细管辐射供冷空调系统的研究探索,研究结果表明该系统具有以下的优势:节能性好、环保、舒适性好及使用寿命高。2009 年,孙亭等人[11]对混凝土辐射冷顶板结合置换通风的系统进行了实验研究,主要测试分析了实际工程中运行参数的影响因素;康宁等人[12]进行了辐射冷顶板加置换通风系统的数值模拟研究,主要研究了室内的温度及流场分布;寿青云[13]进行了辐射供冷系统的全面能耗分析,提出了针对结露问题的有效控制策略。2010 年,周慧鑫、杨洁、周翔等人[14]研究探索了地板辐射供冷与新风系统相结合的空调方式,研究表明此系统具有一定的蓄冷能力,此系统在满足人们对热舒适性要求的同时可以有效地解决供冷能力较低以及结露等的问题。2011 年,涂敏[15]对辐射冷顶板结合溶液除湿系统进行了研究,分析了该系统的性能并提出了优化改进;清华大学的高志宏[16]等人研究了安装方式差异,不同的水系统参数以及空气等参数差异的条件下,毛细辐射空调使用高温循环水时,其供冷性能的特性。实验的结果表明:毛细管采用裸露安装的方式是,其辐射供冷的效果比表面与金属板结合的安装方式的供冷效果好。
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第 2 章 工位辐射空调实验环境及方法

2.1 实验目的
随着人们生活水平的提升以及经济条件的改善,人们对室内环境的要求也越来越高。空调系统在改善室内环境上起到了巨大的作用。传统的对流空调环境中,即使温湿度均处于舒适区间内,也会有人对其环境表示不满。许多研究表明,相比于传统的对流空调,辐射空调具有更好的舒适性,可以有效的降低人们的不满意度。现有的研究主要集中在舒适温度范围内,对热湿环境下辐射空调的舒适性研究较少。其研究内容上,主要涉及的是受试者在辐射热环境中的整体感觉,研究涉及局部热舒适较少。在辐射换热环境中,不仅应考虑整体热舒适性,也应注重身体局部的热舒适性。针对之前研究存在的问题,本文以一种新型的工位辐射空调末端装置为基础,研究热湿环境下,辐射制冷作用下人们的舒适情况。通过实验获得了受试者在热湿环境下,使用工位辐射空调后的整体反应,并与对流环境对比,确定该新型辐射空调系统末端装置对于提高热湿环境中人员热舒适性的效果。
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2.2 实验平台

2.2.1 实验场地介绍
本实验在湖南省长沙市湖南大学建筑节能与绿色建筑研究中心展开。实验房间的尺寸为(长×宽×高):4300mm×2800mm×3500mm,其中,南墙上开有内门,内门尺寸为 1000mm×2100mm;北外墙上开有外窗,外窗尺寸为 1500mm×1800mm。实验房间北外墙外窗的上沿位置装有风机盘管。新风口开在北外墙上,其尺寸为 200mm×200mm,新风口的进风口在室外设置防雨罩罩住,并且为防止飞虫进入,新风口设置了防虫网。新风口室外侧的入口装有手动百叶,通过调整百叶的角度可改变进入室内的新风量,新风口接至室内和风机盘管相连,新风在混风箱和回风混合由风机盘管处理后再送入室内,实际布置见图 2.1。新型的工位辐射空调末端装置(以下简称工位辐射空调)由 5 块毛细管辐射板组成,每块辐射板作为工位的隔板和桌面。实验期间,辐射板内的循环冷冻水由冷水机组提供。本次实验只开启了桌面以及前上方辐射板,开启的辐射板的板面温度由PT100 温度传感器测得,其它辐射板的板面温度同空气环境温度。工位辐射空调的结构示意图见图 2.2 所示,实物图见图 2.3 所示。
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第 3 章 工位辐射空调舒适性研究....19
3.1 室内物理参数.........19
3.2 受试者动态反应.....20
3.3 受试者稳态反应.....26
3.3.1 受试者对温度的稳态反应....26
3.3.2 受试者对风速的稳态反应....32
3.3.3 受试者对湿度的稳态反应....34
3.3.4 受试者度感知空气品质的稳态反应...........36
3.4 本章小结..........37
第 4 章 工位辐射空调节能性分析....38
4.1 建模.......... 38
4.2 传统空调系统能耗........ 38
4.3 工位辐射空调系统能耗........39
4.4 能耗对比分析.........40
4.5 本章小结..........41
第 5 章 结论与展望......43
5.1 本文结论..........43
5.2 本文局限性..... 43
5.3 研究展望..........44

第 4 章 工位辐射空调节能性分析

4.1 建模

在本章中,拟采用建筑能耗模拟软件 EnergyPlus 对开展本实验的实验房间进行能耗模拟。本次建筑能耗模拟分析采用 EnergyPlus8.3.0 软件。房间尺寸为长×宽×高:4300mm×2800mm×3500mm,北墙为外墙,其中,南墙上开有内门,内门尺寸为 1000mm×2100mm;北外墙上开有外窗,外窗尺寸为 1500mm×1800mm,房间屋顶与室外空气接触,房间地板与地面接触。本实验模拟了夏季室内设定温度为 26℃、28℃和 30℃这三个背景温度下,所建模型在长沙地区的空调系统夏季制冷能耗,其结果如图 4.2 所示。图 4.2 所示能耗为夏季某日传统空调系统制冷能耗随时间的变化趋势图。由图可知,当设定温度为 26℃时,空调制冷的时间从早上 8:00 开始,直到晚上 23:00 结束,能耗最高点出现在 17:00,其能耗超过了 0.85kWh。当设定温度为 28℃时,空调制冷的时间从早上 8:00 开始,到晚上 21:00 结束,能耗的最高点出现时间与 26℃的情况一致,在 17:00 出现,但其能耗总量约为 0.75kWh。当设定温度为 30℃时,空调制冷时间从早上 9:00 开始,到晚上 20:00 结束,能耗峰值亦在 17:00 出现,其峰值约为 0.6kWh。随着设定温度的升高,空调制冷的时间逐渐缩短,其逐时以及峰值能耗均随着设定温度的升高而下降。

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结论

本文研究了热湿工