个体空调系统热环境特性及节能效果研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 4.21MB 83 页 15积分

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摘要

本课题以个体空调系统为研究对象，采用 CFD 数值模拟与现场实测的研究

方法，分析了个体空调系统的热环境特性，提供了比较理想的送风方式与性能。

并分析和讨论了个体空调系统的节能效果。

课题利用上海理工大学建筑环境与设备工程系的环境模拟实验室研制了一

套个体空调系统实验台，模拟实际的办公环境。实验台中采用了变风量个体空调

系统末端，设计了可旋转的软管连接方式，可以根据需要移动风口；风口的设计

可以 360 度转动并采用活动百叶。从而实现了风向的全方位调节。墙面负荷发生

系统和模拟负荷发生系统能较好地模拟空调夏季热湿负荷。

论文以 Airpak 作为 CFD 计算软件，通过与试验数据和室内流场分布规律的

对比，选用了

k-ε

两方程模型作为湍流计算模型。利用软件，首先模拟计算了

送风风速(送风量)、送风温度、背景温度等环境参数对室内热环境的影响。分析

结果表明，本课题采用的个体空调系统送风，在低于 28℃的背景温度下，送风

量在 90m3/h 到110m3/h，送风风速在 0.87m/s 到1.07m/s 内，送风温度为 23℃左

右时，形成了合理的流场模式，具有良好的热舒适性，人体对工作区环境的满意

度较高。

同时对个体空调系统的热环境进行了实验研究，实测了不同工况下的热环境

特性，得到的结论是吻合的。

论文研究了个体空调系统的节能效果，结果表明：采用个体空调系统可以根

据办公者的多少来进行风量供应，从而会相应减少冷冻水量和冷却水量.达到节

能的目的。个体空调系统通过提高室内空气的平均温度，使室内的冷负荷减小，

减少了不必要的空间冷负荷。体现了“按需求提供”的理念，从而实现节能。

关键词：个体空调系统热环境特性 CFD 节能效果

ABSTRACT

The paper takes personal air-conditioning systems as research object, researching

thermal environment characteristics of personal air-conditioning systems with CFD

numerical simulation and on-site testing. We can attain reasonable property of supply

air, also analyzes effect of energy saving by testing and calculation.

The research project established a workstation of personal air-conditioning

systems simulating four typical office blocks with personal air-conditioning.the

workstation designs variable air volume terminal units, rotatable tie-ins, flectional

tubes, rotatable diffusers, rotatable louvers to achieve omnidirectional motion of wind

direction, wall loading system and simulate loading system can properly simulate the

indoor heating load in summer.

In comparison with the experimental data and the distributive regularity of the

indoor air flow field, the dissertation adopts the k-

two-equation as the

calculating model of turbulence by using AirPak as its simulating software. Then it

first makes a simulated calculation of the thermal environment of personal

air-conditioning systems with different supply air velocity（supply air volume）, supply

air temperature and ambient temperature. The analytical result shows: If the ambient

temperature is lower than 28 ℃,supply air temperature is about 23 ℃, the upper

limits of the supply air volume should be 110m3/h and the lower limits should no less

than 90m3/h, the upper limits of the supply air velocity should be 1.07m/s and the

lower limits should no less than 0.87m/s to satisfy the thermal comfort.

The paper research thermal environment characteristics of personal

air-conditioning systems by experiment. The result is accordant to the result of

numerical simulation.

The paper also discusses effect of energy saving of personal air-conditioning

systems. The research result shows that personal air-conditioning systems have

obvious effect of energy saving by changing supply air volume、chilled water flowrate

and cooling water flowrate. Personal air-conditioning systems can reduce cooling

load of air-conditioning systems by increase average temperature of room.

Key Words: Personal air-conditioning systems; thermal environment

characteristics; CFD; effect of energy saving

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...............................................................................................................1

§1.1 课题提出的背景及意义....................................................................................1

§1.2 国内外个体化空调系统发展现状....................................................................2

§1.2.1 国外发展现状.........................................................................................2

§1.2.2 国内发展现状.........................................................................................3

§1.3 文献综述............................................................................................................3

§1.3.1 CFD 技术在室内热环境研究中的应用...................................................3

§1.3.2 CFD 技术在个体化空调系统热环境研究中的应用...............................6

§1.3.3 体化空调系统节能效果的研究.............................................................6

§1.3.4 小结.........................................................................................................7

§1.4 本章结论............................................................................................................7

第二章个体空调系统实验台的设计与特性...............................................................9

§2.1 概述....................................................................................................................9

§2.2 环境实验室简介................................................................................................9

§2.3 个体空调系统实验台设计..............................................................................13

§2.4 热环境数据测量系统......................................................................................16

§2.5 节能数据测量系统..........................................................................................19

§2.6 本章结论.........................................................................................................20

第三章个体空调系统热环境 CFD 模拟方法的研究...............................................21

§3.1 基本方程形式..................................................................................................21

§3.2 湍流模型..........................................................................................................22

§3.3 CFD 计算结果的验证.......................................................................................27

§3.4 本章结论..........................................................................................................35

第四章个体空调系统热环境的模拟计算与分析.....................................................37

§4.1 热舒适性指标及室内舒适性的要求..............................................................37

§4.1.1 热舒适性指标.......................................................................................37

§4.1.2 室内舒适性的要求...............................................................................39

§4.2 个体空调系统热环境模拟计算与分析..........................................................39

§4.2.1 送风温度对个体空调送风断面流场及热舒适性的影响...................40

§4.2.2 送风风速对个体空调送风断面流场及热舒适性的影响...................42

§4.2.3 背景温度对个体空调热环境的影响...................................................44

§4.2.4 个体空调送风断面吹风感分布...........................................................46

§4.2.5 个体空调送风断面 PPD 分布...............................................................48

§4.3 本章结论..........................................................................................................50

第五章个体空调系统热环境的实验研究.................................................................51

§5.1 个体空调系统流场测试和热环境分析..........................................................51

§5.1.1 测点布置.............................................................................................51

§5.1.2 个体空调系统实验工况确定.............................................................52

§5.1.3 不同送风风速下的温度场分析.........................................................53

§5.1.4 不同送风风速下的速度场分析.........................................................54

§5.1.5 不同送风温度下的温度场分析.........................................................55

§5.1.6 不同送风温度下的速度场分析.........................................................57

§5.1.7 不同背景温度下的温度场和速度场分析.........................................58

§5.1.8 局部吹风不满意度 DR.......................................................................61

§5.2 本章结论..........................................................................................................62

第六章个体空调系统的节能效果研究.....................................................................63

§6.1 个体空调系统节能途径分析..........................................................................63

§6.2 现有个体空调系统的能耗理论计算..............................................................63

§6.2.1 现有个体空调系统节能途径.............................................................63

§6.2.2 现有个体空调系统冷量、送风量、冷冻水量和冷却水量的理论计

算.......................................................................................................................64

§6.2.3 按办公人员多少进行能耗参数对比.................................................67

§6.3 现有个体空调系统的能耗实验研究..............................................................68

§6.4 理论计算的能耗参数与实验的对比..............................................................70

§6.5 本章结论..........................................................................................................72

第七章小结与讨论.....................................................................................................73

§7.1 主要工作和结论..............................................................................................73

§7.2 建议与今后的研究方向..................................................................................73

参考文献.........................................................................................................................75

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................81

致谢.............................................................................................................................83

第一章绪论

§1.1 课题提出的背景及意义

随着经济的发展和生产力的进步，人们越来越重视生活环境和节约能源，暖

通空调的目标是给建筑物的室内人员提供满意的热环境和良好的室内空气品质，

以确保其健康、舒适和高生产效率。而工程师面临的一大挑战，则是使达到这些

目标的能耗保持在一个较低的水平上。

传统的全空间空气调节方式是目前在实践中应用最广的一种，主要包括混合

式和置换式调节。混合式调节的送风方式，大部分是使用散布于房间上部多处的

出风口，将冷气分配至室内的每个角落。这种传统的设计会产生许多缺点，如：

a、送入的空气在到达人员呼吸区之前就已经在房间内受到污染，对室内热环

境和空气品质的改善程度是不够理想的。

b、在典型的办公楼及商用建筑中，不论房间内的实际负荷如何变化，空调系

统总是依照设定值运转，造成空调系统能量消耗与房间实际负荷动态不匹配。

c、传统空调系统大部分采用上送上回，出风口大部分安装在天花板上，这样

设计必然带入较多的灯具、屋顶与墙壁等处的负荷,从而增加了空调系统的负荷。

由于上述因素，近年来的空调系统设计开始逐渐重视个体化微环境的研究。

个体化微环境之所以可能让绝大多数人满意，主要因为：

a、优于传统的空气调节的个体热舒适性适应性。

b、新鲜空气可以直接送到人的呼吸区；减少与室内空气的混合，使人体吸入

的空气尽可能地不受周围环境的污染,以保证较高的空气品质。

c、通过提高环境空气温度，送风气流有效的和空间高处的高温气体分离，达

到节约能源的目的。

因此，个体化空调系统成为当前研究和应用的一个重点。

个体化空调系统的构想起源于90年代盛行的智能化建筑(Intelligent building)

中。由于当时的建筑设计大部分是采用高架式地板的建构[2]，空调系统可以利用地

板与楼板之间的空间来作为送风或回风的管道，因而激发了一些新的空调设计的

构想，例如：地板送风系统(Under-floor air distribution systems,UFAD)、工位/背景

调节系统(Task air-conditioning systems,TAC)等。目前美国、日本、丹麦、中国台湾

等地已经有研究人员从事相关领域的研究工作。

本课题将以个体空调系统为研究对象，采用CFD数值模拟与现场实测同时进行

个体空调系统热环境特性与节能效果研究

的研究方法，分析个体空调系统的热环境特性，研究提出比较理想的送风参数。

并分析和讨论个体空调系统的节能效果。

个体化空调系统的热环境特性及节能技术研究对个体化空调系统的设计以及

在国内的推广应用具有指导意义。同时对个体化空调系统的控制方法和节能效果

的初步探讨将有利于降低建筑能耗，推动建筑和空调行业的技术进步。

§1.2 国内外个体化空调系统发展现状

§1.2.1 国外发展现状

国外一些机构近些年对个体化空调系统做了大量研究工作，个体化空调系统

的构想起源于 90 年代盛行的智慧化建筑(Intelligent building)中。由于当时的建筑设

计大部分是采用高架式地板的建构[2]，空调系统可以利用地板与楼板之间的空间来

作为送风或回风的管道，因而激发了一些新的空调设计的构想。

个体化空调系统分为地板工位空调系统、桌面工位空调系统、工作台或隔板

送风系统和天花板送风系统。地板工位空调系统最先在南非和欧洲使用并得到发

展，然后在日本。代表产品是 Tate Access Floors,Inc 提供的 Task Air Module(TAM)；

桌面工位空调系统的代表产品是 Johnson Controls Inc 提供的 Personal

Environmental Module(PEM) ；工作台或隔板送风系统的典型产品是 Argon

Corporation 提供的 Panel Air Terminal(PAT)；天花板送风系统的典型产品是 T

amblyn Consulting Services 提供的 Zero Complaint System。现在真正市场化的产品

只有 Johnson Controls Inc 提供的 Personal Environmental Module(PEM)，而即使这

一套产品在 90 年代后也很少使用，在国内是空白[3]。

1993 年，美国的 Fred S.Bauman 等人通过实验和现场实测研究了桌面个人空

调系统对热舒适性的控制效果，实验在一个受控环境室中进行，模拟现代化的办

公区间，对各种参数做了详细的测定；现场用 8个人在一个小办公室中测定，4 个

人在个体化空调区间，4个人没有空调，经过对比得到一系列结论[32]。

1997 年，美国加州大学与美国圣弗朗西斯科银行办公楼合作，针对具有

DAC(Desktop air-conditioning systems)功能的个体微环境模块(PEM)进行实地实验，

并对使用者做意见调查，以了解个体化空调系统对使用者工作效率的影响，调查

结果显示，此系统可以提高工作效率与产值 3～8%，对于企业的年产值影响很大[33]。

另外，美国的 D Faulkner 等人对桌面工位空调系统送风的通风效率进行了研

究，对换气效果进行研究后，得到最佳人均新风量的范围[34]。

2004 年，香港理工大学的 Naiping 和Jianlei Niu 做了对人体微环境和个性化送

风的 CFD 研究。利用虚拟人体进行实验，然后与 CFD 模拟结果对比，结果很理想。

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摘要本课题以个体空调系统为研究对象，采用CFD数值模拟与现场实测的研究方法，分析了个体空调系统的热环境特性，提供了比较理想的送风方式与性能。并分析和讨论了个体空调系统的节能效果。课题利用上海理工大学建筑环境与设备工程系的环境模拟实验室研制了一套个体空调系统实验台，模拟实际的办公环境。实验台中采用了变风量个体空调系统末端，设计了可旋转的软管连接方式，可以根据需要移动风口；风口的设计可以360度转动并采用活动百叶。从而实现了风向的全方位调节。墙面负荷发生系统和模拟负荷发生系统能较好地模拟空调夏季热湿负荷。论文以Airpak作为CFD计算软件，通过与试验数据和室内流场分布规律的对比，选用了k-ε两方...

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