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 5 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-
ε
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
I
目 录
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
II
§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
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
2
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。
第一章 绪论
3
证明用 CFD 模拟个体化微环境是可行的[35]。
2004 年，中国台湾的潘忠怒和江旭政提出一种隔屏式个人化空调机，其设计
特点是将空调系统整合于办公室隔区用的隔屏内，提供使用者便利性以达到个人
控制的舒适要求与区域性空气品质，并给予室内工作者很大的健康保障[36]。
§1.2.2 国内发展现状
在我国，个体化空调系统的研究起步较晚，现有几所大学对个体化空调系统
做了不同程度的研究工作，主要包括清华大学和大连理工大学。上海理工大学、
广州大学和西安科技大学也进行了一些研究。既有理论上的研究分析及系统的数
值模拟，也搭建了实验台。
在清华大学超低能耗示范建筑中,采用热电联产废热驱动的溶液除湿系统处
理新风承担建筑的潜热负荷,处理后的干燥新风通过置换通风方式与个性化送风
方式送入室内。清华大学超低能耗示范建筑中个性化送风末端的应用和基于温湿
度独立控制的个体化送风系统的设计使国内学者对个体化空调系统有了更加系统
和全面的认识。
2003 年，清华大学的杨建荣等研究了个性化送风波动对热感觉和室内空气品
质的影响。实验表明，室温 28℃时，个性化通风下人体最喜爱的送风波动频率为
0.2HZ[37]。
2004 年，清华大学的李俊等研究了稳态条件下人体对个体送风的热反应研究，
研究结果表明个体送风可以改善局部热环境，在一定条件下可以满足使用者整体
热感觉的要求[38]。
清华大学对个体化空调系统的研究深，在国内外期刊上可以见到很多论文。
大连理工大学 2002 年受到辽宁省自然科学基金项目资助，近年来对个体化空
调系统也进行了研究。
端木琳等对百叶式桌面工位空调风口送风热舒适性进行了实验研究，对实验
中一些应该注意的问题进行了分析。
张晋阳等对桌面工位空调送风性能及舒适性进行了研究，提出了对撞式送风
的概念，并将其应用于桌面工位空调系统中[3]。
以上的研究对以后的热环境进一步研究和节能研究有很好的指导意义。
§1.3 文献综述
§1.3.1 CFD 技术在室内热环境研究中的应用
计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)是通过数值计算和图形显示，
对包含流体流动和传热的相关的物理现象进行分析研究。CFD 的基本思想是把原
个体空调系统热环境特性与节能效果研究
4
来在时间和空间上连续的物理量场，如速度场、压力场、温度场，用一系列有限
个离散点的变量值代替，通过一定的原则和方式建立关于这些离散点上变量之间
关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得变量的近似值。
CFD 可以看作在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)
控制下，对流动的数值模拟，相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以模拟仿
真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，
得出流体流动的流场在连续区域上的分布，从而近似模拟流体流动情况。CFD 是
目前国际上一个极为关注的研究领域，广泛应用于航空航天、热能动力、机械、
土木水利、环境化工等诸多工程领域，暖通空调行业是 CFD 技术应用的重要应用
分支之一 。 1933 年 ，英国人 Thom 首次用手摇计算机求解了二维粘性流体偏微
分方程，开创 CFD 的先河。CFD 应用对计算计性能的要求很高，起初只能在航空
航天、船舶设计等军事或大型的民用项目中应用。由于计算机技术的迅猛发展，
现在的个人工作站甚至个人计算机的性能达到了以前大型机的能力，CFD 技术的
应用迅速向一般民用领域扩展，在暖通空调工程中的研究和应用也越来越多。如
今，CFD 技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析气流流场问题的有力工
具[4-14]。
CFD 是利用计算机求解流体流动的偏微分控制方程组的技术，因问题的不同，
CFD 技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动
等。对于暖通空调领域内的流动问题，多为低速流动，流速在 10 m /s 以下:流体温
度或密度变化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动
下的激波等复杂现象。另外，暖通空调领域内的流体流动多为湍流流动，这给解
决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象理论求解至今没有完全得到解决，目
前的理论和计算机能力还不能对基本方程组直接进行数值计算求解，目前湍流问
题主要依靠湍流半经验理论来解决[15]。
湍流是流体运动的一种不规则情形，在湍流中各种流动物理量随时间和空间
坐标而呈随机的变化，且具有明确的统计平均值。分析湍流运动时，首先把各个
变量转换成平均值和脉动值的叠加，其中平均值恰是我们通常关心的物理量的平
均效果，脉动值是一种随机量，代入基本方程组后会产生脉动值附加项，脉动值
附加项是湍流计算的核心内容。所谓湍流模型就是把湍流的脉动值附加项与时均
值联系起来的一些特定关系式[15]。
(1) 零方程模型
零方程是最早提出而至今仍在使用的一种近似解法。它在未增加控制方程的情
况下做到了使平均运动方程和连续性方程封闭。使用零方程进行计算，收敛速度
第一章 绪论
5
较快，不易发散，在求解复杂问题时，可以作为初步计算，提高后续计算的速度
和收敛性[67]。
(2) k
－ε
两方程模型
k
－ε
两方程模型是目前应用最为广泛的湍流模型，它引入了 k方程和
ε
方程
使运动方程和连续性方程封闭。大量的预报结果机器试验对照已表明，k
－ε
模型
在预报无浮力平面射流、平壁边界层、无旋或弱旋流动方面是成功的，但对于强
旋流动、浮力流、重力分层流、曲面边界层、低 Re 流动的预报存在较大的误差[16-20]。
k
－ε
两方程模型的另一个缺点是收敛速度较慢，且容易发散[67]。
近年来各种商业化 CFD 产品成为 CFD 技术发展的又一重要动力，它集流体、
传热、计算机、数学方面的技术于一体，经过众多用户的使用和验证，成为一种
较为可靠辅助工具，特别适合专业人员的使用。一般商用的 CFD 软件具有良好的
用户界面、丰富物理模型，它的使用，可以使专业人员不必关心软件的编程、数
学模型的求解，而把主要精力放在模型的建立和应用分析上[21]。就暖通空调而言，
研究人员可以根据选择并建立最为合适房屋模型、人体、物品模型、风口形式、
边界条件等，通过试验验证，使通用的 CFD 软件成为适合自己研究和使用的重要
工具。
目前的 CFD 的数值方法包括：(1)有限差分法；(2)有限容积法；(3)有限元法；
(4)有限分析法。其中，有限容积法是使用最为广泛的计算方法。据 Manole 和Lage
对1990～1992 三年发表在 Int. J. Heat Mass Transfer 及ASME J. Transfer 两杂志
上论文统计，用有限容积法的论文占总数的 47％[22]，陶文铨对 Numerical Heat
Transfer(A)杂志统计的结果更高[15]。目前这一领域的大多商业软件也都采用了有限
容积法。
通过CFD方法可以对通风房间的温度、速度等参数的详细的分布情况进行预
测，通过浓度方程还可以对室内污染物浓度进行计算。采用CFD模拟方法可以得到
房间不同位置上的具体参数分布，从而可以对空调房间的气流组织、热舒适和室
内空气品质进行全面的综合评价。1974年，丹麦的P.V.Nilsen首次利用计算流体动
力学对空气流动问题进行了数值模拟[23, 24]。日本东京大学的Murakami利用低雷诺
数
k－ε
:湍流模型和Gagge的人体两节点模型，模拟计算了人体与环境热湿传递过
程中人体周围的空气温度、湿度、空气流速分布，模拟计算结果与对真人和暖体
假人的实测结果相近[25-28]。利用模拟计算结果可准确预测各种室内热环境下人体
的热感觉。美国麻省理工学院(MIT)开发了几个雷诺平均纳维――斯托克斯RANS
(Reynolds Averaged avier-Stokes)方程模型(如双层
k－ε
紊流模型和零方程模
型的CFD程序)和大涡模拟LES (Large Eddy Simulation)程序，用于模拟计算带有置
摘要：

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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