1、辐射供冷空调系统间歇运行启动阶段特性分析 欧吉应 张广丽 牛晓峰 刘晓静 王世蕾 南京工业大学 江苏省城乡与住房建设厅科技发展中心 江苏爱涛置业有限公司 摘 要： 针对南京某住宅房间的毛细管辐射供冷空调系统, 研究房间空调系统在间歇运行情况下启动段的特性, 探究室内空气预理模式、毛细管辐射面积、送风量对室内温湿度的动态影响规律。研究结果表明, 基于连续运行模式下的设备设计容量不能满足间歇运行的要求, 需要增大辐射毛细管和新风机的处理能力。采用新风机内循环和新风 2 种运行模式, 可有效缩短间歇运行启动阶段时长。增加新风机送风量可减少预处理时间, 通过改变毛细管的辐射面积和新风机的送风量可以满足
2、夏热冬冷地区居住建筑间歇运行的需求, 为后期设计同类型的建筑提供新的思路。关键词： 间歇运行; 毛细管辐射空调; 内循环; 新风预处理; TRNSYS; 作者简介：欧吉应 (1990) , 男, 安徽六安人, 在读硕士研究生, 研究方向:辐射空调在居住建筑中的应用 () 。作者简介：张广丽 (1979) , 女, 江苏南京人, 讲师, 研究方向:建筑环境节能 () ;作者简介：牛晓峰 (1980) , 男, 江苏南京人, 博士, 副教授, 硕士生导师, 城市建设学院副院长 () 。收稿日期：2017-02-25基金：江苏省住房和城乡建设厅科研项目“主动式节能居住建筑运行能效分析评估研究” (2
3、014JH23) Start-up Period Characteristics of the Intermittent Operated Radiation Cooling Air Conditioning SystemOU Ji-ying ZHANG Guang-li NIU Xiao-feng LIU Xiao-jing WANG Shi-lei Nanjing Tech University; Jiangsu Science and Technology Department of Housing and Urban Development Center; Jiangsu Artall
4、 Investment Co .Ltd.; Abstract： Based on a residential room in Nanjing, the dynamic characteristics of the intermittent operated capillary radiation cooling air-conditioning system in the start-up period were studied. The dynamic effect of several factors on the indoor air temperature, including the
5、 mode of indoor air pretreatment, the area of capillary radiation as well as the volume of supply air, were analyzed by simulation. The results show that, the design capacity under continuous operation mode cannot meet the requirements of the intermittent operation. The air handing capacities and th
6、e fresh air processor should be increased. The start-up period can be shortened by adopting the two operation modes of the fresh air processor proposed, that is, the inner circulation mode and the total fresh air mode. The air pretreatment time can be saved by increasing the air volume in the fresh
7、air processor. Changing the radiation area of the capillary air supply and air volume of air machine can meet the demand of the intermittent operation of residential buildings in hot summer and cold winter area, providing a new way of thinking for the design of the same type of building in future.Ke
8、yword： Intermittent operation; capillary radiation air conditioning; circulating; fresh air pretreatment; TRNSYS; Received： 2017-02-250 引言随着社会经济快速发展和人民生活水平的提高, 在居住建筑中广泛采用毛细管辐射供冷+独立新风的空调系统形式。在此种空调系统中, 空调房间中的潜热负荷由新风承担, 显热负荷由辐射毛细管承担1, 可以实现温湿度独立控制, 在一定程度上可缓解建筑能耗过大的问题2-3, 同时辐射空调系统较常规空调系统而言, 具有较高的舒适度4, 人体
9、感受到的室内温度比实际温度要高 12, 实际系统设计时可以在设计温度上增加 15。居民的作息规律和生活习惯决定了空调系统连续运行势必会增大能耗, 在居住建筑中空调系统以间歇方式运行更为合理及节能。针对毛细管辐射供冷+独立新风空调系统以间歇方式运行时的特性, 有研究者进行了相关研究。宫树娟、王建奎经实验发现, 毛细管辐射+独立新风系统在间歇运行阶段降低送风含湿量可以缩短室内空气预处理时间, 降低毛细管供水温度可以减少室温达到稳定的时间, 其中送风含湿量的大小决定最小新风量的选取6-7。张涛将全面通风稀释方程应用于含湿量处理, 数值模拟得出了不同新风含湿量下适宜的人均新风量和预处理时间8。李彦儒等
10、人通过实验研究, 发现空调启动后房间室内温度随时间均呈指数规律变化, 当时间足够长时, 房间内温度趋于稳定9。唐凯等人经实测发现, 考虑预除湿负荷的情况下, 表冷式空气处理机组的容量需要提高10-12。但在现有文献中, 对间歇运行模式下毛细管辐射供冷空调系统启动阶段的动态特性缺少深入研究, 而此动态特性对系统的安全性 (结露现象) 和节能性影响极大。在间歇停止时段, 室内余热余湿大量积聚, 系统重新启动后, 室内露点温度较高, 极易发生结露, 必须采取措施保证辐射冷表面不出现结露现象13-14;此外, 系统重新启动后, 达到室内空气设计状态的时长也受到启动阶段运行特性的制约, 若需要很长时间才
11、能达到设计要求, 则间歇运行方式的合理性也会受到质疑。因而非常有必要研究辐射空调系统在间歇运行情况下启动段的特性和规律, 对实现该系统安全和节能运行意义重大。本文基于此, 针对南京某住宅房间的毛细管辐射供冷空调系统进行模拟研究, 探究间歇运行启动阶段室内空气预处理模式、毛细管辐射面积、送风量对室内温湿度的动态影响规律, 为间歇运行的辐射供冷空调系统设计和运行提供理论指导。1 系统设计参数与新风机运行策略本文以南京某采用毛细管辐射供冷空调系统的居住房间为研究对象, 该房间位于建筑顶层, 外窗朝南 (铝合金双层窗) , 外墙为外保温空心砖砌块, 建筑模型如图 1 所示, 新风机设置于外窗下部, 毛
12、细管席置于房间顶部。图 1 模拟对象房间 Fig.1 M odel room 下载原图在毛细管辐射供冷+新风空调系统间歇运行的启动阶段, 为保证辐射表面不发生结露危险, 本文采用对空调房间进行预处理的运行策略。具体方案如下:新风机具备内循环和新风两种运行模式, 其中内循环模式是在启动阶段对室内空气进行预处理, 此阶段不引入室外新风, 而是将室内空气进行内部循环, 室内空气与新风机内表冷器进行热质交换, 使室内空气迅速得到降温除湿, 对应的预处理风量为 VI;待室内空气露点温度达到安全值 (即低于冷辐射表面温度) 时, 新风机转为新风模式, 此运行模式下新风机只处理室外新风, 不再处理室内空气,
13、 对应的新风量为 VF, 由室外新风承担房间内部湿负荷和部分显热负荷, 同时开启毛细管辐射系统, 由其承担室内显热负荷, 将室内空气温湿度处理到设计状态。室内温湿度设计值分别为 26和 60%, 取南京空调室外气象参数, 温湿度取值为 34.8和 79%, 室内人员为 2 名成年人, 散湿量为 109 g/hP, 室内照明及设备功率为 93 W/m, 室内初始温湿度值分别为 30.5和 79%, 夏季低温冷水机组向新风机提供 7低温冷水, 用于承担室内的潜热负荷和由于冷却除湿送风温度较低而承担的部分显热负荷。高温冷水机组向毛细管提供 17的高温冷水, 用于室内显热负荷的处理 (除新风承担显热负
14、荷部分) 。在空调系统由间歇状态重新启动时, 开启时刻室内本身的空气是一个较大的负荷源, 由公式 (1) 结合室内湿平衡方程, 新风将室内空气处理到设计状态含湿量所需的时间和新风量之间的关系如表 1 所示。式中, W I为房间空气等效湿量, g/h;dN为设计状态下室内空气含湿量, g/kg;v 为房间体积, m;dI为初始时刻室内空气含湿量, g/kg;t 为不同风量对应于室内达到稳定状态下的预处理时间, h; 为空气的密度, kg/m。表 1 空气预处理时间与新风机送风量之间的关系 Table 1 Relationship betw een air pretreatment time an
15、d fresh air volume 下载原表 由表 1 可以看出, 辐射空调系统在间歇运行的启动阶段, 按照常规的启动方式, 在短时间内达到室内设计含湿量, 需提高新风量来满足需求。对空调系统进行设计计算, 设计的过程是按照空调系统连续运行的方式进行计算, 室内总冷负荷为 1 249 W (新风负荷已经由低温冷水处理机组承担, 在房间负荷计算中不计入总冷负荷) , 其中显热负荷为 1 000 W。在毛细管辐射空调系统中, 新风还需满足室内卫生需要。满足室内湿负荷平衡的新风量为 52 m/h, 满足室内卫生条件的换气次数为 1.1 次/h, 即所需新风量为 49 m/h12。因而, 同时满足室
16、内除湿和卫生要求所需新风量为 52 m/h。对辐射顶板承担的负荷进行计算, 由公式 (2) (4) 可得15:式中:q r为辐射表面单位面积的辐射传热量, W/m;qc为辐射表面单位面积的对流传热量, W/m;qw为单位面积的总传热量, W/m;tp为有效辐射板的表面温度, ;AUST 为除辐射板以外室内其余表面的加权平均温度, ;ta近似取 AUST 的值, 。辐射板单位面积的传热量为 61.42 W/m。本文所采用的毛细管规格为 4.3 mm0.8 mm (外径壁厚) , 管内水流量为 279 kg/h, 辐射顶板表面有 3 mm厚的抹灰层。因而满足室内显热负荷的需要 11.7 m 的辐射
17、面积, 具体参数见表2 所示。表 2 空调房间设计计算表 Table 2 Air conditioning room design calculation 下载原表 2 设计参数下的动态特性由于实验条件限制, 无法实测空调系统动态特性, 本文利用 TRNSYS 模拟仿真平台16-17, 搭建了如图 2 所示的仿真系统, 对辐射空调系统在间歇运行启动阶段的特性进行了研究。其中毛细管辐射供冷功能由 TRNSYS 平台中的 Active Layer 模块实现。图 2 TRNSYS 仿真系统结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of TRNSYS simulation syste
18、m 下载原图模拟采用空调设计状态下的室外气象参数, 在表 1 所列新风量及辐射面积设计参数条件下, 室内空气干球温度 T、露点温度 Tdew、辐射板表面温度 Tsuf, 随空调系统运行时间的变化如图 3 所示。图 3 中虚线左侧区域为预处理阶段 (内循环模式) , 在 20.4 min 时转换为新风模式, 同时开启毛细管系统, 即虚线右侧区域。在预处理后, 由于辐射降温和新风的同时作用, 室内温度下降速率加快, 辐射表面温度迅速降低, 在 33 min 时辐射表面温度和室内露点温度之间的差值达到最小 1, 随后两者之间温度差始终保持 1以上, 室内不会发生结露16。这验证了本文提出的内循环预处
19、理方案的可行性。随着物联网技术的发展, 间歇运行空调系统的预处理过程可以通过移动网络客户端来启动, 在人进入房间之前提前启动系统, 提高间歇运行系统的安全性和舒适度。从图 3 还可看出, 在初始运行阶段室温变化较为明显, 在 35 min 内室温下降 2, 而在此后的 6 h 运行时间内, 室内温度仅降低 1, 并且尚未达到设计状态点。这说明对于有间歇运行要求的空调系统, 若按照基于连续运行方式而得出的设计工况运行, 则会出现不理想甚至不合理的结果。因而, 有必要改变系统中相关设备的运行条件, 寻找适合系统间歇运行模式的参数, 缩短室内空气预处理阶段时长, 加快达到室内设计状态的过程。图 3
20、设计状态下室内温湿度动态变化 Fig.3 Dynamic change of indoor temperature and humidity in design state 下载原图3 间歇运行动态特性影响因素为了保证不发生结露危险, 并且缩短系统在间歇运行启动阶段达到室内设定状态点的时间, 本文提出通过改变毛细管的辐射面积、改变新风机送风量以及同时改变辐射面积和新风机送风量来满足空调间歇运行的实际需求。以下将分别模拟分析采取这三种措施后室内温度的动态变化特性。3.1 辐射面积对室温动态特性的影响在根据连续运行设计条件得出的辐射板面积基础上 (如表 1 所列) , 分别将辐射面积 S 增加 1
21、0%、30%和 50%, 在 TRNSYS 平台上模拟得出室温随运行时间的变化情况, 如图 4 所示。同上文所述, 图 4 中虚线是预处理阶段 (内循环模式) 和新风模式的分界线。Sm为增加后的辐射面积 (m) , 由图 4 可知, 四个辐射面积条件对应的预处理时间相同, 都需要 20 min 才能将室内空气的露点温度下降到安全值。图 4 改变毛细管辐射面积 S 对室温变化的影响 Fig.4 Effect of capillary radiation area change-S on room temperature 下载原图由预处理转为新风模式后 15 min, 每增加 20%的辐射面积会导
22、致室温下降0.25。预处理后 1 h, 每增加 20%的辐射面积, 室内温度降低 0.08/h, 并且这一降低值随时间的延长呈逐渐增大趋势。从图 4 可见, 当辐射面积增加 50%时,在系统重新启动 90 min 后室内空气即可基本达到设计温度, 而在相同的时长内, 其他辐射面积对应的空气温度普遍偏高, 由此可以表明增加毛细管的辐射面积可以缩短室内达到设计状态点的时长。3.2 新风机送风量对室温动态特性的影响由于本文采用的新风机有内循环和新风两种运行模式 (见 2.1 部分) , 因而, 对新风机送风量在设计值基础上进行调整时, 考虑以下两种方式:一是只增大预处理阶段的内循环风量 VI;二是同
23、时增大内循环风量 VI和新风风量 VF。经过新风机冷却除湿后的送风温度较低, 风量过大会对人体的热舒适度产生影响, 故模拟中采用最大送风量为设计值的 1.6 倍。3.2.1 内循环风量对室温动态特性的影响在设计毛细管辐射面积条件下, 仅改变内循环风量, 采用不同的内循环风量进行预处理后, 再以设计新风量+毛细管辐射供冷运行, 室内温度随时间的变化情况如图 5 所示。由图 5 可见, 预处理内循环风量从 52 m/h 提高至 85 m/h 后, 对避免系统结露、保证安全运行产生了两方面的改进作用, 一是相应的预处理时间由 20.4 min 缩短至 11 min, 在较短的时间内即可达到不发生结露
24、的空气状态;二是相应的空气温度由 29.5降为 29 (虚线与温度曲线交点) , 同时室内空气的露点温度也会降低, 从而更加保证了系统运行的安全性。图 5 不同预处理风量在设计辐射面积下室温变化 Fig.5 Different pretreatment volume in the design area under room temperature radiation 下载原图3.2.2 送风量对室内动态特性的影响在设计辐射面积下, 调整新风机的送风量, 此送风量是指内循环风量和新风风量二者统一取值, 可得室内温度的变化结果如图 6 所示。从图 6 可以看出, 同时增大内循环风量和新风风量对预
25、处理阶段的影响与单独增大内循环风量相似, 随着内循环风量的增大, 预处理时间大幅缩短, 并且空气温度降幅增大, 说明增大内循环风量对预处理的作用更大。由预处理转入正常运行阶段后, 不同送风量对应的室温逐渐降低且变化趋于平稳, 每增加 10 m/h 的新风量, 室温降低 0.3, 且不同曲线间的差异随时间变化较小。图 6 不同送风量在设计辐射面积下室温变化 Fig.6 Room temperature variation of different air supply under the designed radiation area 下载原图从图 6 可以看出, 同时增大内循环风量和新风风量对
26、预处理阶段的影响与单独增大内循环风量相似, 随着内循环风量的增大, 预处理时间大幅缩短, 并且空气温度降幅增大, 说明增大内循环风量对预处理的作用更大。由预处理转入正常运行阶段后, 不同送风量对应的室温逐渐降低且变化趋于平稳, 每增加 10 m/h 的新风量, 室温降低 0.3, 且不同曲线间的差异随时间变化而趋于一致。从图中还可发现, 当送风量提高至 85 m/h 时, 系统运行 1.5 h后, 温度降为 26.7, 室内没有到达设计状态。3.3 送风量和辐射面积对室内动态特性的综合影响由表 2 可知, 若采取增大新风机送风量来缩短间歇运行启动阶段的预处理时间, 在 12 h 内达到室内设计
27、含湿量, 需要 100 m/h 以上的新风量, 风量过大, 辐射空调节能意义较小。风量增加预处理时间缩短, 毛细管辐射面积增加, 达到室内温度点的速率加快, 因而本文将增大毛细管辐射面积和增大新风机送风量两种措施相结合, 综合考虑送风量与辐射面积对启动阶段室内空气状态的影响, 如图 7 所示。图 7 6585 m/h 送风量不同毛细管辐射面积室温变化 Fig.7 Room temperature variation of different capillary area w ith air volume from 65 m/h to 85 m/h 下载原图表 3 达到室内设计温度所对应的时间和
28、辐射面积 Table 3 The corresponding time and radiation area of indoor design temperature 下载原表 表 3 是达到室内设计状态点所对应的送风量和辐射面积增加率, 分析表 2 和表3 可得, 相对于在连续运行的辐射空调系统, 同时增加毛细管辐射面积和送风量, 达到设计温度的时间可缩短 1 h 以上, 此外由于辐射空调系统在运行时周围壁面受到辐射的影响, 温度较低18, 此时人体感受到的温度比实际温度低125, 以室内温度为被控参数控制送风温度时, 室内温度超调可有效抑制在低于 0.519。因而, 可以提高室内温度设计值
29、, 以高于设计温度 1来判定在辐射空调系统满足人体舒适度的标准, 即室内温度设定为 27。控制从空调重新开启到满足设计温度要求的时间不超过 1h, 室内温度达到 27时, 对应需要的送风量和辐射面积增加率列于表 4, 与表 3 相比, 相同的送风量所需的空气处理时长明显缩短, 辐射面积增加率也在一定程度内减小。表 4 居住建筑辐射空调房间不同送风量及敷设面积对应的空气处理时间 Table 4 Air treatment time corresponding to different air supply and laying area in residential buildings 下载原表
30、 4 结论在居住建筑中, 毛细管辐射+独立新风系统采用间歇运行模式时, 间歇期内室内房间余热余湿会导致空调系统重新运行启动时间较长, 本文提出利用新风机内循环模式, 在间歇运行启动阶段对室内空气进行预处理, 模拟研究了毛细管辐射面积、新风机送风量等因素对启动阶段动态特性的影响, 得出如下几点结论:(1) 本文提出新风机内循环和新风两种运行模式, 适应辐射空调系统间歇运行模式, 采用内循环的空气处理方式, 可有效缩短间歇运行毛细管启动阶段时长, 缩短空气预处理时间以避免结露危险。(2) 增加新风机送风量可减少预处理时间, 增加毛细管的辐射面积可以缩短室内达到设定状态点的时间, 新风量与毛细管辐射
31、面积相结合, 则效果更为显著。通过改变毛细管的辐射面积和新风机的送风量, 可以满足夏热冬冷地区居住建筑间歇运行的需求, 为后期设计同类型的建筑时, 提供了新的思路。参考文献1陈晓阳, 江亿, 李震.湿度独立控制空调系统的工程实践J.暖通空调, 2004, 34 (11) :103-109. 2Lu S K, Zhang X S.Thermal comfort assessment and energy consumption analysis of ground-source heat pump system combined w ith radiant heating/coolingJ.Jo
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