毛细管循环式空调柜性能的研究
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摘要
目前，我国处在城市建设的加速发展时期，建筑的快速发展造成的能源消
耗占总商品能耗的 20~30%，而空调能耗在建筑能耗中占有较大比例。因此，
对暖通空调设备的节能性提出更高的要求。另外，我国的低品位能源和自然资
源较为丰富，但能够直接利用低品位能源的设备较少。因此，本文设计了一种
能够利用低品位能源的空调末端装置并对其性能进行研究。
首先，本文以自然重力循环为作用原理设计了一种采用毛细管网为换热元
件的毛细管循环式空调柜并确定了结构形式、建立了理论计算模型以及对其进
行设计选型与制作。通过建立的理论模型计算出当空调柜进水流量为400kg/h、
供回水温差为3℃、空气流量为400m³/h、进风温度为26℃且当空调柜高度为
2.4m、进风口尺寸为1100
×
300mm时，出风口的面积大于0.021m2时可形成自然
循环，需要设置换热面积为10㎡的毛细管网栅。因此，空调柜的结构参数为：
高2.4m，宽1.2m，厚0.3m，内置5排规格为2000
×
1000mm的毛细管网，上下风
口为1100
×
300mm。
然后，搭建了一套空调柜实验台，在自然循环制冷（制热）模式下，实验
研究了风口尺寸等结构参数、进水温度、流量及进风温度等运行参数对空调柜
制冷（制热）性能的影响。对比研究了不同循环方式（自然循环和强制循环）
对空调柜制冷（制热）性能的影响。研究了不同供水温度下空调柜的除湿性能
及不同模式下的最优运行参数。
实验结果表明：本文设计的空调柜能够进行自然循环，验证了理论模型的
正确性；随着空调柜进出风口尺寸、进水流量及温度、进风温度及循环方式的
改变，空调柜的制冷量（制热量）、单位面积制冷量（单位面积制热量）、冷
却效率（制热效率）、风量、风速及空调柜出风温度等制冷（制热）性能都发
生变化。在自然循环时，空调柜的制冷性能及除湿性能随着水温的升高而变
差，制热性能随着供水温度的增加而变优；进水流量增加时，空调柜的制冷和
制热性能都先变好后变差，都在水流量为400kg/h时最优；进风温度变大时，空
调柜的制冷性能先变差后变好，而制热性能则逐渐变差；风口尺寸逐渐减小
时，空调柜的性能也随之变差，在风口尺寸为1100
×
300mm时最优；循环方式
改变时，空调柜在强制低档循环时要优于自然循环和强制高档循环。
另外，根据空调柜的特点及实验结果分析了其应用范围及适用面积，当空
调柜采用16℃高温冷水供冷时，制冷量、单位面积制冷量、冷却效率、风量、
风速及出风温度分别为1300W、130W/m2、0.65、353m³/h、0.3m/s、19.68℃，
可满足11m2房间的制冷需求；当空调柜采用35℃低温热水供热时，制热量、单
位面积制热量、供热效率、风量、风速及出风温度分别为1527W、153W/m2、
0.43、260m³/h、0.22m/s、25.38℃，可满足13m2房间的供暖需求；当空调柜在
供水13℃除湿时，除湿量可达0.87kg/h，可满足房间有8个人时的除湿需求。
最后，利用ansys软件对在空调柜送风方式下的两种房间模型室内气流组织
进行数值模拟。模拟结果表明：室内的速度场及温度场的最不利点出现在房间
最中间处，房间模型B的气流组织要优于模型A；当设备7℃供水时，室内温度
较低，不建议使用；当采用16℃供水时，室内温度基本可以维持在26℃，室内
空气流速也在0.1m/s左右，能够满足室内空调需求。
关键词： 热工性能 实验研究 数值模拟 毛细管循环式空调柜
ABSTRACT
Nowadays, our country is in the period of city construction development. The
proportion of energy consumption caused by rapid development of building ranges
from 20% to 30% in total energy consumption of goods and the energy consumption
caused by the air conditioning in the building energy consumption occupies a larger
proportion. Therefore, in the context of large energy consumption, it puts forward
higher requirements to energy saving of the HVAC equipments. In addition, the low
grade energy and natural resources of our country is relatively rich, but the quantity of
the equipments that can directly use low grade energy is quite few. So this article will
focus on the capillary circulation air conditioning ark that can take advantage of low
grade energy.
Firstly, based on the natural gravity circulation mechanism, the structure of the
capillary circulation air-conditioning ark had been designed and the theoretical
calculation model had been established. According to the theoretical model, when the
water inlet flow rate was 400 kg/h, the temperature difference between supply and
return water was 3 ℃, the air flow rate was 400 m³/h, the inlet air temperature was
26 ℃ and the air conditioning ark heighth was 2.4 m, the air inlet size was 1100
×
300mm, the air outlet area need to be bigger than 0.021㎡ , the capillary mesh need to
be 10㎡ at this time, the seize of tuyere above and below is 1100
×
300mm .
Secondly, An experiment platform of capillary circulation air-conditioning ark had
been built. In natural circulation cooling (heating) mode, the operation parameters
affection on performance of air conditioning ark cooling (heating), such as the size of
structural parameters, inlet water temperature, flow rate and inlet air temperature had
been studied experimentally. Comparative study of different cycle mode (natural
circulation and forced circulation) affecting the performance of air conditioning ark
cooling (heating) had been made. The dehumidifying performance of air conditioning
ark under different water supply temperature and optimal operation parameters under
different mode had been studied also.
The experimental results showed that the device can normally circulate, which
proved the correctness of the theoretical model. With the change of tuyere size ,water
flow rate and it’s temperature, inlet air temperature and the style of cycle , the cooling
(heating)capacity of the equipment also changed. For natural circulation, the
performance of cooling and dehumidification will be worse with the rising of
temperature，however, the heating performance will be better. When the water flow
rate increased, the cooling and heating performance got better before they got worse,
and the 400 kg/h of water flow was optimal. When the inlet air temperature increased,
the cooling performance of the equipment got worse before they got better,and 26 ℃
of the inlet air temperature was optimal, while the heating performance became worse
gradually. When the size reduced gradually, the performance of the equipment was
worse, and 1100
×
300mm of the tuyere size was optimal.When the type of the cycle
changed, the forced low cycle was superior than natural cycle and forced high cycle.
Moreover, analyzed its application scope and applicable area accord to its
characteristics and the experimental results. The cooling capacity, the cooling capacity
of per square meter, the cooling efficiency, air volume , air speed and the wind
temperature of the equipment respectively were 1300W, 130W/m2, 0.65, 353
m3/h ,0.3m/s, 19.68℃,while used the high temperature of frozen water (16℃). This can
meet the cooling demand of the room about 11m2. The heating capacity, the heating
capacity of per square meter, heating efficiency, air volume , air speed and the wind
temperature of the equipment respectively were 1527W, 153W/ m2, 0.43, 260 m3/h ,
0.22m/s, 25.38℃, while used the low temperature of hot water (35℃). This can meet
the heating demand of the room about 13m2. The equipment ’s capacity of
dehumidification was 0.87kg/h while the equipment was used to dehumidify and the
temperature of supply water was 13℃, which can meet the dehumidification demand
of eight people.
Finally, two kinds of model of indoor air distribution using capillary circulation
air-conditioning ark for air conditioning had been numerically simulated by Ansys
software. Simulation results showed that the most unfavorable points of indoor velocity
field and temperature field were at the middle point of models. Model B’s air
distribution was better than model A. When supply water temperature was 7℃, indoor
temperature was too low, so this was not recommended. When using 16℃ water,
basically can maintain indoor temperature at 26℃, the indoor air flow rate was around
0.1 m/s, which can meet the requirement of indoor air conditioning.
Key words: Thermal performance, Experimental study, Numerical
simulation, The capillary circulation air-conditioning ark
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .................................................................................................................... 1
§1.1 课题研究背景 ...................................................................................................... 1
§1.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 2
§1.2.1 国外研究现状 ............................................................................................... 2
§1.2.2 国内研究现状 ............................................................................................... 2
§1.3 课题研究内容及意义 .......................................................................................... 3
§1.3.1 课题研究内容 ............................................................................................... 3
§1.3.2 课题研究意义 ............................................................................................... 4
第二章 毛细管循环式空调柜的设计 ............................................................................ 5
§2.1 作用原理 .............................................................................................................. 5
§2.2 确定结构形式 ...................................................................................................... 5
§2.3 建立理论计算模型 .............................................................................................. 6
§2.4 空调柜设计选型与制作 ...................................................................................... 8
§2.4.1 运行参数的确定 ............................................................................................ 9
§2.4.2 结构参数的计算 ............................................................................................ 9
§2.4.3 主要换热元件的确定 .................................................................................... 9
§2.4.4 空调柜的制作 .............................................................................................. 10
§2.5 本章小结 ............................................................................................................ 12
第三章 毛细管循环式空调柜性能的实验研究 .......................................................... 13
§3.1 实验内容 ............................................................................................................ 13
§3.2 实验工况 ............................................................................................................ 13
§3.3 实验系统 ............................................................................................................ 15
§3.3.1 实验台设计 .................................................................................................. 15
§3.3.2 测试系统设计 .............................................................................................. 15
§3.3.3 实验辅助环境介绍 ..................................................................................... 20
§3.4 本章小结 ............................................................................................................ 21
第四章 实验结果与分析 .............................................................................................. 22
§4.1 评价指标 ............................................................................................................ 22
§4.2 自然循环制冷模式下空调柜的性能 ................................................................ 24
§4.2.1 供水温度对空调柜性能的影响 .................................................................. 24
§4.2.2 供水流量对空调柜性能的影响 .................................................................. 28
§4.2.3 进风温度对空调柜性能的影响 .................................................................. 33
§4.2.4 风口尺寸对空调柜性能的影响 .................................................................. 38
§4.3 自然循环制热模式下空调柜的性能 ................................................................ 42
§4.3.1 供水温度对空调柜性能的影响 .................................................................. 42
§4.3.2 供水流量对空调柜性能的影响 .................................................................. 45
§4.3.3 进风温度对空调柜性能的影响 .................................................................. 51
§4.4 循环方式对空调柜性能的影响 ........................................................................ 54
§4.5 空调柜除湿性能 ................................................................................................ 58
§4.6 空调柜最优运行参数 ........................................................................................ 59
§4.7 本章小结 ............................................................................................................ 61
第五章 毛细管循环式空调柜的应用研究 .................................................................. 62
§5.1 空调柜的适用场合 ............................................................................................ 62
§5.2 空调柜应用能力的算例分析 ............................................................................ 62
§5.3 空调柜送风方式下的室内气流组织的数值模拟 ............................................ 64
§5.3.1 房间模型的建立及模拟工况 ...................................................................... 64
§5.3.2 评价指标 ...................................................................................................... 65
§5.3.3 模拟结果与分析 .......................................................................................... 65
§5.4 本章小结 ............................................................................................................ 75
第六章 结论与展望 ...................................................................................................... 76
§6.1 结论 .................................................................................................................... 76
§6.2 创新点 ................................................................................................................ 78
§6.3 展望 .................................................................................................................... 78
参考文献 ........................................................................................................................ 79
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 81
致 谢 ............................................................................................................................ 82
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景
首先，我国处在城市建设的加速发展时期，建筑的快速发展造成能源消耗占
总商品能耗的 20~30%，大部分能源消耗是在建筑的运行过程中发生的[1-2]。文献
[3]指出，我国的高能耗建筑面积不断攀升，2002 年末达到 700 亿平方米，长此
以往，我国的建筑能耗将远远超出现有设备的承受能力。因此，在这个背景下，
对建筑内部的各种设备的节能性提出了很高的要求。
其次，我国的低品位能源和自然资源较为丰富，如：地下水温度比较稳定，
约比同年平均气温高出 1~2℃[4]，例如，天津、北京、山东等地区地下水温在
10~15℃范围内波动；地表水的温度虽有波动，但比空气温度变化要小得多，可
以利用地下水源热泵将这部分能源用于夏季供冷。城市污水也是一个优良的低温
余热源，蕴含了大量的热能，污水源热泵可为建筑物制冷时回收冷凝热量，从处
理后的原生污水中提取热量用于夏季供冷[5]。污水水温一般在 5~35℃范围内，污
水量比较稳定，对于我国大范围的采暖、供冷及热水供应区域来说，有效利用污
水热能节约高品位能源，会产生明显的经济和环保效益[6]。另外，我国低温地热
资源蕴藏丰富，国内已发现三千多处地热区，其中，中温地热区（大于 90℃，
小于 150℃）和低温地热区（小于 90℃）2900 多处，开发潜力在 2000 亿吨标
准煤当量以上[7]。同时，我国太阳能资源也十分丰富，国土总面积三分之二以上
地区年日照时数大于 2200h，年太阳辐射总量在 5×103MJ/(m2·a)以上，具有太
阳能利用的良好条件[8]。采暖地区大多位于太阳能丰富区内，太阳辐射能通过太
阳能热水器可以转化成中、低温度的热水，直接用于供暖。
因此，在能耗严重及低品位能源丰富的两大背景下，利用地源热泵、空气源
热泵、污水源热泵等一系列热泵技术已经渐渐展开，通过利用低品位能源降低我
国的建筑能耗，产生明显的经济效应，又能减少能源生产过程中的环境污染。然
而，目前工程中用量最大的供暖系统末端装置---散热器，大多数95℃热水作为
设计供水温度，低温热水很难被直接利用，同时工程中采用较多的供冷末端设备
为风机盘管，大多以7℃冷水作为供水温度，高温冷水不能被直接采用。所以，
能够使用高温冷水和低温热水的末端设备技术将成为提高冷热利用率的关键，毛
细管网就是其中一项。
目前毛细管网主要用于辐射空调系统，市场暂时主要集中于德国和瑞士，该
技术在相当多的工程实例得到了很高的评价[9]，已经成为成熟的广为接受的供冷
方式并参与了许多前沿的研究[10-11]。辐射空调作为一种新型的空调方式，具有卫
生舒适、无吹风感、运行和维护费用低及节能等特点[12-15]。但是，由于室内空间
上海理工大学硕士学位论文
2
面积有限，而降低供水温度又极易引起设备表面结露，因此，辐射吊顶的供冷能
力有限，无法满足室内冷负荷的要求，同时辐射系统也无法达到除湿的目的。因
此，以毛细管网为换热元件且能利用低品位能源达到制冷、除湿和供热功能的空
调末端应运而生。
因此，本文以重力自然循环的理论知识为基础设计了一种采用毛细管网为换
热元件的毛细管循环式空调柜（以下简称空调柜）并对其性能及应用进行研究。
此种空调柜能够利用低品位能源达到制冷、除湿和供热功能的目的。
§1.2 国内外研究现状
毛细管网技术源于20世纪80年代的德国，并在国外得到广泛应用，随着毛细
管网在国内市场的打开，国内也进行了一系列的研究。但是直接针对毛细管循环
式空调柜的研究很少，多数是从毛细管网以及辐射空调的角度进行研究[16]。所以
本节从毛细管网、辐射空调以及其他的类似的末端装置出发来阐述研究现状。
§1.2.1 国外研究现状
Donald Herbs [17]于 1985 发明了毛细管网，1986 年在德国柏林的一个项目
中，毛细管网首次应用在建筑物的天花板和墙面上，冬天采暖，夏天制冷。
2002 年，Miriel[18]等在法国西部建立了实验室，分别通过实验室测试和软件
模拟对毛细管吊顶的供冷和供暖性能进行了分析，结果表明其应用效果良好。
P.W.Griffiths, P.C.Eames[19]研究了冷辐射吊顶领域中相变材料的应用，指出
将流动介质由水变为相变材料可以达到增大辐射板冷量的效果。
文献[20]指出到 1999 年，德国 10%的非住宅建筑采用吊顶辐射空调系统。
文献[21]指出，美国越来越多的办公建筑开始采用冷辐射吊顶末端形式，美国
能源部已经将辐射吊顶列为重点发展的空调节能技术之一。
§1.2.2 国内研究现状
汉斯凯公司对引进 Clina 公司的毛细管网样品供热和供冷性能进行研究，相
关数据显示，当系统水温 16/18℃，室内温度 26℃时，供冷能力为 65～
70W/m2；当系统水温 32/38℃，室内温度 20℃，供热能力为 85W/m2；最高允
许热媒温度为 60℃[22]。
开思拓公司对其经营毛细管的研究结果表明，该公司的毛细管网最高允许热
媒温度为 45℃[22]。
2007 年，国家空调设备质量监督检验中心对普来福生产的毛细管网换热器
进行检测，出具的《毛细管网热工性能检验报告》显示该企业的样品在供水温度
45℃、回水温度 40℃、基准点温度 20℃时，单位面积散热量为 240.88W/m2；
第一章 绪论
3
在供水温度 15℃、回水温度 20℃、基准点温度 26℃时单位面积散热量为
122.84W/m2[22]。
哈尔滨工业大学的李翠敏等[16]设计了重力循环供热装置，在标准散热器实验
台进行了30-50℃低温水工况下的热工性能研究。结果表明，装置换热量与供水温
度成线性关系；与调节循环水流量方式相比，调节供水温度对装置散热量的影响
更大；在供水温度50℃时，设备供热量为1859W，30℃时的供热量为454W，传热
系数为4.88-7.86W/(㎡·℃)。该装置可以满足一般用途房间的热负荷需求。
天津商业大学的谷德[17]设计了一套毛细管重力循环供冷末端设备，并对其单
独制冷和辅助制冷的性能进行实验和模拟。重力循环柜单独运行时，向室内供给
的平均冷量为476.8W，最大冷量为727.7W，满足设计要求；重力循环柜联合吊顶
辐射板运行时，吊顶辐射板供冷量最大为 504.3W，重力柜的最大冷量748.3W。
侯兆川，郭海新等[23]对毛细管重力循环空调技术在工程的应用进行研究从节
能角度看，毛细管网重力循环空调末端结合置换通风系统的技术在理论与实际工
程中均可行。
同济大学马国彬和哈尔滨工业大学魏学孟[24]对重力循环空调进行数值模拟研
究，得出除送风口附近的区域外，大部分人员工作区域温度在 24-26℃之间，风
速不超过 0.25m/s；风速和垂直温差在送风口附近 1m 范围内较大，会引起人体
不适。
中国矿业大学韩东太等[25] 针对毛细管辐射末端因不具备除湿功能导致潮湿
季节空调房间结露现象严重以及空气品质差等缺点，研制了一种毛细管网呼吸式
空调柜。该空调柜空气流道采用独特的抛物线形设计，提高了空气流速，此外，
采用模块化设计，可根据冷热负荷需求任意增加或减少换热面积。
综上所述，国内外针对此种末端装置的研究不多，仅有的一些研究不是从制
冷角度，要么是从供热角度，暂时还没有完完全全对其整体性能的研究，比如其
结构参数、制冷工况、制热工况以及除湿工况的确定以及评价参数。而对于其他
末端装置的研究，针对能够利用低品位能源的较少。
§1.3 课题研究内容及意义
§1.3.1 课题研究内容
在我国能源浪费严重、低品位能源丰富及毛细管网换热效果好的三大背景
下，本文设计一种能够利用低品位能源的空调末端装置并对其性能进行研究。主
要内容有如下三个方面：
(1)毛细管循环式空调柜的设计
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2025-01-09 5
作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：86 页
大小：4.92MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
