冷辐射围护结构表面热湿环境与结论特性研究.doc
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1、冷辐射围护结构表面热湿环境与结露特性研究龚光彩E-mail:,* 曹珍荣1 徐春雯1 周敏锐11. 湖南大学土木工程学院,长沙 410082摘 要:辐射供冷空凋由于具有良好的热舒适度、改善室内空气品质、节能等优点得到广泛应用,但同时由于辐射板表面容易结露,使得它的更大面积地推广受到一定限制。本文通过对辐射板附近的热湿环境以及冷辐射围护结构表面结露特性进行研究,得出了结露边界层厚度并推导出了结露量的计算公式,对辐射系统优化设计以及CFD热湿边界条件的设置提供一定的理论基础。关键词:辐射供冷 辐射板 结露 边界层1、引言能源问题已成为各国所面临的首要解决问题之一,节能刻不容缓。目前我国建筑消耗的能
2、源占全国商品能源的2124,这些数值都仅为建筑运行所消耗的能源,不包括建筑材料制造用能及建筑施工过程能耗。随着我国城市化程度的不断提高,建筑能耗的比例将继续提高,最终接近发达国家目前的33%的水平。而建筑节能是目前众多节能途径中公认的解决社会经济发展与能源供应不足这对矛盾最直接、最有效的措施之一References(参考文献):江亿;我国建筑耗能状况及有效的节能途径J; 暖通空调HV∾ 2005年第35卷第5期。我国建筑总能耗包括建筑能耗、生活能耗、采暖空调等;空调行业是建筑能耗中的大户,它的能耗约占整个建筑总能耗的50左右,且呈继续上涨趋势姜华;软件园办公楼宇中央空调节能措施分析;大连
3、理工大学硕士学位论文;2008年。如何既节能又保证舒适的室内环境是暖通行业专业人员一直在追求的目标。为了实现这一目标,众多研究人员不懈努力着,并推出了一种新型空调方式辐射供冷供暖空调系统。该空调系统主要是依靠辐射面与人体、家具及围护结构其余表面进行辐射换热以实现一个舒适的室内环境,相较于传统空调系统舒适性更加明显;并且供暖和供冷采用同一套系统,大大减少了初投资,使得它在空调领域中得到广泛采用康宁,宣永梅,殷清海; 辐射供冷现状及发展趋势J; 建筑节能;2009年第5期(总第37卷 第219期)。但是由于辐射供冷也同时存在着结露、供冷能力有限、无新风等问题使得辐射供冷的应用受到一定的限制。单纯的
4、辐射供冷空调系统当供水温度较低或者室内湿度较高时,在辐射板表面容易出现结露现象孔祥雷,张小松,路诗奎; 辐射供冷空调结露问题的研究现状及其对策J; 建筑热能通风空调; 2008年2月第1期第27卷。围护结构内部结露会导致墙体发霉、变质,表面剥落,影响美观魏崇锋; 楼房返霜、结露、长毛、霉变成因与简单技术处理J; 建筑建材装饰; 2009年12月第69期第10卷;同时霉变也会对人的身心健康带来危害 Lotz W.A., Arens E.A. Indoor humidity and human health: part1-literature review of health effects of
5、 humidity-influenced indoor pollutants .ASHRAE Transactions, 1996, 102(1): 193-211。辐射供冷系统的应用最早在20世纪30年代,当时由于结露问题而没能得到推广 John K Manley,Radiant heating, radiant coolingMNew York:School of Architecture,Pratt Institute,1954 F E GieseckeHotwater heating and radiant heating and radiant coolingMAustin:Tech
6、nicalBook Company,1946。因此如何有效地解决辐射板表面结露问题是推广辐射供冷技术的关键问题之一。对辐射供冷的系统研究,国内外学者主要侧重辐射供冷系统理论与节能、与其他系统的复合利用、以及预防结露的措施等。Christopher L Conroy和Stanley A.Mumma Christopher L Conroy,Stanley A.Mumma.Ceiling Radiant Cooling Panels as A Viable Distributed Parallel Sensible Cooling Technology Integrated with Dedica
7、ted Outdoor Air SystemsJ.ASHRAE Transaction:Symposis,1990:578-585.侧重分析辐射吊顶冷却技术与其他机械制冷系统的集成。J L Niu、L Z Zhang和H G Zuo J L Niu,L Z Zhang,H G Zuo.Energy Savings Potential of Chilled-ceiling Combined with Desiccant Cooling in Hot and Humid ClimatesJ.Energy and Building.2002,34:487-495.对辐射吊顶与除湿冷却相结合的空调系统
8、在潮湿炎热地区的节能潜力进行了研究。Ahmadul Ameen和Khizir Mahmud Ahmadul Ameen,Khizir Mahmud.Desiccant Dehumidification with Hydronic Radiant Cooling System for Air-Conditioning Applications in Humid Tropical ClimatesJ.ASHRAE Transactions,Volume 111,Part 2.讨论了在高湿度高热度地区使用辐射供冷和除湿系统复合系统的可能性。J Miriel,L Serres J Miriel,L S
9、erres,A Trombez.Radiant Ceiling Panel Heating cooling Systems:Experimental and Simulated Study of the Performances,Thermal Comfort and Energy ConsumptionsJ.Applied Thermal Engineering,2002,22:1861-1873.对北欧气候条件下辐射供冷房间进行模拟,认为在该地区辐射供冷其他空调方式更节能。王子介编写低温辐射供暖与辐射供冷从理论上对辐射供冷/暖进行了介绍。李常河,李永安等李常河,李永安,刘学来,等.地板辐射
10、供冷系统地面温度的确定J.低温建筑技术,2005(2):94-95.在分析地板辐射供冷系统地面温度传热规律的基础上,建立了地板辐射供冷系统的二维稳态传热数学模型;提出了地板辐射供冷系统防止地板结露的措施。对结露的研究,国内外学者主要侧重于结露的条件、结露换热模型以及珠状或膜状凝结的传热传质过程。里斯本新大学的Daniel Aelenei Daniel Aelenei ,Fernando M.A.Henriques. Analysis of the condensation risk on exterior surface of building envelopes. Energy and Bu
11、ildings, 2008,31(40):1866-1871针对有利于建筑表面水分结露的外部环境条件进行研究。学者Achenbach PR与Trechsel HR Achenbach PR, Trechsel HR. Evaluation of current guidelines of good practice for condensation control in insulated building envelopes, Thermal performance of the exterior envelopes of buildings. In II. Proceedings of A
12、SHRAE=DOE Conference, Las Vegas: ASHRAE SP,1982,1090-107研究了建筑围护结构结露控制措施,并对这些措施进行评价。英国赫瑞瓦特大学的B.M.Burnside教授 B.M.Burnside, H.A.Hadi. Digital computer simulation of dropwise condensation from equilibrium droplet to detectable size. International Journal of Heat and Mass Transfer,1999,42(6):3137-3146用计算
13、机模拟的方式描述了在240mm240mm表面上的凝结核情况。Tsuruta Tsuruta T ,Tanaka H. International Journal of Heat and Mass Transfer ,1991 ,34:2779 2786和Hannemann Hannemann R J ,Mikic B B.International Journal of Heat and Mass Transfer ,1976 ,19 :1299 1307等人曾对珠状凝结的限制热阻进行了理论分析 。而Tanner Tanner D W,Potter C J,Pope D,West D.Heat
14、 transfer in dropwise condensation (partand) J.International Journal of Heat and Mass Transfer,1965,8:419-436.、WilkinsWilkins D G,Bromley L A. Dropwise condensation phenomena J.A I Ch E Journal,1973,19:839- 845.、Stylianou 和 RoseStylianeou S A.Heat transfer during dropwise condensation of steam and e
15、thanediol D.London University , 1980.等人分别通过试验研究了限制热阻对珠状凝结换热的影响。北京航空航天大学吴玉庭22吴玉庭,杨春信,袁修等.关于珠状凝结换热的数学物理模型及数值模拟.计算物理,2001,18(4):334-340利用随机分形模型建立了珠状凝结液滴的空间和尺度分布,最后得到了平均的珠状凝结换热系数。重庆大学的廖强教授廖强,顾扬彪,朱恂.梯度表面能材料表面上滴状凝结换热.化工学报,2007,58(3):567-572从理论分析和试验研究两个方面研究了真空状态下珠状凝结的传热特性。山东大学的杨文娟杨文娟.不凝性气体对于珠状凝结管凝结换热影响的试验研
16、究:山东大学硕士学位论文.济南:山东大学,2004,4-22 设计并改造了凝汽器珠状与膜状凝结换热对比试验台,并建立了介于珠状凝结与膜状凝结之间的新型凝结传热模型。虽然目前可以借助CFD等软件对建筑围护结构以及热环境进行模拟,然后可以对围护结构采取一些处理以减轻结露现象;但由于结露理论的匮乏仅能判断围护结构是否结露,如果已判定围护结构结露就不能进一步分析结露量的多少了。本文对冷辐射围护结构表面的热湿环境以及结露特性进行了研究,将为研究人员进行相关研究时提供一定的依据。2、 试验对象与方法 2.1 试验对象 本次试验地点为湖南省长沙市湖南大学校内一栋三层办公楼,试验房间位于本栋办公楼三楼。办公楼
17、的方位为坐北朝南,试验房间总共有两面外墙和两面内墙,隔壁房间为空调房间。试验房间资料如下 :(1)外墙240mm砖墙,内墙,外抹水泥砂浆,内抹灰。(2)窗:单层玻璃钢框窗,3mm厚标准玻璃,浅色布窗帘,窗高1750mm。(3)层高2450mm,梁高500mm。(4)屋面:保温屋面,保温材料为水泥膨胀珍珠岩,厚度为150mm。(5)内楼板采用预制混凝土楼板,厚度10mm。(6)试验用辐射板的结构是将聚乙烯管道镶嵌在苯板里面,辐射板总厚度为12mm,包括: 200g/m2金属铝片面层、带凹槽容重为35kg/m3的聚苯乙烯泡沫塑料保温层(俗称苯板)和镶嵌在保温层内的De7.21.1mm的PERT塑料
18、加热管、二级分水器(其主体部分的材料采用大吨位铜铸造锻压件)、11mm厚的复合木龙骨等。预制式超薄辐射板的结构如图1.1所示。本试验需要测试的参数有:(1)辐射板结露量(2)辐射板的边界层温度及湿度参数(3)辐射板热流密度(4)辐射板表面温度(5)试验室内温湿度参数。图2.1 试验用辐射板外型2.2 试验方法本试验室外冷源采用的是一台空气源热泵,该热泵既可以制热也可以制冷,热泵的额定制热量为26kw,额定制冷量为27.6kw。试验系统如图1.2所示。本试验中,辐射板的表面连接到EN880型智能彩色无纸记录仪上,通过记录仪采集数据。辐射板边界层内及室内外温湿度参数采用ZDR-20j型温湿度记录仪
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