蒸發(fā)冷卻輻射板在置換通風(fēng)系統(tǒng)中的性能研究

張開通 郝小禮 黃敏華 楊軻 邢慶偉

摘要：新型蒸發(fā)冷卻置換通風(fēng)裝置由新型板式蒸發(fā)冷卻裝置與置換通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成的一個集成系統(tǒng)。該文介紹了蒸發(fā)冷去裝置與置換通風(fēng)集成空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，滿足人體的熱舒適性要求，它是一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、舒適性良好的空調(diào)系統(tǒng)形式。該文通過傳熱、傳質(zhì)仿真模擬分析重點(diǎn)討論了新型蒸發(fā)冷卻置換通風(fēng)裝置中的新型板式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的冷卻效果；結(jié)果顯示：新型板式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可增加對室內(nèi)的散熱量，同時該系統(tǒng)的最優(yōu)幾何參數(shù)也被展現(xiàn)出來。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)冷卻裝置；置換通風(fēng)；板式蒸發(fā)冷卻；數(shù)值模擬；冷卻效果

中圖分類號：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）09-0287-04

Abstract：The new type of evaporative cooling displacement ventilation device by a new type of plate evaporative cooling device with displacement ventilation system is an integrated system.This paper introduces the evaporative cooling device and the displacement ventilation integrated air-conditioning system， which can improve the indoor air quality and satisfies the requirement of the thermal comfort of human body， it is a kind of economy， energy saving， comfort good form of air conditioning system. In this paper， the cooling effect of the new type plate evaporative cooling system in the new evaporative cooling displacement ventilation device is mainly discussed through the simulation analysis of heat and mass transfer， and the results show that the new type plate evaporative cooling system can increase the heat dissipation in the room. At the same time， the optimal geometric parameters of the system are also presented.

Key words：evaporative cooling device； displacement ventilation； Plate evaporative cooling；numerical simulation； cooling effect

熱舒適和室內(nèi)空氣品質(zhì)是室內(nèi)環(huán)境的重要影響因素，在置換通風(fēng)系統(tǒng)（DV）中，通過提供全新風(fēng)可獲得室內(nèi)空氣質(zhì)量[1]，但是為了保持熱舒適和避免工作區(qū)有吹風(fēng)感，其送風(fēng)溫度不得超過18℃；速度不得大于0.2m/s[2]。這兩個條件限制了DV系統(tǒng)的能力，使消除室內(nèi)負(fù)荷不高于40W/m[3-4]，而且減小了高溫高濕環(huán)境下系統(tǒng)的能量效率。為了克服以上問題的問題，基于M-cycle的原則[5-6]，該文所提出了蒸發(fā)冷卻置換通風(fēng)裝置，裝置從室內(nèi)帶走熱空氣，同時通過水蒸發(fā)吸收熱量，這導(dǎo)致空氣溫度接近露點(diǎn)溫度。然后空氣被加熱，由于導(dǎo)熱板熱量交換，導(dǎo)熱板降溫，因此DV系統(tǒng)不增加空間系統(tǒng)的能源消耗。結(jié)果證明：蒸發(fā)冷卻輻射板提供的最大冷卻負(fù)荷為40W/m2，使得DV系統(tǒng)消除負(fù)荷的能力增加到80W/m2。

1 系統(tǒng)描述

如圖1a蒸發(fā)冷卻/置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的原理圖，圖1b是蒸發(fā)冷卻/置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的焓濕圖。蒸發(fā)冷卻裝置[7]：蒸發(fā)冷卻裝置為一空心長方體結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)冷卻裝置相對的一組側(cè)壁分別采用的是絕熱板和導(dǎo)熱板；蒸發(fā)冷卻裝置內(nèi)平行于絕熱板設(shè)有金屬板，將空心長方體結(jié)構(gòu)分成兩個相連通的通風(fēng)干通道和通風(fēng)濕通道；通風(fēng)干通道的進(jìn)口與空調(diào)房間連通，通風(fēng)濕通道的出口與排風(fēng)管道連接，排風(fēng)管道連接室外；通風(fēng)濕通道中金屬板和導(dǎo)熱板內(nèi)表面上分別覆蓋一層純棉纖維層，在純棉纖維層中鑲嵌若干多孔軟管，多孔軟管與儲水箱連接。

該系統(tǒng)的工作原理為：夏季處理的新風(fēng)空氣首先通過新排風(fēng)熱交換器與室內(nèi)排風(fēng)發(fā)生顯熱交換，新風(fēng)空氣溫度降低。然后通過新風(fēng)機(jī)組進(jìn)一步處理達(dá)到室內(nèi)送風(fēng)要求。將處理后的新風(fēng)空氣以較低的速度從室內(nèi)底部區(qū)域的送風(fēng)口1送入工作區(qū)，因新風(fēng)空氣溫度低，密度較大，在房間地板上擴(kuò)散形成一層較薄的空氣湖；由于室內(nèi)存在熱源（人員及設(shè)備）和污染源，空氣湖遇到熱源后被加熱，導(dǎo)致溫度升高密度降低，并向室內(nèi)上部流動，形成了室內(nèi)空氣流動的主導(dǎo)氣流，污染源也隨著主導(dǎo)氣流向上部流動 [8]。使室內(nèi)空氣污染物和熱量上升到天花板的水平[9]。室內(nèi)空氣在上升的過程與蒸發(fā)冷卻形成對流換熱。室內(nèi)排風(fēng)空氣從干通道入口2進(jìn)入干通道然后從濕通道3中排出室外（圖1a）。由于干濕通道流向相反，干通道中的空氣將被冷卻不增加濕度（圖1b）；濕通道中的空氣溫度和濕度增加并冷卻導(dǎo)熱板。由于通過蒸發(fā)冷卻的排風(fēng)空氣的溫度較低，然后經(jīng)過新排風(fēng)熱交換器與新風(fēng)發(fā)生顯熱交換降低新風(fēng)溫度。該系統(tǒng)通過直接的輻射和間接對流的作用來移除熱源的熱量，這將提高DV系統(tǒng)的冷卻性能在沒有額外的能源消耗。

蒸發(fā)冷卻/置換通風(fēng)系統(tǒng)是一種既能提高能源利用率又能改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的新型空調(diào)系統(tǒng)，同時也能達(dá)到節(jié)能的效果。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在提高人體熱舒適方面的優(yōu)越性和置換通風(fēng)系統(tǒng)在提高室內(nèi)空氣品質(zhì)方面的獨(dú)特優(yōu)勢，且具有良好的節(jié)能效果。室內(nèi)負(fù)荷由蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)和置換通風(fēng)系統(tǒng)共同負(fù)擔(dān)，有效控制室內(nèi)溫度和濕度；蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)消除顯熱負(fù)荷，濕負(fù)荷及有害物通過置換通風(fēng)來消除。

2 仿真模擬

2.1 蒸發(fā)冷卻裝置的仿真模擬

根據(jù)Miyazaki的開發(fā)模式等[10]。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)模型是一個一維穩(wěn)態(tài)模型，空氣通道中溫度和濕度的變化。

計算熱值交換原理和傳熱學(xué)分析的邊界條件為：蒸發(fā)冷卻裝置的排風(fēng)的整個過 程采用的壓力等于大氣壓力；金屬板、純棉纖維層和導(dǎo)熱板的水平方向熱傳導(dǎo)的影響忽略不計；通風(fēng)濕通道中的濕空氣焓平衡能用顯熱平衡和潛熱平衡獨(dú)立的表達(dá)；蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)外表面除導(dǎo)熱板，其余幾面都為絕熱材料。

干、濕通道中空氣的顯熱平衡表達(dá)式為：

干、濕的通道內(nèi)的傳熱系數(shù)是近似在矩形通道層流條件下均勻熱流沿流動方向和橫截面均勻的壁溫所確定的努賽爾數(shù)得出，因此，對于干通道的努賽爾特數(shù)為5.38，濕通道的努賽爾特數(shù)為8.23[12]。入口區(qū)域的影響被忽視。因此性能不可能過高的估計。假設(shè)路易斯等于1，然后傳質(zhì)系數(shù)可得：[hm=hρwcpw]。

2.2系統(tǒng)的冷卻效果

系統(tǒng)與室內(nèi)房間物體的熱量（如人、家具設(shè)備和電器用具），在模型中[q]表達(dá)輻射冷卻。另一方面，與室內(nèi)空氣之間形成的對流換熱將導(dǎo)致對流冷卻效果。局部對流冷卻效果的表達(dá)式：[qc=hrTr-Tc]?？偟钠骄鶎α骼鋮s的表達(dá)式：[qc=0LqcdZL]。

3 結(jié)果與討論

3.1 仿真模擬條件

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的通道的長度為5m，寬為1m。標(biāo)準(zhǔn)條件下，兩邊空氣流動的空隙高度為25mm。參數(shù)分析時值被改變。傳熱板、吸水薄層和導(dǎo)熱板的材料、厚度及導(dǎo)熱系數(shù)如圖表1。蒸發(fā)冷卻置換通風(fēng)系統(tǒng)的室內(nèi)空氣入口條件假設(shè)：室內(nèi)的溫度26℃、相對濕度50%。

3.2 系統(tǒng)冷卻表面的溫度分布

如圖2系統(tǒng)冷卻表面的溫度分布，其中通道長度5m，干濕通道的空隙寬度25mm，空氣流速為0.5m/s，無輻射冷負(fù)荷。

從圖2中可知：空氣首先進(jìn)入干通道入口，在干通道的末端空氣流動方向改變，并且空氣流量返回到濕空氣通道內(nèi)，然后通過濕通道出口進(jìn)入排風(fēng)管道。結(jié)果表明：在干通道內(nèi)空氣溫度逐步減少，在干通道末端達(dá)到最小。導(dǎo)熱板的溫度也相應(yīng)的改變。

3.3 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的幾何參數(shù)

通道長度、空隙寬度對板式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中導(dǎo)熱板的對流冷卻能力和溫度的影響如圖3、4、5。其中圖3、4、5都保持空氣流速為[0.5m/s]不變，沒有輻射冷負(fù)荷；圖3通道長度為5m不變，通道的空隙寬度在15—25mm之間變化，且兩個通道的空隙寬度是相等的；圖4通道長度為5m不變，通道的空隙寬度在15—25mm之間變化，且保持干通道的空隙寬度為25mm不變，只改變濕通道空隙寬度與同時改變兩通道的空隙寬度進(jìn)行對比分析其中；圖5通道的空隙寬度為25mm不變，通道長度在3—6 m之間變化。

從圖3 中可以看出：相同干濕通道的空隙寬度并同時增加兩通道空隙寬度，可減少對流冷卻能力和增加導(dǎo)熱板的溫度。

從圖4中可以看出：干濕通道的空隙寬度相等并同時改變或者只改變干通道空隙寬度，兩者的對流冷卻能力變化趨勢和導(dǎo)熱板的溫度變化趨勢是一樣的；當(dāng)干濕通道相等的空隙寬度小于25mm時，兩通道同時改變時的對流冷卻能力大于只改變干通道的對流冷卻能力，反之則相反。

從圖5中可以看出：蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中不同的長度，導(dǎo)熱板的溫度逐步減小在干通道末端達(dá)到最?。粚α骼鋮s能力的變化則與之相反；距離干通道入口處的相同位置，其導(dǎo)熱板的溫度和對流冷卻量幾乎不變。所以蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的長度可根據(jù)室內(nèi)空間幾何參數(shù)設(shè)計，本文以長度為5m為例。

對流冷卻能力最大化的最佳通道寬度，取決于輻射冷負(fù)荷，板式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的通道寬度為25mm，太陽能冷卻負(fù)荷為30 W/m2的情況下達(dá)到最大化[10]。通道寬度過大冷卻能力下降，過小空氣流量效率降低，本文干濕通道寬度以25mm為標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 系統(tǒng)的冷卻能力

3.4.1 通道空氣流速對導(dǎo)熱板的對流冷卻能力和溫度的影響

如圖6是保持通道長度為5m和通道的空隙寬度為25mm不變，無輻射冷負(fù)荷，空氣流速在0.3—0.6m/s之間變化。

從圖6中可以看出：隨著速度的增加，可減少對流冷卻能力和增加導(dǎo)熱板的溫度。然而較低空氣流速冷卻性能和空氣流速的效率比較低，高空氣流速噪聲比較大，冷卻能力比較小，都對室內(nèi)熱舒適產(chǎn)生負(fù)影響。

3.4.2 室內(nèi)環(huán)境溫度和相對濕度對導(dǎo)熱板的對流冷卻能力和溫度的影響

如圖7、8，其中保持通道長度為5m，通道的空隙寬度為25mm，空氣流速為0.5m/s不變，無輻射冷負(fù)荷；圖7是室內(nèi)環(huán)境溫度在25—28℃之間變化，濕度保持50%不變，圖8是室內(nèi)相對濕度在40%-60%之間變化，溫度保持26℃不變。

從圖7、8中可以看出：不同的室內(nèi)環(huán)境溫度和相對濕度對該系統(tǒng)的對流冷卻能力和溫度變化也不同。隨著室內(nèi)環(huán)境溫度或相對濕度的升高，可減少對流冷卻能力和增加導(dǎo)熱板的溫度。然而室內(nèi)環(huán)境溫度和相對濕度過大或者過小對室內(nèi)熱舒適都產(chǎn)生消極影響

3.4.3 輻射冷負(fù)荷對導(dǎo)熱板的對流冷卻能力和溫度的影響

如圖9，保持通道長度為5m，通道的空氣流速的空隙寬度為25mm，空氣的流速為0.5m/s不變，輻射冷負(fù)荷在0—30W/m2之間變化。

從圖9中可以看出：通過放大輻射冷負(fù)荷可減少對流冷卻能力和增加導(dǎo)熱板的溫度。系統(tǒng)整體的冷卻能力是對流和輻射冷卻負(fù)荷的總和，整體冷卻負(fù)荷隨著輻射冷負(fù)荷的增加而擴(kuò)大。然而更大的輻射冷負(fù)荷會對房間的熱舒適產(chǎn)生消極影響，因?yàn)閷?dǎo)熱板的溫度更高。

4 結(jié)束語

結(jié)果表明：隨著輻射冷卻負(fù)荷的增大，對流冷卻能力下降，平均頂板溫度升高，系統(tǒng)的總冷卻能力為輻射和對流冷卻負(fù)荷之和，總冷卻容量隨輻射冷卻負(fù)荷的增加而增大，但較大的輻射冷卻負(fù)荷對熱舒適性有不利影響。因?yàn)樘旎ò鍦囟雀摺?/p>

輻射板的上限溫度應(yīng)低于室溫，才有提供冷卻的效果。在無輻射冷卻負(fù)荷的[qr]影響下，整個輻射板表面的上限溫度為22 ℃，當(dāng)輻射負(fù)荷[qr] = 40 W/m2，天花板的溫度接近室溫。計算結(jié)果表明，冷卻負(fù)荷為40W/m2與系統(tǒng)的最大制冷量接近。

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