基于計(jì)算模擬的夜間建筑構(gòu)件制冷分析研究

王悅祥

上海市建筑科學(xué)研究院

基于計(jì)算模擬的夜間建筑構(gòu)件制冷分析研究

王悅祥

上海市建筑科學(xué)研究院

本文以建立的簡易計(jì)算模擬模型為基礎(chǔ)，基于模擬結(jié)果，研究分析夜間建筑構(gòu)件制冷的效果。在計(jì)算模型中以毛細(xì)管網(wǎng)為例作為溫濕獨(dú)立控制的空調(diào)末端，考慮了建筑構(gòu)件的熱傳導(dǎo)、房間各表面及與室內(nèi)空氣的對流換熱、各表面的輻射換熱、太陽輻射、室內(nèi)人員設(shè)備散熱等因素，并對模型做了相應(yīng)的簡化。

夜間制冷 毛細(xì)管網(wǎng) 計(jì)算模擬 溫濕獨(dú)立控制

Fund Item: Shanghai Municipal Science and Technology Committee Project （Number 16DZ1202401）

近年來，因傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)存在的一些問題，溫濕獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)以其各種優(yōu)點(diǎn)得到了一定的關(guān)注和發(fā)展。例如，傳統(tǒng)空調(diào)因溫濕度需聯(lián)合處理，其冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的溫差較大，導(dǎo)致制冷劑的效率不高。而利用溫濕獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，末端溫度不需要很低，使得蒸發(fā)溫度明顯上升，系統(tǒng)效率可以有大幅度的增加。另外，傳統(tǒng)空調(diào)多用空氣作為輸送媒介，由于空氣的比熱遠(yuǎn)小于水，所以導(dǎo)致了以空氣作為輸送媒介的輸送能耗遠(yuǎn)高于以水作為輸送媒介的能耗。

再有政府利用分時電價鼓勵錯峰用電，降低電網(wǎng)壓力，以冰蓄冷為代表的蓄能系統(tǒng)也得到了非常多的運(yùn)用。

本文基于這兩點(diǎn)，將以毛細(xì)管網(wǎng)為例作為溫濕獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，融合了蓄冷的概念，依靠建筑構(gòu)件自身的蓄熱能力，對建筑構(gòu)件夜間制冷進(jìn)行了研究。

1　模型建立

本文為了對夜間建筑構(gòu)件蓄冷的效果進(jìn)行研究，需建立房間和設(shè)備的模型對房間熱平衡進(jìn)行計(jì)算，觀察室內(nèi)溫度變化，了解夜間建筑構(gòu)件蓄冷的效果。

（1）房間模型

此房間模型由天花、地面、一堵外墻與三堵內(nèi)墻組成，在外墻上另開一玻璃窗。房間長6 m，深4 m，凈高3 m。

圖1　房間幾何模型

房間模型中關(guān)注每種建筑構(gòu)件的內(nèi)外表面溫度、室內(nèi)溫度、室外溫度。考慮了建筑構(gòu)件的內(nèi)部熱傳導(dǎo)、外墻外表面與室外空氣的對流換熱、各房間表面與室內(nèi)空氣的對流換熱、各個房間表面之間的輻射換熱、太陽輻射得熱以及房間內(nèi)的得熱等。

其中為了簡化模型，對模型做了如下假設(shè)：

·房間的空氣溫度具有均一性；

·各個房間表面是等溫的；

·各個建筑構(gòu)件的內(nèi)部傳熱是一維的；

·忽略了熱橋的作用；

·太陽輻射得熱對房間內(nèi)各個部分的影響不隨時間變化；

·操作溫度為室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度的平均值等。

表1-3是各建筑構(gòu)件的結(jié)構(gòu)組成和熱工參數(shù)。

在計(jì)算房間各表面與室內(nèi)空氣和室外空氣對流換熱時，對流換熱系數(shù)按照表4選取。

由于毛細(xì)管網(wǎng)制冷大部分通過輻射方式換熱，所以輻射換熱的計(jì)算須更加準(zhǔn)確的通過計(jì)算各房間表面之間以及表面對室內(nèi)空氣的角系數(shù)。計(jì)算各表面對室內(nèi)空氣的角系數(shù)時，室內(nèi)空氣的幾何位置去房間中央高1.5 m處。

表1　外墻的組成和熱工參數(shù)

表2　內(nèi)墻的組成和熱工參數(shù)

表3　天花和地面的組成和熱工參數(shù)

表4　各對流換熱系數(shù)W·（m2K）-1

表5　各表面對室內(nèi)空氣的角系數(shù)

在整個模擬過程中，房間內(nèi)的換氣次數(shù)設(shè)為3h-1。

（2）設(shè)備模型

毛細(xì)管網(wǎng)的傳熱計(jì)算按照Stabtheorie理論進(jìn)行計(jì)算，Stabtheorie中將毛細(xì)管網(wǎng)看作是許多個小肋片的組合。如圖2所示，由于對稱關(guān)系，在研究毛細(xì)管網(wǎng)傳熱時可以只取一半進(jìn)行觀察，其中肋其中肋片長度為毛細(xì)管管距的一半，肋片厚度為π/2倍的管徑。

表6　毛細(xì)管網(wǎng)與傳統(tǒng)地暖管的參數(shù)

圖2　Stabtheotie的概念圖

圖3　根據(jù)Stabtheorie理論的替代模型

經(jīng)計(jì)算，毛細(xì)管網(wǎng)的肋片效率因其非常小的管徑和管距較傳統(tǒng)的地暖管的肋片效率高30%多。表6為毛細(xì)管網(wǎng)和傳統(tǒng)地暖管的各項(xiàng)參數(shù)比較。

如圖3所示，毛細(xì)管網(wǎng)與建筑構(gòu)件之間的傳熱可以類比成電路的形式，Ri和Ra分別表示根據(jù)Stabtheorie理論的兩個分電阻，它分別表示從肋片兩邊到各自室內(nèi)空氣的傳熱阻。

肋片兩邊的平均溫度根據(jù)肋片效率計(jì)算：

式中△ts為管中的水溫，△tm為肋片兩邊的平均溫度。

圖4　夏季典型日環(huán)境參數(shù)

（3）環(huán)境參數(shù)

在整個模擬過程中，室外的環(huán)境參數(shù)將作為模型的邊界條件對室內(nèi)溫度進(jìn)行影響，本文選取了夏季典型日的氣候參數(shù)，如圖4所示.將典型日的室外參數(shù)連續(xù)重復(fù)其次，對室內(nèi)溫度情況進(jìn)行模擬。其中分別為室外空氣溫度以及東西南北四向的太陽輻射值。在典型日中，室外溫度在15～28℃之間波動。

2　模擬結(jié)果與分析

將房間模型、設(shè)備模型以及環(huán)境參數(shù)一起進(jìn)行模擬得出室內(nèi)溫度的變化曲線。圖5中表示的是無夜間制冷的室內(nèi)溫度變化情況。由于房間在白天得到的熱量無法在夜晚完全釋放，因此在連續(xù)多日后房間溫度逐漸上升到了35℃。

而圖6中還展示了通過夜間制冷后房間的溫度變化，夜間制冷是在晚上10:00到早上6:00之間利用谷價電對房間進(jìn)行制冷，在毛細(xì)管網(wǎng)中通入20℃的冷水，再由制冷表面對房間各個表面以及設(shè)備通過輻射換熱進(jìn)行冷卻，進(jìn)而冷卻室內(nèi)空氣溫度。

圖5　無夜間制冷的室內(nèi)溫度變化

圖6　有夜間制冷的室內(nèi)溫度變化

可以明顯的看到，通過夜間制冷，在夜間室內(nèi)溫度很快得到冷卻并保持在較低的水平，直到第二天上午，由于室外溫度再度上升，室內(nèi)溫度才逐漸回升，在該過程中各建筑構(gòu)件將夜晚自身儲存的冷量逐漸釋放出來。即使在下午室外溫度達(dá)到最高，室內(nèi)冷負(fù)荷處于相對較高時，室內(nèi)操作溫度依然只在26℃左右。

再配合上傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)一步對房間溫度和濕度進(jìn)行控制，可以達(dá)到理想的室內(nèi)溫度。通過夜間制冷，大大減小了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，減少制冷機(jī)組的裝機(jī)容量。同時在夜間利用了峰谷電價的優(yōu)惠，降低了空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。需注意的是，毛細(xì)管網(wǎng)的制冷輻射面溫度較低，在實(shí)際運(yùn)用中需對房間空氣的露點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測，避免在制冷表面上發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

另外，模型中模擬的房間沒有添加遮陽設(shè)備，而在夏季太陽輻射對于室內(nèi)操作溫度的影響很大。該房間按照德國標(biāo)準(zhǔn)DIN4108-2來衡量屬于輕型建筑，熱惰性較低。因此如果考慮遮陽設(shè)備添加遮陽系數(shù)，并適當(dāng)提高房間各建筑構(gòu)件的熱工性能，使房間熱惰性更高，則夜間制冷的效果會有進(jìn)一步的提升。

3　結(jié)論

本文以計(jì)算模型為基礎(chǔ)，通過房間模型、設(shè)備模型以及環(huán)境參數(shù)的聯(lián)合模擬，得到了室內(nèi)溫度變化情況并分析了夜間建筑構(gòu)件制冷的可能性。

（1）按照模擬結(jié)果，夜間制冷能夠很好降低室內(nèi)空氣和各個建筑構(gòu)件的溫度，并在白天逐步將冷量釋放出來，延緩室內(nèi)溫度的上升，大大減少了制冷機(jī)組裝機(jī)容量的需求。

（2）夜間制冷模仿冰蓄冷的原理，將部分負(fù)荷放在夜間，利用峰谷優(yōu)惠電價，降低運(yùn)行成本。

（3）由于供冷水的溫度較高，在我國有些地區(qū)可以在夏季采用土壤源換熱器直接輸送冷量，而無需開啟制冷機(jī)（或熱泵）。此外，也為Free cooling的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。Free cooling是冷水機(jī)組（包括蒸汽壓縮式與吸收式機(jī)組）不運(yùn)行，僅利用冷卻塔的冷卻作用。

［1］Sommerliche Raumtemperaturen bei Geb?uden ohne Anlagentechnik: Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren，DIN EN ISO 13791. Ausgabe Juli 2003

［2］Bernd Glück. W?rmetechnisches Raummodell: gekoppelte Berechnungen und w?rmephysiologische Untersuchungen. ISBN 3-7880-7615-1.

［3］Mathias Fraa?.Ein Beitrag zur Theorie des thermisch aktivierbaren Bauteils［D］. 2001

［4］劉曉華，江億等著.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)［M］，北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005

Analysis and Research on Architecture Component Cooling at Night Based on Calculation Simulation

Wang Yuexiang
Shanghai Architecture Research Institute

The article is based on setting up simple calculation simulation model. It carries out research on analyzing architecture component cooling effect at night based on simulation results. The calculation simulation takes capillary network as example as independent temperature and humidity control air-conditioner terminal unit. It considers architecture component conductive heat transfer and all surfaces in room and convective heat transfer of room air， radioactive heat transfer of all surfaces， solar heat radiation， personnel and equipment heat transfer in room. Finally it simplifies calculation simulation model accordingly.

Cooling at Night， Capillary Network， Calculation Simulation， Independent Temperature and Humidity Control

上海市科委課題《公共建筑能耗數(shù)據(jù)挖掘與能效調(diào)試技術(shù)研究與示范》（編號：16DZ1202401）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.06.011