冷辐射吊顶单元热性能研究及其应用分析

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3.0 牛悦 2024-11-19 10 4 1.61MB 85 页 15积分
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摘 要
随着经济的发展，能源短缺问题日趋严重，已严重阻碍了我国国民经济的发
展。建筑能耗在整个社会总能耗中比例也越来越大，其中空调能耗又是整个建筑
能耗最大的一部分，节能减排工作已经迫在眉睫。因此，空调系统的节能就显得
十分重要，辐射供冷空调系统是新兴的，也是未来发展趋势最好的新型空调系统。
本课题主要是基于长时间的辐射吊顶单元实验测试，测试并且理论计算了单
块辐射吊顶单元和两块辐射吊顶单元串联或并联组合的供冷量，在此基础上，对
辐射吊顶单元进行建模分析，其中包括蛇形盘管类金属辐射吊顶单元和平行毛细
管类辐射吊顶单元，分别对两类辐射吊顶单元进行建模分析、串联和并联模型建
模分析，并对其进行了实验和理论数据的比较验证。概括地说，本文主要做了如
下工作：（1）建立了两类辐射吊顶单元的传热模型、串联和并联组合模型，分别
对模型进行验证分析，并且根据辐射吊顶单元串联模型的正确性，对其进行推广
分析。（2）搭建了辐射吊顶单元测试实验台，分别对 A类、B类和 C类辐射吊顶
单元进行实验测试，且分别对实验数据进行拟合。（3）介绍了辐射供冷+独立新风
的空调系统，并对系统的设计要点进行说明，分别以两类以人员活动为主的空调
房间，对该系统中的新风和辐射吊顶单元所承担的负荷进行详细的计算分析；另
外对辐射供冷+独立新风的空调系统进行能耗分析。（4）介绍了溶液除湿的空调系
统，对其进行初步理论计算，同时对新风的处理过程进行详细计算。
通过理论计算和实验测试分析表明：（1）根据实验测试的结果验证了单块和
两块组合辐射吊顶单元模型的正确性，在此基础上，对多块辐射吊顶单元组合进
行计算；（2）得到了辐射吊顶单元的供冷量与室温和供回水温差呈幂函数关系；（3）
求出了辐射供冷+独立新风空调系统辐射吊顶单元所要承担的显热负荷，新风所承
担的室内显热和潜热（湿）负荷的大小，同时得出辐射供冷+独立新风的空调系统
相对于风机盘管+新风的空调系统节能效果显著；（4）初步计算得出了溶液除湿再
生过程的空气和溶液各个状态点。
关键词：冷辐射吊顶单元 实验测试 理论建模 模型验证
ABSTRACT
With the economic development in our country, energy shortage problems have
become more and more serious. It has seriously hampered the development of our
national economy. Building energy consumption has increasingly accounted for larger
percentage of total energy consumption in the whole society, including air conditioning
energy consumption is the largest part of the whole building energy consumption,
energy saving and emission reduction is imminent. Therefore, energy-saving in
air-conditioning system is particularly urgent and important, radiant cooling air
conditioning system is emerging, and it is the best future development of new air
conditioning system.
The topic based on the long experimental test of radiant unit ceiling, testing and
theoretically calculating a single block of radiant ceiling unit and two units in series
combination of radiant ceiling cooling capacity, on this basis, the ceiling unit of
radiation modeling and analysis, including two types of radiant ceiling units,
respectively, snake Metal-shaped radiant ceiling coil unit and parallel to the capillary
type radiant ceiling units, radiant ceiling were two types of cells in series model to
model analysis and modeling analysis, and its experimental and theoretical aspects of
the preliminary analysis and verification. In summary, this paper made the following
work: (1) the establishment of the two types of radiant ceiling heat transfer model unit,
series and parallel combination model, respectively, to verify the model analysis, and
radiant ceiling series units according to the correctness of the model, its extension
analysis. (2) to build a radiant ceiling unit test bench, respectively, A, B class and C
class of experimental tests radiant ceiling units, and fitting the experimental data,
respectively. (3) The radiation cooling + dedicated outdoor air-conditioning system, and
system design points shows that activities were dominated by two categories of the
personnel of the air-conditioned room, the system in the ceiling unit of fresh air and
radiation assumed detailed load calculation and analysis; another independent radiation
cooling + air-conditioning systems of new wind energy analysis. (4) Introducing the
liquid desiccant air conditioning system, its initial theoretical calculation, while the
processing of fresh air for detailed calculations.
By theoretical calculation and experimental test showed that: (1) Based on
laboratory test results validate the combination of single-block and two radiant ceiling
element model is correct, on this basis, the ceiling of the modular multi-block
calculation of radiation; (2) Getting cooling radiant ceiling unit Volume and
temperature and the supply and return water temperature difference between the power
function relationship; (3) Find the radiation cooling + dedicated outdoor air
conditioning system radiant cooling unit to be borne by the sensible heat load, fresh air
borne indoor sensible heat and latent heat (humidity) load Size, while radiant cooling +
independent draw fresh air fan coil air-conditioning systems for the air conditioning
system + new wind energy-saving effect is remarkable; (4) The initial solution is
calculated by the air dehumidification and solution regeneration process each state
point.
Key Word: radiation cooling unit ，experimental test, theoretical
modeling, modeling verification
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................... 1
§1.1 课题研究背景及意义 ....................................... 1
§1.2 辐射供冷空调系统的国内外研究现状 ......................... 2
§1.3 溶液除湿的国内外研究现状 ................................. 5
§1.4 基于温湿度独立控制的辐射空调系统的研究现状 ............... 6
§1.5 本课题研究内容和意义 ..................................... 6
第二章 辐射吊顶单元热性能实验测试与分析 .......................... 8
§2.1 辐射吊顶单元的构造和尺寸 ................................. 8
§2.2 实验测试系统 ............................................ 10
§2.2.1 实验目的 ............................................ 10
§2.2.2 实验原理 ............................................ 10
§2.2.3 实验方案 ............................................ 11
§2.2.4 实验测量与采集 ...................................... 13
§2.3 实验过程 ................................................ 14
§2.4 单块辐射吊顶单元供冷性能实验数据分析 .................... 15
§2.4.1 单块 A 类金属辐射吊顶单元供冷性能实验数据分析 ........ 15
§2.4.2 单块 B 类金属辐射吊顶单元供冷性能实验数据分析 ........ 17
§2.4.3 单块 C 类毛细管辐射吊顶单元性能实验数据分析 .......... 19
§2.5 两块辐射吊顶单元串联组合供冷性能实验数据分析 ............ 20
§2.5.1 两块 A 类金属辐射吊顶单元串联组合供冷性能实验数据分析 20
§2.5.2 两块 B 类金属辐射吊顶单元串联组合供冷性能实验数据分析 22
§2.5.3 两块 C 类毛细管辐射吊顶单元组合性能实验数据分析 ...... 23
§2.6 本章小结 ................................................ 25
第三章 辐射吊顶单元供冷量计算模型的建立与验证 ................... 26
§3.1 两类辐射吊顶单元的结构型式 .............................. 26
§3.2 辐射吊顶单元的传热过程分析 .............................. 27
§3.3 蛇形盘管类金属辐射吊顶单元的供冷量的计算 ................ 30
§3.3.1 辐射吊顶单元的分区模型 .............................. 30
§3.3.2 第一个分区的供冷量计算模型 .......................... 30
§3.3.3 单块金属辐射吊顶单元供冷量的计算 .................... 33
§3.4 平行毛细管辐射吊顶单元供冷量的计算 ...................... 34
§3.5 辐射吊顶单元串联方式模型的建立 .......................... 36
§3.5.1 并联连接 ............................................ 37
§3.5.2 串联连接 ............................................ 37
§3.6 辐射吊顶单元的供冷量计算模型的验证 ...................... 39
§3.6.1 蛇形盘管类金属辐射吊顶单元的供冷量计算模型验证 ...... 39
§3.6.2 平行毛细管类辐射吊顶单元的理论验证 .................. 40
§3.6.3 串联蛇形盘管类金属辐射吊顶单元的供冷量计算模型验证 .. 41
§3.6.4 组合平行毛细管类辐射吊顶单元的供冷量计算模型验证 .... 44
§3.7 本章小结 ................................................ 45
第四章 辐射供冷+独立新风空调系统应用分析 ........................ 46
§4.1 辐射供冷+独立新风的空调系统的特点 ....................... 46
§4.1.1 系统特点 ............................................ 46
§4.1.2 辐射供冷温度场和速度场模拟分析 ...................... 47
§4.1.3 辐射供冷+独立新风空调系统的设计要点 ................. 48
§4.2 辐射供冷对供水温度的要求 ................................ 50
§4.3 新风与辐射吊顶单元各自承担的室内负荷 .................... 51
§4.4 辐射供冷+独立新风系统的能耗分析 ......................... 54
§4.4.1 辐射供冷+独立新风空调系统的分析 ..................... 55
§4.4.2 风机盘管+新风的空调系统的分析 ....................... 56
§4.4.3 两类空调系统的能耗分析 .............................. 57
§4.5 本章小结 ................................................ 59
第五章 空调新风溶液除湿技术初步分析 ............................. 60
§5.1 溶液除湿技术简介 ........................................ 60
§5.1.1 溶液除湿系统流程 .................................... 60
§5.1.2 吸收剂的选择 ........................................ 61
§5.2 LiCl 盐溶液性质 ..........................................62
§5.2.1 LiCl 盐溶液性质 ......................................62
§5.2.2 LiCl 盐溶液的参数计算 ................................63
§5.3 空气除湿系统计算 ........................................ 65
§5.3.1 溶液除湿器模型 ...................................... 65
§5.3.2 溶液再生器模型 ...................................... 67
§5.4 空调新风溶液除湿过程计算实例 .............................69
§5.4.1 空气设计计算参数 .................................... 69
§5.4.2 除湿过程 ............................................ 70
§5.4.3 再生过程 ............................................ 72
§5.5 本章小结 ................................................ 73
第六章 总结与展望 ............................................... 74
§6.1 总结 .....................................................74
§6.2 有待继续研究的内容 .......................................74
参考文献 ........................................................ 76
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 80
致 谢 .......................................................... 81
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景及意义
最近几年，由于能源与环境危机，常规的空调方式受到了挑战，开发和应用
节能型和环保型的空调方式成为空调通风领域今后主要的发展方向。特别是最近
几年在建筑物中出现的一些能耗和空气质量问题，引起了人们对常规空调系统的
反思和改造。
常规的中央空调系统大多采用5℃~7℃或者更低的冷水作为冷媒来处理空气，
这样做的目的主要是为了对空气进行除湿，但很大程度上降低了制冷机组的效率，
如果仅仅为除去显热，15℃~20℃的冷水就能满足要求，但目前的常规中央空调系
统中显热也是全靠此类冷媒来移除，这样首先造成了能耗加剧，并由此带来了一
系列的环境、能源问题，不利于社会的可持续发展。现代的建筑通常采用的空调
系统主要是以空气的对流形式与室内的空气发生传热传质，普遍存在以下几方面
的问题：多室的建筑新风量过大的问题[1]，空气凝结水盘等潮湿的空气环境所滋生
有害细菌微生物问题，新风的气流组织问题，以及没有办法有效地同时消除室内
潜热和显热负荷，所引起的室内温湿度不均匀性问题等。在空调湿负荷较大的房
间，例如餐厅、剧院、电影院、体育馆、会议室、商场等，室内相对湿度普遍很
高，外加上空调设备的除湿过程通常是在室内进行，高湿度的空气和冷凝水的存
在，不仅会影响人体的舒适感，而且极容易滋生细菌和微生物，严重地影响到室
内空气的质量品质，同时也导致了空调系统能耗的上升[2]。
空调系统的设计是改善室内空气质量和降低建筑物能耗的有效的途径之一。
近年来，一类起源于欧洲的空调系统——与辐射吊顶单元相结合的温湿度独立控
制的空调系统，因为其在室内空气质量、热舒适性、节能性等方面的诸多优点，
引来了国内外的许多专家和学者关注和研究。
与辐射吊顶单元相结合的温湿度独立控制的空调系统，其中新风承担建筑物
所需的全部新风负荷、室内全部的潜热负荷（湿负荷）以及室内一小部分显热负
荷，这样不仅解决了湿度较高的建筑中全空气空调系统的长期以来未能很好解决
室内相对湿度过大问题、新风能耗问题，另外由于此类空调系统根本不需要回风，
因此增强了建筑物室内环境的健康、安全和舒适[3]；另外一方面，辐射吊顶单元利
用辐射面板表面的较低温度与建筑物内的空气以及围护结构进行能量交换，通过
冷辐射吊顶单元热性能研究及其应用分析
2
辐射吊顶单元的直接辐射和间接对流作用于建筑物内的热负荷，由于存在辐
射作用，使得房间的四周壁面，地面和房间内部空间的设备表面处于较低温度，
同时也降低房间内竖直方向的温度梯度，并且人的实际感受温度低于辐射空调环
境中的空气温度 1~2℃，人体有较高的舒适感[4]。另外，温湿度独立控制空调系统
中，新风系统一般采用独立送风，可以达到更好的节能效果。同时溶液除湿新风
处理系统也是独立送风系统中的一类。
溶液除湿空调系统是指利用吸收剂盐溶液对空气中的水蒸气有强烈的吸收作
用的原理，对空气进行吸湿，减湿后继续经过其它流程，将空气处理到满足室内
所要求的送风状态。
溶液除湿空调具有以下优点[5]：（1）完全不用冷媒氟利昂，不会有破坏大气臭
氧层之虞。（2）除湿溶液对室内的空气有净化和消毒作用。（3）因为溶液再生温
度比较低，提供了低品位热源利用的有效途径。可推广利用的低品位热源主要包
括很多：如工业废热、余热、太阳能等能源。我国为太阳能资源较为充足的地区
之一[6,7]。（4）溶液除湿空调系统能够直接吸收空气中的水份，可避免常规的空调
系统为满足降低空气湿度的要求，必须将冷媒的温度降到露点温度以下，造成了
空调系统能效的下降[8]。（5）该系统可以充分利用可再生能源，耗电量很少 [9]。
因此无论是从空调系统的舒适性、安全性还是节能性上考虑，辐射吊顶单元
供冷+独立新风空调系统（尤其溶液除湿空调系统）都有着诸多优势，有着很大的
应用潜力。
§1.2 辐射供冷空调系统的国内外研究现状
辐射供冷空调系统最早应用在在20世纪20~30年代，当时由于结露的问题而没
有能够得到大力推广。1936～1938年在瑞士Zurich的一栋商业类建筑，以及1950年
在加拿大的一栋多层建筑中均将辐射供冷与通风系统相结合的空调系统，并最终
获得成功。但是真正的辐射供冷空调系统研究，是起源于90年代初的欧洲实验室
研究。此后，辐射供冷+置换通风在欧洲开始了大量的应用研究。最近几年，辐射
供冷开始在我国得到关注和应用。
目前国外主要研究辐射供冷系统的节能性、舒适性、实验测试、系统建模及
数值模拟等方面。
在1907 年，巴克尔教授就在英国申请了第一个辐射采暖的专利，从那时起，
人们对辐射采暖的研究一直没有停止。在二十世纪初期，前苏联的 B.A 亚希莫维
奇就组织设计并完成了多个辐射采暖系统[10]。
第一章 绪论
3
1993 年Kulpmann 对辐射吊顶供冷+置换通风空调系统舒适性进行了大量实验
研究，阐述了辐射吊顶供冷+置换通风空调系统的优势与可行性。1995 年的 J．Niu
等人通过计算机仿真模拟计算得出辐射吊顶供冷系统相对于全空气系统，具有更
加节能的优点[11]。
2002 年中野幸夫等人描述了东京地区的一座典型办公楼的冰蓄冷系统+辐射
供冷空调系统[12]，从工程角度介绍了冰蓄冷+辐射供冷空调系统的节能的潜力，均
衡负荷的作用和经济性分析等，对冰蓄冷+辐射供冷空调系统做出了综合评价。
2002 年中期，Olesen 在总结研究地板辐射供冷经验和工程实例的基础上，从
供冷性能、舒适性、控制和设计方面全面地评价了地板辐射供冷这一技术方法，
肯定了系统的可行性，并且分析了其使用要求，给出了部分设计所使用的数据[13]。
2004 年Jae．Weon Jeong 等工作人员研究分析了混合对流换热的方式对辐射吊
顶供冷空调系统制冷性能的影响，并得出混合对流换热的方式能明显提高辐射系
统制冷能力的结论[14]。
对于辐射吊顶供冷+独立新风空调系统，宾夕法尼亚大学的 Mumma 从辐射吊
顶板的供冷性能、舒适性、节能性、系统控制等方面进行了研究，得出辐射吊顶
供冷+独立新风空调系统比单一用辐射冷吊顶系统节能 15%~30%，比辐射冷吊顶
加置换通风系统节能 10%左右[15]。
伊朗的Morteza M.Ardehali对辐射顶板的热交换的机制进行了研究，建立了数
学模型并与已有的文献数据进行了对比，结果相吻合[16]。法国的J.Miriel学者利用
建立的实验室对金属辐射吊顶板的供冷性能、热舒适性和能耗进行了模拟和实验
研究，为金属辐射吊顶板在欧洲的推广应用提供参考依据[17]。土耳其的Aydin
Misirlioglu为了强化辐射吊顶房间内的空气流动，在房间顶上安装了一个翼型的结
构，并对其进行了CFD模拟，模拟结果表明：在辐射吊顶房间中加上了一个翼型
结构可起到加强通风的作用[18]。
从2000年起，大量的国内教授和学者也开始了对辐射空调系统的研究，并取得
丰硕成果。本人对国内辐射空调系统研究的内容进行总结整理如下表：
摘要：

摘要随着经济的发展，能源短缺问题日趋严重，已严重阻碍了我国国民经济的发展。建筑能耗在整个社会总能耗中比例也越来越大，其中空调能耗又是整个建筑能耗最大的一部分，节能减排工作已经迫在眉睫。因此，空调系统的节能就显得十分重要，辐射供冷空调系统是新兴的，也是未来发展趋势最好的新型空调系统。本课题主要是基于长时间的辐射吊顶单元实验测试，测试并且理论计算了单块辐射吊顶单元和两块辐射吊顶单元串联或并联组合的供冷量，在此基础上，对辐射吊顶单元进行建模分析，其中包括蛇形盘管类金属辐射吊顶单元和平行毛细管类辐射吊顶单元，分别对两类辐射吊顶单元进行建模分析、串联和并联模型建模分析，并对其进行了实验和理论数据的比较验...

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