毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)供冷特性的研究

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1、毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)供冷特性的研究山東建筑大學(xué)李永安崔新陽劉學(xué)來尹綱領(lǐng)山東省建筑設(shè)計(jì)研究院黎福民山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐萌摘要：本文在分析毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討了夏季供冷的傳熱特性，建立了二維傳熱數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而編制了MATLAB計(jì)算程序，隨后，從理論和實(shí)踐上研究了供回水溫度、管間距等因素對供冷性能的影響程度，這為毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：毛細(xì)管；平面輻射空調(diào)系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；元體熱平衡法；供冷特性0引言毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)是德國科學(xué)家根據(jù)仿生學(xué)原理在20世紀(jì)70年代

2、發(fā)明的一種新型空調(diào)系統(tǒng)形式。植物的葉脈及動(dòng)物皮膚下的血管都是通過管內(nèi)流體來調(diào)節(jié)自身機(jī)體溫度與周圍環(huán)境平衡的成功范例。毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)一般由熱交換器、帶循環(huán)泵的分配站、溫控調(diào)節(jié)系統(tǒng)、毛細(xì)管管網(wǎng)以及除濕系統(tǒng)等組成。冬季，毛細(xì)管內(nèi)流淌著較低溫度的熱水，均勻柔和地向房間輻射熱量；夏季，毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)著溫度較高的冷水，均勻柔和地向房間輻射冷量[1]。由于毛細(xì)管換熱面積大，傳熱速度快，因此，毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)具有一系列突出的特點(diǎn)：室內(nèi)環(huán)境熱舒適性高；節(jié)約能源，運(yùn)行費(fèi)用低；無吹風(fēng)感；無噪聲。專家預(yù)測，今后毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)將會(huì)

3、有快速的發(fā)展。因此，深入研究毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)的性能很有必要。1.毛細(xì)管頂棚傳熱數(shù)學(xué)模型的建立毛細(xì)管平面空調(diào)系統(tǒng)的換熱過程可以分為：1、冷水管內(nèi)的水與管壁的換熱；2、管壁與抹灰之間的導(dǎo)熱換熱；3、抹灰外表面和室內(nèi)空氣及周圍壁面之間的復(fù)合換熱，包括自然對流換熱和輻射換熱。圖1懸掛在混凝土樓板下的毛細(xì)管席的結(jié)構(gòu)示意圖1.1.傳熱數(shù)學(xué)模型的假定和簡化實(shí)際中的毛細(xì)管輻射供冷系統(tǒng)的傳熱過程是相當(dāng)復(fù)雜的，為了使問題簡化，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，做出合理假設(shè)[2,3]：(l)冷水為冷源的毛細(xì)管平面空調(diào)系統(tǒng)，水在管中流動(dòng)，將冷量傳到

4、室內(nèi)空間，冷量是在空間三個(gè)方向傳導(dǎo)的，故該傳熱過程是一個(gè)三維傳熱過程。由于管內(nèi)冷水隨著管長方向的溫度變化很緩慢，可以認(rèn)為沿管長方向不發(fā)生熱傳導(dǎo)，溫度場是二維的。(2)兩管間的溫度相差不大，則溫度場關(guān)于中心斷面基本對稱，視中心斷面為絕熱面，取兩管間的一半作為研究對象即可。(3)忽略毛細(xì)管網(wǎng)向結(jié)構(gòu)樓板的傳熱。(4)管內(nèi)冷水流動(dòng)為均勻流，各層材料各向同性。(5)認(rèn)為毛細(xì)管頂棚各層材料緊密接觸，不考慮接觸熱阻。當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)供冷時(shí)，為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，與時(shí)間變化無關(guān)：，（1.1）其中：T頂棚溫度場的溫度值℃；頂棚材料的導(dǎo)熱系數(shù)，；時(shí)間，s；

5、板內(nèi)材料的密度，Kg/m3；板內(nèi)材料的比熱，。1.1.冷源與管壁的換熱冷源與管壁之間的傳熱過程包括對流換熱和導(dǎo)熱。由于毛細(xì)管管壁很薄，容量小，冷水通過毛細(xì)管時(shí)的傳熱可視為無慣性、無滯后，但毛細(xì)管的熱阻不可忽略[2]。因此，毛細(xì)管管壁的溫度不能簡單地用供、回水溫度來代替。毛細(xì)管外表面溫度tb可用以下方法求得。根據(jù)能量守恒定律可知有如下關(guān)系：（1.2）其中：管內(nèi)熱水流量，；水的比熱，4.2×103；供水溫度，；回水溫度，；管壁面積，m2；傳熱系數(shù)，；管壁厚度，取0.5mm；管內(nèi)對流換熱系數(shù)，；管壁導(dǎo)熱系數(shù)，0.21則管壁的溫度為

6、：（1.3）其中：；；管內(nèi)水流速，判斷管內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)：為層流運(yùn)動(dòng)。管內(nèi)層流換熱中，常物性流體在熱充分發(fā)展段的Nuf=3.66為定常數(shù)，則：；所以：代入式（1.3）得：（1.4）1.2.管壁與抹灰的傳熱過程毛細(xì)管席上部敷設(shè)石膏板和界面劑，假設(shè)a-c界面為絕熱邊界，如圖2示。圖2傳熱單元計(jì)算體的簡化選取兩管間的中心線h-i作為左右絕熱邊界，溫度曲線在中心線處對稱。抹灰層與管壁接觸處有：（1.5）1.3.頂棚表面的對流換熱頂棚下表面以對流和輻射兩種方式與室內(nèi)其他表面和空氣進(jìn)行熱交換。1.3.1.頂棚表面的自然對流換熱頂棚表面的對流換

7、熱，可視為冷面朝下的水平壁的自然對流換熱，近似認(rèn)為頂板溫度分布均勻，則表面各處的對流換熱系數(shù)基本相等。頂棚表面對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式：其中：努謝爾特?cái)?shù)；格拉曉夫數(shù)；普朗特?cái)?shù)。代入關(guān)聯(lián)式整理，并且考慮到室內(nèi)各種影響因素，頂棚下表面的換熱系數(shù)為：（1.6）（1.7）其中：頂棚下表面的對流換熱系數(shù)，；室內(nèi)空氣溫度，；頂棚表面與室內(nèi)空氣間的對流換熱量，；頂棚下表面的平均溫度，。1.1.1.頂棚表面的輻射換熱頂棚表面與房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為一個(gè)封閉空腔，頂棚表面與室內(nèi)其他各表面的輻射換熱量可由下式計(jì)算：其中：頂棚表面輻射傳熱量，；黑體輻射常數(shù)，

8、5.67×10-8，；頂棚下表面的平均溫度，；室內(nèi)非供冷表面的平均溫度，；輻射換熱熱阻，。室內(nèi)非加熱表面的平均溫度采用加權(quán)平均溫度[4]：其中：室內(nèi)非供冷表面的表面溫度，；室內(nèi)非供冷表面的表面積，。對于具有均勻供冷的頂棚的封閉房間，當(dāng)其它表面與頂棚溫度不同時(shí)，則可用Hottel方程來計(jì)算頂