（工程熱物理專業(yè)論文）戶式中央空調系統(tǒng)氣流組織與數值模擬的研究.pdf

華北電力大學碩士學位論文摘要 摘要 本文以某典型住宅的戶式中央空調為研究對象 研究戶式中央空調系統(tǒng) 的氣流組織和熱環(huán)境評價 采用c f d模擬技術 在試驗驗證的基礎上研究不 同類型戶式中央空調及各種影響因素下 如送風溫度 送風速度 風口位置 等因素對室內流場及舒適性的影響 對不同空調方案及不同送風參數分別進 行了模擬 得出了各種工況下的溫度場和流場分布 并利用空氣分布特性指 標 a d pi 不滿意率 p p d 舒適度指標對居住環(huán)境進行了評價 為預測 分析 評價空調房間的氣流分布提供了依據 模擬結果表明戶式中央空調能 創(chuàng)造良好的熱環(huán)境 對戶式中央空調系統(tǒng)設計與分析具有一定的參考價值 關鍵詞 戶式中央空調 氣流組織 數值模擬 熱環(huán)境 abs tract i nthi s p a p e a i r fl o wd i s t r i b u t i o na n dt h e rma o n v i ron m 即t a s s e s s me n t o f h o u s e h o l d c e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m s i n a t ypi c alr e s i d e n t i a l b u i l d i n g a r es t u d i e d b a s e do nt h eres u l t sv a l i d a t e db ya ne x p e r i me n t c f dme t h o d s a r eu s e dt os t u d ya i r d i s t r i b u t i o na n dhuman t h e r ma l c o mforti n fl u e n c e db y d i ffer e n ta i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m p at t e r n sand v a r i o u sa i rs u p p i y i n g p a r a m e t e r ss u c ha ss u p p 1 yai rt e m p e r a t u r e s upp l yv e l o c i t ya n dp l a c e so f g r i l l e s t e m p e r at u r eandv e l o c i t yd i s tr i b ut i o no fd i ffer e nt a i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m sandv a r i o u sa i rs upp 1 y i n gp a r a m e t e r sa r eo bt a i n e db yn u m e r i c al r e s u l t s t h e rma l i n d e x e so f a p d i a n dp p dareapp l i e dt oe v al u at ethe rma l e n v i r o n me n to fr e s i d e n t i a lb u i l d i n g s c o n c l u s i o no b t a i nedb ys i m u l at i o n r e s u l t s c a n p r e d i c t a n a l y z e a n d e v a l u a t e a i r fl o wd i s t r i b u t i o n o f a i r c o n d i o n i n g s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c ate t h ath o u s e h o l dc e n t r a l a i r c o n d i o n i n gs y s t e ms c an c r e a t e g o o d t h e r m a l e n v i r o n m e n t fo r o c c u p a n t s a n d t h e r e s u l t s a r e b e n e fi c i al for d e s i g n i n gh o u s e h o l dc e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e ms z h o u c h u n l i p o w e r p l ant t h e r m a l p o w e r e n g i n e e r i n g d i r e c t e d b y p r o f j i n g you y i n ke ywor d s ho u s e h o l dc e u t rai a i r c n d j t i o n i n g a i r fl o wd i t r i b u ti o n n u me r i c a l s i mu l a t i o n t h e r ma l e n v i r o n me n t 聲明 本人鄭重聲明 此處所提交的碩士學 位論文 戶式中央空調系統(tǒng)氣流組織與 數值模擬的研究 是本人在華北電力大學攻讀碩士學位期間 在導師指導下進行 的 研究工作和取得的 研究成果 據本人所知 除了 文中特別加以 標注和致謝之處 外 論文中不包含其他人己 經發(fā)表或撰寫過的 研究成果 也不包含為獲得華北電 力大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本 研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意 學位 論文作者簽名 日 期 關于學位論文使用授權的說明 本人完全了解華北電 力大學有關 保留 使用學位論文的規(guī)定 即 學校有 權保管 并向 有關部門 送交學位論文的原件與復印 件 學?？梢?采用影印 縮 印或其它復制手段復制并保存學位論文 學校可允許學位論文被查閱或借閱 學?？梢詫W術交流為目 的 復制贈送和交換學位論文 同 意學?？梢?用不同 方 式在不同媒體上發(fā)表 傳播學位論文的全部或部分內容 涉密的學 位論文在解密后遵守 此規(guī)定 作者簽名 導師簽名 日期 日期 華北電力大學碩士學位論文 第一章緒論 1 1 作用 研究背景 我國住宅建設的高速發(fā)展 對我國 近十年來住宅空調的發(fā)展起了決定性的促進 隨著城市化水平的提高 推動了城市建設的發(fā)展 城鎮(zhèn)人均住宅建筑面積由 1 9 97年的17 6 m 2 提高到2002年的22 7 9 m 2 戶均住宅建 筑面 積達到70擴 住宅 功能 配套設施水平也有明顯提高 全面建設小康社會 要求住房從滿足生存需要 實現向舒適型的轉變 采暖與制冷系統(tǒng)已成為體現住宅舒適性的重要內容 在全國 大部分地區(qū)特別是氣候炎熱和夏熱冬冷的經濟比 較發(fā)達地區(qū) 居民空調器擁有量迅 速增加 不少城市空調器擁有量己超過戶均1 臺的水平 一戶擁有多臺空調器的住 戶己 不 在 少 數 111 隨著國民經濟的持續(xù)發(fā)展 人民的生活水平穩(wěn)步提高 大面積多居室的單元房 復式住宅 別墅群 高檔商住樓大量建造 1 00擴一 2 00擴 的住宅在新建住宅中的比 例越來越大 人們不但對裝演質量的要求和品位日益提高 對空調舒適性及空氣品 質的要求也日益提高 由于裝演資金投入的增加 用電支出相對比例下降等因素 促使介于傳統(tǒng)中央空調和家用空調器之間的戶式中央空調應運而生 成為當前空調 業(yè)發(fā)展的一種新潮流 戶 式中 央 空調亦 稱家 用中 央空 調 戶 用中 央 空調 家 用 商 用中 央空 調等 zj 它 是集中處理空調負荷的系統(tǒng)形式 其冷熱量是通過一定的介質輸送到空調房間 以 滿足居住的舒適性要求 戶用中央空調制冷量的范圍在 7 k w s o k w左右 適用于 居 住面 積80m 2 一600 擴使用的空調系 統(tǒng) 它與 傳統(tǒng)的分散式 房間 空調器相比 具 有節(jié)能 舒適 容量調節(jié)方便 噪聲低 振動小 不破壞建筑外觀等優(yōu)點 與大型 中央空調系統(tǒng)相比 有初投資小 安裝方便 使用靈活 計量簡單容易等優(yōu)點 因 此受到了市場的青睞和生產廠家的重視 國外在這方面開展較早 美國 日 本于二十世紀七八十年代即已大量地應用戶 式中央空調系統(tǒng) 美國城市居民家庭中平均有30 左右的人在使用或準備使用戶式 中央空調 日 本平均10 一15 左右的城市居民已經用上了舒適的中央空調產品 目前 我國大陸戶式中央空調的年生產量在2 0 多萬套 而臺灣省則已逾 10萬套 而美國為6 0 0 萬套左右日 本為2 00萬套 川 習 我國戶式中央空調在2 0 世紀9 0 年代中期起步 近年來普及速度增長迅速 戶 式中央空調在中國普及率己達到5 一5 一些沿海和經濟發(fā)達地區(qū)如北京 上海 廣州 深圳 珠海 重慶 成都普及率已達到10 左右 其中在別墅中安裝的家用 華北電力大學碩士學位論文 中央空調已經超過了40 由此可見家用中央空調特別適用于別墅 高檔公寓等大 戶型住宅 目前我國戶式中央空調年增長率在30 左右 隨著我國城市建設的迅猛 發(fā)展和房地產產業(yè)持續(xù)升溫 2 0 02年我國戶式中央空調市場容量己達43億元 2 0 03 年戶式中央空調市場容量超過 60億元 2 0 06年我國戶式中央空調市場容量將超過 1 0 0 億元 2 0 1 0 年將增長到2 0 0 億元 隨著戶式中央空調研究和制造技術水平的提高 正以其巨大的潛力和應用優(yōu)勢 取得突破性的發(fā)展 并將成為我國21世紀空調產業(yè)發(fā)展方向之一 1 2國內外發(fā)展現狀 1 2 1戶式中央空調系統(tǒng)基本類型 戶式中央空調系統(tǒng)按室內側輸送介質可分為三種型式 sj 1 冷 熱水空 調 系 統(tǒng) c 址 l l e d o r h o t w at e r a i r c o n d i t i o n g s y s t e m l 冷熱水空調系統(tǒng)輸送介質通常為水 屬空氣一 水熱泵 通過室外主機產生出空 調冷熱水 由管路系統(tǒng)輸送到室內各末端裝置 在末端裝置內冷熱水與室內空氣進 行熱量交換 產生冷熱風 從而消除房間空調負荷 它是一種集中產生冷熱量 分 散處理各房間負荷的空調系統(tǒng)形式 2 風管 式空 調系 統(tǒng) d u c t e d a i r c o n d i t i o 拍 吃s y s t e m 風管式空調系統(tǒng)是以空氣為輸送介質 其原理與全空氣空調系統(tǒng)相似 它利用 冷熱源機組集中產生的冷熱量 將室內的回風 或回風與新風的混合 集中處理 再送入室內消除房間空調負荷 3 制冷劑式空調系統(tǒng) d i re ct e x p 蹌 s io n ai 卜 c ondi ti onin g s ys t 恤 也稱多聯 機系 統(tǒng) 或v 即 系統(tǒng) 恤 r i e d r e rri g e r antvol u m e 制冷劑式空調系統(tǒng)是一種分體式空氣源熱泵 它以制冷劑為輸送介質 采用制 冷劑變流量技術 室外主機由制冷壓縮機 冷凝器和其他制冷附件組成 類似分體 式空調機的室外機 末端裝置是由 直接蒸發(fā)式換熱器和風機組成的室內機 一臺室 外機通過制冷劑管路向若干個室內機輸送制冷劑的液體或氣體 采用變頻技術或數 碼脈沖控制技術控制制冷壓縮機的制冷劑的循環(huán)量和進入室內各換熱器的制冷劑 的流量 可以適時地滿足室內冷 熱負荷的要求 除了這三種基本的系統(tǒng)型式以外 還可以互相交叉 衍生出一些新型的系統(tǒng) 例如 將冷 熱 水機組和風管式系統(tǒng)進行組合 往室內送冷 熱 水處理房間空調負 荷 而新風統(tǒng)一由室外機處理后分別送入各個房間等情況閣 按室外側的冷熱源形式 戶式中央空調系統(tǒng)可以分為空氣源熱泵系統(tǒng) 水環(huán)式 華北電力大學碩士學位論文 熱源空調系統(tǒng) 地 水 源熱泵系統(tǒng) 戶式燃氣空調系統(tǒng)和單冷機組 其它熱源系 統(tǒng)等類型 12 2國內外發(fā)展形式 戶式中央空調的發(fā)展與經濟發(fā)展水平 氣候條件及社會人文環(huán)境等因素密切相關 生活水平 住宅形式 能源價格 地理 l 美國 戶式中央空 調發(fā) 展情況 卜 7 美國的戶式中央空調普及率較高 主要走的是 風系統(tǒng) 的道路 即家用中央 空調的系統(tǒng)形式以風管式空調系統(tǒng)為主 美國是世界第一經濟大國 人民生活水準 較高 對居住的舒適性要求也較高 這些都促進了小型中央空調的使用與普及 美 國由于經濟發(fā)達 人口密度相對不高 其工作和居住條件優(yōu)越 很大一部分是別墅 型住宅 具有寬敞 高大的特點 由于其層高較高 具有足夠的建筑空間用于布置 風道 而且美國的電力資源充足 價格相對低廉 因此 在美國風管式家用中央空 調所占的比重相當大 同時 由于美國居民對家用空調舒適性的要求較高 因此多 采用有新風的風管式空調系統(tǒng) 集成式燃氣爐戶式中央空調系統(tǒng)在美國的應用也非常普遍 此種家用中央空調 系統(tǒng)在供冷季節(jié)由制冷機供冷量 在供熱季節(jié)由燃氣鍋爐供熱量 對室內回風和新 風進行處理 消除房間空調負荷 同時也可以滿足家庭生活熱水的需求 2 日本戶式中央空調發(fā)展情況 日本的家用空調走的是一條 氟系統(tǒng) 為主的發(fā)展道路 從窗式空調器到定速 分體式空調器 再到變頻分體式空調器 同樣 日本的戶式中央空調也以制冷劑空 調系統(tǒng) 即多聯機系統(tǒng)為主 在世界制冷劑式空調行業(yè)中 在20世紀90年代以前 60 的市場被日 本所占 有 并且在設備開發(fā)和控制技術上都處于世界最前沿 這為日本發(fā)展 v ry系統(tǒng)提供 了技術保證 同時日本國土面積小而人口 眾多 人口密度非常大 其住宅多屬于高 密度住宅 建筑結構較為緊湊 一般層高較低 不適合于布置需要占 有較大層高的 風管式空調系統(tǒng) 而且日本是個能源匾乏的國家 其能源消耗主要依賴于從國外進 口 因此該國非常強調節(jié)能 家用空調作為能源消耗大戶 其節(jié)能技術的開發(fā)尤其 受到重視 v r v系統(tǒng)的節(jié)能性是在日 本得到廣泛應用的一個重要原因 另外 對于 專業(yè)的空調安裝隊伍來講 v r v系統(tǒng)的安裝非常規(guī)范 施工費用低 以上這些因素 決定了日 本家用中央空調的形式以v r v系統(tǒng)為主 日 本比較高檔的別墅住宅 也有采用風管式空調系統(tǒng)的 風管式單元空調系統(tǒng) 和風管式空調箱系統(tǒng)都有應用 對于中級住宅或規(guī)模較小的高級住宅也有采用冷 華北電力大學碩士學位論文 熱 水機組的 在這種系統(tǒng)中 室內末端裝置多采用落地式風機盤管 3 我國戶式中央空調發(fā)展情況 我國的戶式中央空調最早是走 水系統(tǒng) 的道路 主要發(fā)展的是風冷熱泵冷熱 水機組的形式 目 前該類產量仍占我國戶式中央空調的70 以上 風管式空調系統(tǒng) v rv 空調系統(tǒng)相對較少 之所以出 現目 前這種格局 有如下幾個方面的原因 6 司 1 風冷熱泵冷熱水機組的室外主機實際上就是一個風冷熱泵裝置 室內末端 是風機盤管 小型風冷熱泵冷熱水機組國外是叫 m ini c h ill e r 在美國 歐洲 等地己有超過20年的生產制造使用歷史 中國國內在90年代初有中央空調廠家開 始制造 我國的風冷熱泵技術經過多年的探索和研究 已經基本成熟 而風機盤管 技術我國目前己經處于世界領先水平 因此我國發(fā)展風冷熱泵冷熱水機組在技術上 有保證 2 風冷熱泵冷熱水機組不需要占有太多建筑層高 在住宅內布置較為方便 且施工簡單 安裝費用低 而風管式系統(tǒng)的設置需要與建筑結構相配合 占用建筑 空間大 且施工不方便 很難實現各個房間的獨立控制調節(jié) 對于 v r v空調系統(tǒng) 目 前國內在此領域的技術尚不成熟 管道材質 現場焊接 管道施工要求非常高 而且v r v空調系統(tǒng)的初投資太高 限制了它的在住宅建筑中的推廣 3 從舒適角度考慮 風管式空調系統(tǒng)由于各房間調風與調溫的問題解決得不 好 很難同時滿足多個房間不同的空調溫度的需求 而風冷熱泵冷熱水機組則可以 通過控制風機盤管很方便地進行各房間的獨立控制和調節(jié) 同時也能達到節(jié)能地目 的 我國幅員遼闊 地理 氣候條件較為復雜 各地區(qū)經濟發(fā)展水平差異大 住宅 形式差異大 生活習慣也不盡相同 我國對戶式中央空調的需求是多樣化 多層次 的 因此應針對我國實際情況選擇適應我國國情的戶式中央空調系統(tǒng) 1 2 3國內外研究動態(tài) 對于戶式中央空調的設計及選型有許多爭議 劉耀斌等 幻 把風管式機組作為我 國 戶式中 央空調的 發(fā)展方向 曹曉陽 等 10 分析風管式戶式中 央空調的 各種優(yōu)點 并 對風管機類型的選擇 容量確定等進行探討 饒榮水 11 譚波 12 等針對目 前國內 普 通多層住宅樓普遍存在的層高低 居室空間小等特點 就風管式家用中央空調在安 裝和使用中存在的風管安裝困難 不易實現分區(qū)獨立制冷和控制等問題 進行了一 定的理論和實際 探索 并提出了 設計思路 沈偉剛 lsj 根據風管機和戶型的 特點 提 出解決方案并做了較合理設計 但都并未針對戶型與氣流組織如何進行設計作出說 明 于梅春等 幻 指出以 風機盤管為末端裝置的冷 熱水機組型式是我國 戶式中央空 調主要發(fā)展型式 東南大學夏鼓 對各種戶式中央空調系統(tǒng)的組成及特點做了比 較 4 華北電力 大學碩士學位論文 分析 認為小型風冷熱泵冷熱水機組最適合我國國情應用最為廣泛 并歸納出小型 風冷熱泵冷熱水機組家庭應用的各項改進技術 并編制了家用中央空調系統(tǒng)計算機 輔助設計軟件 針對小型風冷熱泵冷熱水機組 西安建筑科技大學李向東研究了 住宅適用的各種空調系統(tǒng)中存在的室內空氣質量問題及提高室內空氣質量所采取 的措施 認為設置獨立新風系統(tǒng)是提高住宅室內空氣質量最根本的途徑 指出住宅 采用變風量系統(tǒng)是提高住宅室內空氣品質的最佳手段 對戶式中央空調變風量的構 成及控制進行了 詳細論述洲 李中 領等 川 提出 地源熱泵技術應用于戶式中央空調的 可行性 并結合工程實例給予了 技術性和經濟性分析 邵宗義等提出 三個區(qū)域 發(fā)展理論 對我國不同區(qū)域采用不同戶式中央空調方案進行了分析研究 l j 5 o khar s c 對 住宅空 調通 風性能的 增強 提出 建議 171 ji c how 等認為在 亞熱帶 地區(qū)家庭空調形式適宜采用風冷熱泵機組 空調制冷的同時提供生活熱水tl81 a rd 比ali 等認為對于住宅建筑 采用變風量變溫度系統(tǒng) vv t 的空調方式在滿負荷 與部分負荷情況下 不僅可保持房間舒適度更有節(jié)能效果 闊 je le nas r 比ric c 址n qi雌y 叭等提出了 進行室內 熱環(huán)境研究的氣流和能量藕合模擬程序 川 西南交通大學馬永杰 側 分析了戶式中央空調設計中的幾個問 題 指出住宅內空 氣品質不高 熱舒適環(huán)境難以保證的原因主要是 新風量不足 暖通部件對室內空 氣的污染 氣流組織較差 室內設計溫度的選取不準確等 并為此對單個房間側面 送風下部回風和側面送風側面回風兩種氣流組織方式進行了數值模擬 并得出戶式 中央空調常用的側面送風側面回風是不良的氣流組織形式的結論 上海理工大學動 力工程學院趙慶孝等 21 用 f luent軟件對小型家用中央空調氣流組織進行數值模 擬 但主要是 研究家 用中 央空 調 測試室 氣流組織 西北工業(yè)大學劉歐子等 川 閣對單 元住宅內空調氣流作了三維模擬計算 預測了兩室一廳套室內氣流三維流場和溫度 場 得到了幾個時刻套室內氣流的速度 溫度和人體熱舒適指數等參數的分布 并 作出了評價 目前空調送風性能的研究主要是通過模型實驗和 c f d數值模擬 采用模型小 室進行實驗 一方面需要投入大量的人力物力 另一方面各種實驗工況在實驗室進 行 試驗條件受限 而采用數值模擬方法可進行各種工況下的分析研究 利用c f d 方法可得到室內空氣流動形成的速度場 溫度場等物理量的詳細分布情況 對保證 良 好的房間空調氣流組織設計方案 提高室內空氣品質以及減少建筑物能耗都有重 要的指導意義 本文采用 c f d技術研究戶式中央空調在不同設計方案 送風口位置 送風距 離 送風角度 送風速度情況下 室內的空氣溫度分布 速度分布情況 評價送風 性能 熱舒適環(huán)境 華北電力大學碩士學位論文 1 3論文主要工作內容 目 前戶式中央空調的系統(tǒng)設計水平良 勞不齊 很多還停留在套用經驗 簡單估 算的層面上 而設計質量的好壞 將直接影響到使用效果 甚至造成系統(tǒng)不能正常 運行 因此針對戶式中央空調系統(tǒng)的 特點 技術要求與住宅建筑特殊性綜合考慮 本文采用數值模擬方法 研究戶式中央空調在不同送風方式 送風口尺寸 長 寬 送風溫度 送風量 送風速度情況下 室內空氣溫度分布 速度分布情況 不同送 風形式對熱舒適性的影響 提出戶式中央空調系統(tǒng)設計方式及送風參數 山闡述戶式中央空調的基本原理 系統(tǒng)形式 氣流組織的基本知識 總結各種 戶式中央空調系統(tǒng)的優(yōu)缺點及發(fā)展現狀 2 各種形式戶式中央空調方案研究與系統(tǒng)設計 戶式中央空調節(jié)能設計與住宅 空氣質量狀況 戶式中央空調系統(tǒng)常用的送風形式及要求 3 介紹數值模擬的基本原理與方法 分析了暖通空調領域數值模擬中紊流模型 的選擇 邊界條件的設置及代數方程的求解問題 4 對某住宅空調工況下的溫度場與速度場進行了實測與數值模擬 通過對實測 值與數值模擬結果的比較 驗證數值模擬的可行性 5 采用 c f d模擬技術 研究不同設計方案的速度場和溫度場 以及對房間舒 適性的影響 6 通過 c f d模擬結果分析 提出較佳的戶式中央空調系統(tǒng)設計方式及送風參 數 一一一一一一一一一一一一生韭 電 力 大 學 碩 士 學 位 論 文 第二章戶式中央空調系統(tǒng)特點 2 1冷熱水空調系統(tǒng) 戶式冷水 熱泵 機組又有兩種基本型式 l 電力驅動蒸氣壓縮循環(huán)式冷水 熱泵 機組 即風冷熱泵冷熱水機組 該類機組多數采用電動機驅動制冷壓縮機產生冷熱源并與冷媒水換熱得到空 調用冷熱水 再通過水泵送至室內側機組 風機盤管 并與室內空氣進行換熱 實 現室內空氣調節(jié) 每臺室內側機組 風機盤管 可獨立開 停和變風量控制 2 使用一次能源的吸收式冷 熱 水機組 該類機組采用燃氣 天然氣 管道煤氣 液化氣等 作為動力源 以澳化鏗溶液 作吸收劑 水為制冷劑 主機產生的冷 熱 水通過水泵送至室內側末端設備 并經 過末端設備與室內空氣進行換熱 實現室內空氣調節(jié) 每臺室內 側末端設備可獨立 開 停和變風量控制 此機組還可提供生活熱水 2 1 1風冷熱泵冷熱水機組 風冷熱泵冷熱水機組屬于空氣 水熱泵 用于戶式中央空調系統(tǒng)的空氣源熱泵 冷熱水機組其室外機一般由壓縮機 冷凝器 蒸發(fā)器 循環(huán)水泵等設備組成 室內 末端裝置通常為風機盤管 室內溫控開關可以控制風機轉速和電動三通調節(jié)閥 從 而調節(jié)送入室內的冷熱量 實現對每個空調房間的獨立控制和調節(jié) 滿足各個房間 不同的個性化空調需求 主機多為定頻壓縮機 通過當室內空調負荷低時停機 高 時啟動來實現節(jié)能 風冷熱泵冷熱水機組冬 夏季共用 結構緊湊安裝方便 自 控設備完善管理簡 單 空調系統(tǒng)以 水為介質輸送能量 清潔安全并有一定的蓄熱性能 冬季化霜期間 對室內溫度影響小 無吹冷風現象 舒適性好 夏季送風溫度適宜不干燥 但在使 用過程中 風冷熱泵冷熱水機組也暴露出一些問題 如在偏北地區(qū)使用時 制熱效 果差 除霜效果不理想 在寒冷高濕地區(qū)冬季使用時 一般設置輔助電加熱器增加 供熱量 滿足采暖需求 也有采用風冷熱泵冷熱水機組 獨立熱源系統(tǒng) 燃氣采暖熱 水鍋爐 電熱水鍋爐等 方案解決冬季供熱問題 風冷冷熱水機組一般有整體式和 分體式兩種型式 整體式機組結構緊湊 操作簡便 安裝維護方便 分體式機組水 系統(tǒng)部件全部放置于室內 并有控制器做防凍保護 可解決寒冷地區(qū)由于室外溫度 過低而凍壞水箱及換熱器等部件的問題 如圖2 一 1 和圖2 一 2 所示 華北電力大學碩士學位論文 2 4 戶式中央空調系統(tǒng)的比較與適用范圍 表2 一戶式中 央空調系統(tǒng)的比 較與適用范圍 項目 名稱 冷熱水空調系統(tǒng)風管式空調系統(tǒng)制冷劑系統(tǒng) 主機 風冷熱泵冷熱水機組風管式熱泵型機組 變頻和一般多聯機系統(tǒng) 熱泵 傳輸介質 水或乙二醇溶液空氣制冷劑 構成 室外側 熱泵機組 室內 側 風機盤管機組 冷媒輸送系統(tǒng)為水管 室外側 制冷機與室外散熱 器 室內 側 風機蒸發(fā)器 空調箱 統(tǒng)一處理空氣 冷媒輸送系統(tǒng)為風管 室外側 壓縮機 室外風 冷盤管 節(jié)流元件 室內側 風機 直接蒸發(fā) 器 冷媒輸送系統(tǒng)為制冷劑 管路 經濟性 初投資較低 運行維修費 用低 節(jié)能效果好 初投資較小 初投資高 節(jié)能效果好 運行費用適中 舒適性及 空氣品質 噪聲低 舒適性一般 新 風換氣較難 空氣品質較 差 集中 送風 便于引進新風 空氣品質較好 制冷速度快舒適性好 可滿足不同房間的溫度 需求 不易引入新風 技術性能 技術成熟 運行可靠性好 使用方便 室外機可模塊 組合 無限擴展 控制靈 活 可實現高度智能化 技術成熟 運行可靠性好 制冷劑回路設置在機組內 制冷劑不易泄露 有利于環(huán) 保 冷損失小 系統(tǒng)便于擴 展 變頻調控 控制靈活 運轉平穩(wěn) 安裝維護 安裝工作量大 維護工作 難 整體式機組需防凍 安裝較難 受層高限制需考 慮合理布置 不存在漏水問 題 維護較容易 總體工作量小 制冷劑 泄露時 要及時補充 優(yōu)點 空氣分布設計多樣化易滿 足舒適要求 各個房間可 以單獨調節(jié) 能量調節(jié)靈 活 室內局部吊頂對建筑 影響小 空氣分布可按需布置 可提供新風 過渡季節(jié)可以 全新風 各個房間可以單獨調 節(jié) 節(jié)能明顯 室內機 高度低 對樓層高度要 求不高 自 動化程度高 有利于負荷調節(jié) 節(jié)能 性 缺點 水系統(tǒng)進入室內 安裝必 須保證質量 否則會造成 水患 一般無新風供給 蒸發(fā)溫度相對偏低 需設 板式換熱器 水泵 膨脹 閥等水力平衡模塊 室內布置風道 對層高要求 高 分室調節(jié) 要設專門風 閥 室內 機及風管占 用空間比較 大 輸送制冷劑的銅管 室 內機布置不方便 變頻 v r v 系統(tǒng) 價格比 較高 制 冷劑管路安裝要求高 否則有泄漏隱患 使用性 別墅 多層或高層型公寓 對樓層要求高 適用于層高 較高的辦公場所或別墅 對樓層高度要求不高 適用于別墅 公寓 工程應用 節(jié)約空間 適用性廣 被 大多數工程采用 市場占有率不高 市場占 有率不高 華北電力大學碩士學位論文 2 5戶式中央空調氣流組織 在戶式中央空調中 經過處理的空氣出 送風口 送入室內 與室內的空氣進行熱 質交換后 經回風口排出 空氣的進入和排出 必然引起室內的空氣流動 而不同 的空氣流動狀況有著不同的 空調效果 合理地組織室內空氣的流動 使室內 空氣的 溫度 濕度 流速等能更好地滿足人們舒適性要求 這便是氣流組織的任務 11 空 氣調節(jié)房間的氣流分布 應根據室內 溫度參數 允許風速 噪聲標準和空氣質量等 要求 結合房間特點 內 部裝修及設備散熱等因素綜合考慮t2 氣流組織直接影響室內空調效果 是關系著室內 溫濕度基數 精度及氣流速度 和潔凈度的重要因素 是空調系統(tǒng)中的一 個重要環(huán)節(jié) 影響室內 氣流組織的因素很 多 如送風口 型式和位置 回風口 位置 送風射流參數 主要是指送風溫差 送風 口 直徑 送風速度等 室內 幾何形狀以 及熱源位置等 在以上諸因素中 送 回 風口的形狀 位置和送風射流參數是影響氣流組織的主要因素 2 5 1氣流組織的要求 戶式中央空調系統(tǒng)所服務的對象通常是臥室 起居室 餐廳 活動室以及家庭 影像音響播放室等房間 因此 合理的氣流組織對于滿足溫濕度的設計要求和提高 人體的舒適度是十分重要的 在設計時應符合下列要求 1 滿足室內 設計溫度濕度及其波動范圍 工作區(qū)允許的氣流速度 噪聲標準 2 氣流分布均勻 避免產生短路和 死角 3 風口 布置要與建筑裝修有較好的 配合 盡量做到簡潔 實用 4 對于多層和高層住宅的空氣調節(jié)系統(tǒng) 在保證氣流射程的前提下 盡量以 側送風為主 以最大限度的保證房間的吊 頂高度 送風口的出口 面風速 應根據風量 射程 送風方式 風口 類型 安裝高 度 室內允許風速和噪聲標準等因素確定 一般情況下 空氣調節(jié)房間內 人員活動區(qū)的 氣流速度不宜大于表2 一 3 的要求 從熱舒適性出 發(fā) 室內活動區(qū)的允許流速還與室內 溫度有關 室溫高者允許的風速較大 表2 一 3室內人員活動區(qū)的允許氣流速度 人體狀態(tài)長時間靜坐短時間靜坐輕體力活動重體力活動 適用場合 臥室 書房起居室 餐廳活動室健身房 送冷風送熱風送冷風送熱風送冷風送熱風送冷風送熱風 允許流速 n 公 5 01 00 2 001 50 3 00 2 00 一 3 50 3 0045 華北電力大學碩士學位論文 25 2戶式中央空調系統(tǒng)常用的送風形式及要求 1 百葉側送或條縫型風口側送 根據住宅房間特點 側送風口可布置的幾種形式 單側上送上回 單側上送下 回 單側上送 走廊回風等多種形式 雙側上送下回 雙側上送上回 如圖2 一 1 0 所 不 草侶上送上回 轟 器轟 翌 鑫 翌 馨款馨 圖2 一 10側送風的幾種方式 目 前最常用的送風方式一般為上送上回式 對層高較低 進深較大的空調房間 宜采用單側或雙側送風 貼附射流 當采用側送風時 回風口宜布置在送風口的同 側下方 當采用雙側送風時 兩側相向的氣流應在生活區(qū)或工作區(qū)以上搭接 側向 多股平行射流應互相搭接 2 散流器或條縫風口頂送 當空調房間層高相對較高 有吊頂或技術夾層可利用時 可采用圓形 方型和 條縫形散流器頂送 在設計使用各種散流器頂送風時 應注意風口和吊頂裝飾的配 合 散流器下送分為平送 貼附頂送 和下送兩種形式 前者用于對室溫波動范圍 要求較高的房間 如臥室 餐廳等房間 而后者則用于層高相對較高 要求送風氣 流射程較大的場合 如別墅內的門廳 兩層空間高度 等場所 條縫型送風口的結構與其他形式的送風口相比略為簡單 氣流的中心風速衰減 也 較 快 適 用于工 作區(qū) 允 許 風速0 25 面5 一 1 5 耐5 溫度 波動 范圍 為士1 2 的 場合 在餐廳 起居室采用這種形式的風口 沿窗戶上部布置 可以起到風幕的作用 有 利于穩(wěn)定和調節(jié)房間內溫 濕度參數 3 噴口送風 噴口 送風在戶式中央空調系統(tǒng)中主要使用在空間比較高大的區(qū)域內 如大型別 墅的門廳等 噴口有圓形和扁形兩種形式 華北電力大學碩士學位論文 2 5 3戶式中央空調系統(tǒng)送風速度要求 戶式中央空調系統(tǒng)送風口的送風速 度應根據房間的使用性質 對噪聲的不同要 求及送風口型式分別按表2 一 3 表2 一 4 表2 一 5 選用 表2 一 4側送百葉送風口最大送風速度 房間類別最大送風速度 n 口 5 房間類別最大送風速度 耐5 臥室 書房 z j 3 8個人辦公室2 5 4 0 餐廳 起居室2 5 3 8 活動室 健身房 5 硒 家庭影音室 1 5 2 5 表2 一 5散流器喉部最大送風速度 房間類別允許噪聲z d b a 吊頂高度 m 3 m以下 444 臥室 書房 3 3 3 94 3 54 一 6 54 8 55 00 餐廳 起居室 4 0 4 65 1 55 4 05 7 55 一 8 5 家庭影音室3 23 94 1 54 254 3 5 個人辦公室 4 0 4 6 5 1 55 4 05 一 7 55 一8 5 活動室 健身房 4 0 4 651 55 4 0 5 一7 5 5 一 8 5 表 2 一 6條縫 噴口 送風速度 送風方式送風速度 耐5 備注 條縫風口2 礴 送風口 位置高或活動區(qū)允許風速大時 取較大值 噴口 4 8 當空調區(qū)域內 噪聲要求不十分嚴時 最大值可取 10創(chuàng)5 2 54戶式中央空調系統(tǒng)回風口布置要求 1 回 風口的布置 回風 口的布置方式應符合下列要求 1 空調房間的氣流流型主要取決與送風射流 回 風口的位置影響很小 對區(qū) 域溫差的影響亦小 因此除高大空間或大面積而有較高區(qū)域溫差要求的空調房間 外 一般可僅在一側集中布置回風口 2 回風口不應設在射流區(qū)內 對于側送方式 一般設在送風口同 側下方 下 部回風易使熱風送下 如用散流器頂 送時 回風口最好設于下方 華北電力大學碩士學位論文 3 可采用走廊回風 但走廊回 風口 應設在房間的下部 回風口所在位置 吸風速胭 n 公 房間上部4 0 5 0 房間下部 不靠近座位3 0礴 0 靠近座位1 5 2 0 走廊回風 1 0 1 2 回風口的吸風速度 回風口的吸風速度可按表2 一 7 選用 當房間內對噪音要求較高時 回風口的吸風 速度應降低 2 5 5風量分配及壓力控制 設有戶式中 央空調系統(tǒng)和機械排風系統(tǒng)的建筑物 其送風口 回風口和排風口 位置的設置以及送風 回風和排風風量的 平衡 要有利于維持房間內所需要的空氣 壓力狀態(tài) 1 建筑物內 空調房間應維持正壓 2 建筑物內 廁所 蠱洗室內 維持負壓 臥室內維持正壓 4 餐廳的前廳應維持正壓 廚房應維持負壓 餐廳內空氣壓力應處于前廳和廚 房之間 2 5 6戶式中央空調系統(tǒng)新風與排風 我國 規(guī) 范規(guī) 定最 小新 風量 為 1 7 擴 h 人 卜 3 0 擴 h 人 因 此 在戶式 中 央 空調的 房間中 應設新風 戶式中央空調系統(tǒng)新風引入形式 l 滲入新風 室內不設新風系統(tǒng) 靠浴廁排風 造成負壓 新風自門窗縫隙滲透 優(yōu)點 節(jié) 省造價和建筑高度 缺點 易短路 新風不一定得到保證 如果排風機不開 僅靠 機組循環(huán)室內空氣 無法達到進新風的目 的 2 墻洞引入新風 在靠近室內 機組的墻上開墻洞 用短風管引 入新風接入機組回風箱 新風口 設 過濾網 這種形式初投資省 節(jié)約建筑空間 新風冷負荷由室內 機承擔 這種方式 1 9 華北電力大學碩士學位論文 在戶式中央空調中應用較好 尤其適用于風管式空調系統(tǒng) 獨立新風系統(tǒng) 一種情況是設置新風機組加排風系統(tǒng) 新風處理到室內空氣焙再送到每個空調 房間 這種方式可保證空氣品質的提高 但冷量浪費 大 同時由于增加了新風機及 其安 裝 增加了造價 同時也占用一定空間高度 另一種情況是在新風和排風之間 設置 全熱或顯熱交換器 其特點是在保證新風量供應的基礎上充分回收排風中的冷 量或熱量 節(jié)約能源 2 6室內氣流組織評價指標 氣流組織的任務就是合理地組織室內 空氣的流動 使室內 空氣的 溫度 濕度 流速等能更好地滿足工藝要求和符合人體的舒適感 室內 氣流組織形式及送風方式 性能的優(yōu)劣需給予客觀 科學的評價 對以人為主要服務對象的舒適性空調來說 其評價標準不外舒適性和經濟性兩個方面 前者為對氣流在工作區(qū)形成的溫度場 速度場是否能滿足人們的衛(wèi)生和舒適要求的評價 后者則考慮為消除工作區(qū)的余熱 量所需的能耗是否最低 對大多數空調房間來說 輻射的 影響有限 相對濕度在較 大范圍內 3 0 一 7 0 對人體的舒適性影響不明 顯 可主要考慮空氣溫度和氣流速度 綜合作用 此外還可以采用其他指標進行評價 下面簡要介紹一下常用的室內 氣流 組織的各種評價指標 2 6 1溫度場和速度場 為了 反映室內的 氣流組織效果 通過直接計算工作區(qū)溫度和速度的分布均勻程 度和符合給定條件測點所占比例的大小來進行評價 分別有下列三個指標 繃 l 溫度不均勻系數無 2 速度不均勻系數石 3 符合給定條件測點比 例數f 當工作區(qū)有n 個測點 分別測得各點的溫度和速度 則工作區(qū) 溫度和速度的算 術平均值即為 迎 n 腸 一 五 蘭 2一 1 2 一 2 工作區(qū)內空氣溫度和速度的均方根偏差為 華北電力大學 碩士學 位論文 叮i 厚平 了 里 共 井 上 2一 3 叮 2 一 4 式中 tx 風 測點 的 溫度 和 速度 耐5 揚 玲一 所 有 測 點 溫 度 的 算 術 平 均 值 c 和 速 度 的 算 術 平 均 值 耐 5 溫 度 和 速 度 的 均 方 根 偏 差 戊 口與 平 均 溫 度 物和 平 均 速 度 啼的 比 值 即 為 溫 度不 平 均系 數無 和速 度不 平均 系數瓜 k 二 竺 揚 k 二 巫 心 2 一 5 么6 此 外 在 工 作 區(qū) 內 符 合 給 動溫 度 和 速 度 條 件 的 測 點 數 藝 與 測 點 總 數 的 比 值為符合給定條件測點比例數f 即 歹 互 沙 二 2 7 上述三個指標七 石和f客觀反映了室內 氣流組織的情況 即溫度場與速度場 的均勻性和舒適程度 為改進空調設計和進行系統(tǒng)的調試提供了依據 2 6 2熱舒適性指標 舒適空調的目 的在于為人們提供舒適的空氣環(huán)境 人的熱舒適感是外界環(huán)境對 人體產生的生理反映和主觀感覺 熱舒適的定義是 對熱環(huán)境感到滿意的心理狀態(tài) 這一定義成為熱舒適被廣泛接受和引用的定義 人體對于所處的熱環(huán)境的 生理反應 從客觀上講是無法準確描述的 因此就需要在實驗室條件下給這種主觀印 象相應的 評定標準 本文涉及的熱舒適評價標準有以下幾種 由 f ang er 教授提出的p m v 一 p d 指標 有效風感溫度 ed t e n 免 c t i 姆d r a ft t e m p 姍脈 空氣分布特性指標 a d pi air d i ff u s i o np e r formanc e lnd e x 1 p mv 一 p p d指標 19料年國際標準化組織提出了室內熱環(huán)境的評價與測量的新標準化方法 1 5 0 7 7 2 6 在1 5 0 7 7 3 0 標準中以f 皿g e r 提出的p m v p p d 指標來描述和評價熱環(huán)境 華北電力大學碩士學位論文 該指標綜合考慮了人體活動程度 衣服熱阻 空氣溫度 平均輻射溫度 空氣流動 速度和空氣濕度等六個因素 利用人體熱平衡原理 確定了預期平均評價 p m v pr ed icted m e an v o te 的數學 表達式 并 利用概率分析方法 確定了 p m v 和 預 期不滿意百分率p p d p r e d i c te dp e r c e nt a g o o f d i s s at i s 五 e d 指標之間的 數學關系式 f an ge r 提出 的 p m v 評 價 指 標的 數 學 表 達 式 為 s1 pmv 0 3 0 3 二 0 3 6 m 0 0 2 7 5 1 一 甲 一 3 0 5 5 7 3 3 一 0 0 0 7 m 一 平 一 po 0 4 2 m一 砰 一 5 8 1 5 一 1 7 3 x l o 一 m 5 86 7 一 幾 一 0 oo1 4 m 3 4 一 一 為 tcl 一 蕎 27 丫 一 沁 一 ta feses 哥 x 式中m 一人體能量代謝率 決定與人體的 活動的 大小 w 擴 牙一人體所作的 機械功 w 仙2 p 一人體周圍水蒸氣的分壓力 pa tu一人體周圍空氣的溫度 為一穿衣面積系 數 tcl一衣服外表面溫度 杏一房間平均輻射溫度 h 一對流換熱系 數 w m z k 按公 式計算結果 p m v 一 3 開3 f a n g e r 將熱 感覺分為 7 級 一 3 計3 p m v 分度 見表2 一 7 表2 一 7p mv 熱感覺標尺 熱感覺熱暖微暖 適中微涼涼冷 p mv 值 3 2 l0 1一 2 一 3 p m v 指標代表了同一環(huán)境絕大多數人的冷熱感覺 因此可以用p mv 指標預測熱 環(huán)境 下 人 體的熱 反 應 由 于 人與 人 之間 的 生 理 差 別 故 用預期 不滿 意 率伊 p 功指 標 來表示對熱環(huán)境不滿意的百分數 150 7 7 3 0 對p m v 一 p p d 指標的推薦值為 p p d l0 相當于在人群中允許有10 的人感覺不滿意 即90 以上的人感到滿意的熱環(huán)境為 熱舒適環(huán)境 此時對應一 0 5 pmv 0 50 f an ge r 教授給出 預測平均熱感覺投 票率 p m v 和預測不滿意百分量率 p p d 的 關系 計算式如下 華北電力大學碩士學位論文 二 1 0 0 一 9 5 e 卜 0 0 3 3 5 3 0 2 1 7 9 2 一 9 圖2 一 11給出了p mv 和p p d 之間的關系曲線 二漢二 二 1 二 二 二 1 二 二 牡好 了 二 二 入士 落 二 二 霧 二 二 二 井 試二 二 二 三 三 于 戈二 二 二 三 拼簇飛 三 月三 長 牙汗三 三 趁0 幾 j 粉 日夢 圖2 一 llp m v和p p d 關系曲線圖 f an ge r 和c 址 i st e ns en 指出 熱舒適由 平均 氣流速度 溫度和 氣流特性決定 湍流 狀態(tài)下 p p d 的 平均氣流速度和空氣溫度的關系如下 2 目 3 j 三 鸚 9 戶 又 t 一 1 3 7 一00 0 d g 5 7 2 一 1 0 式中v 一平均氣流速度 ta 一空氣溫度 2 有效風感溫度 耐5 其適用范圍 19 t 簇26 5 p pd 40 e d t e 月 免 c t l v e d r aft tem per a to xe 熱舒適不是可以直接測量的 它是個人潛意識層面上的感覺評價 氣流速度對 于人體的熱感覺具有和空氣溫降一樣的冷卻效應 在空調供冷的季節(jié)里 氣流速度 的冷卻效應可以被充分利用 空氣最大流速可以達到0 76n 歲 5 在此風速下 由于氣 流運動而產生的令人不快的感覺會比較明顯 一些輕小物體 如紙張 頭發(fā)和粉塵 顆粒會被四處亂吹 在此最大值以下 對于位于空調區(qū)域的人來說有三個重要的風速范圍 第一個 風速范圍是0 耐5 0 7 5 耐5 在此范圍內 風速每增加0 一25面5 具有和1 溫降相同 的冷卻效應 第二個風速范圍是0 10耐5 司 3 5 回5 冷卻效應也隨著風速而變化 在 此范圍 之內 0 0 7 5 耐5 的 風速增加相當 于1 的 溫降 這是最為 廣泛接受的 平均值 當風速在0 10 耐5 以 下時 風速的增加對于熱舒適是幾乎或者沒有幫助的 在有些情 況下還可能有微弱的熱效應 雖然空調區(qū)域內的人員的熱舒適要求是在一個平均水平上來滿足的 但是局部 的溫度和速度的變化卻是存在于整個空調區(qū)域的 為了說明局部的熱舒適條件 通 常運用有效風感溫度 effectived r 峨tem per a t u r e 來評價 它是反映受風感下的舒適 指 標 其 定 義 式 為 127 華北電力大學碩士學位論文 動r tx一 編 一 7 6 6 伙一 0 1 5 2 一 1 1 式中 幾 氣 一工作區(qū)內 某點的空氣溫度和給定的 室內 空 氣溫度 凡一某點的風速 n 對 5 普遍認為 當某點e d t 在一 1 5 1 和風速在0 3 5 n 盯 5 以下的范圍內 對于位 于該點的80 的人員來說是舒適的 3 空氣分布特性指標a d p i a irdi月 汕 s l onp e d 勸 n n a n c e 加 d e x 1 9 7 2 年 n e v i n s 和m i l l e r 共同 研究 對實 驗室內的加 多個測點進行t 測試 并采用前人的成果 建立了能夠使室內80 的人感覺舒適的舒適性參數 開發(fā)了能 夠反映這種影響的指標一空氣分布特性指標a d pi 該指標定義為滿足規(guī)定風速和溫 度要求的測總數和總測點數之比 即 月 及烈 q占 雙 o t 月護門 的 側點數 總測點數 a d pi值全面反映了空調區(qū)內氣流組織帶來的影響 片 1 0 0 一 二 沖 2 一 1 2 a d p i 值越高 空調區(qū)內逗 留人員對環(huán)境感到滿意的人越多 a d pi 80 時就可以認為空調區(qū)內氣流組織是 令人滿意的 如果a d pi 1 00 表示達到最佳 華北電力大學碩士學位論文 第三章c fd 數值模擬理論基礎及方法 3