热湿独立处理空调系统的能耗模拟与实验研究学士学位论文.doc

分类号： TU83 密级： 编 号： 江苏科技大学硕 士 学 位 论 文论 文 题 目 热湿独立处理空调系统的 能耗模拟与实验研究 摘 要学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要当今社会，能源短缺和环境恶化已成为一个世界性问题。而在暖通空调领域，节能和环保成为国内外学者研究的重点。目前，传统制冷空调系统正面临着节能与环保、室内空气品质（IAQ）恶化、健康安全性等诸多自身难以克服问题的挑战。热湿独立处理空调系统正是在这一背景下提出的，其将去除房间显热负荷与潜热负荷的任务分开处理，实现温湿度的独立控制，从节能和环保的角度来满足室内温度、湿度和空气品质的要求，是一种新型的空调方式。本文先对热湿联合处理、热湿独立处理两种室内环境控制策略进行了研究。重点探讨了热湿独立处理空调方式，研究了其空调系统中各组成装置的运行原理及其优缺点，接着从热力学角度分析了两种控制策略下空调系统的效率，并通过计算比较了热湿联合处理（冷凝除湿）的理想效率及热湿独立处理空调系统的理想效率，分析了热湿独立处理空调系统效率较高的原因。 在此基础上，对热湿独立处理空调系统进行了分析，建立了热湿独立处理主要空调设备的分析模型，重点分析了蒸发冷却制冷水的三种装置，探讨其效率的变化过程及原因；对三种热湿独立系统进行了总体的分析，研究其各装置效率，探讨系统中损失的主要环节，并对常规空调系统和热湿独立空调系统中的干式风盘/新风系统，冷凝除湿/辐射供冷系统进行了分析计算，比较了系统效率，得出热湿独立处理空调系统比常规的空调系统节能，但是由于热湿独立处理空调系统的设计方案和装置的节能性不同，不同的热湿独立系统相比于常规空调系统的节能程度有差别。接着，本文用TRNSYS软件进行了热湿独立处理空调系统的热舒适性与能耗模拟，建立了以实验室空调房间为中心模块的干式风机盘管/独立新风系统，冷凝除湿/辐射供冷系统，转轮除湿/辐射供冷系统模型，研究了其在最热月下的系统运行情况和房间内的热湿环境，并进一步对三种系统进行了能耗分析，探讨其耗能的主要环节。另外还对设计的实验系统进行了模拟，为实验研究打下了理论基础。最后，在模拟研究的基础上设计和建立了风机盘管/辐射供冷热湿独立处理空调系统，并进行了实验研究。探讨了辐射板位置和供水温度对房间垂直温度分布的影响；研究了结露现象出现的条件，提出了防结露的措施；分析了运用辐射板时辐射换热与对流换热的比例以及风机盘管与辐射板承担负荷的匹配关系。实验表明运用预除湿的方法可有效避免结露的产生；房间的热湿状态符合人体舒适要求时，辐射板承担了60%的室内冷负荷。关键词：热湿独立处理；分析；蒸发冷却；辐射供冷；TRNSYS；实验研究AbstractAbstractNow the society, the shortage of the energy and the worsening of the environment have become a worldwide question. In the field of HVAC system, the applications of energy- saving and environmental protection technology have become the key points at home and abroad. Nowadays, the traditional refrigeration air-conditioning systems are facing a lot of questions and challenges, which arent solved by themselves, for example, energy-saving and environmental protection, deterioration of indoor air quality, health and safety of people, and so on. Heat and humidity independent control air conditioning system is established under this background, wipes off the sensible load and latent load separately, realizes the temperature and humidity independent control, meets the temperature, humidity, IAQ request according to the energy saving and environmentalism aspect, it is a new air-conditioning way. The paper studies the two room environment control strategies which are heat and humidity joint treatment and heat and humidity independent treatment discusses the principle of heat and humidity independent control air conditioning system on the base of system summary, studies the running principle; strongpoint and shortcoming of constitute equipment. Then analyses air-conditioning system efficiency from the view of thermodynamics, compares the ideal efficiency of cooling dehumidification system and heat and humidity independent control air-conditioning system by way of calculation, studies the causes of high efficiency of the later system. On the foundation of this, the paper carries exergy analysis of heat and humidity independent control air-conditioning system, establishes air-conditioning equipment exergy analysis models from the balanced equation about this system, analyses evaporative cooling cold water maker from original to improved respectively, discusses the changes and courses about exergy efficiency. Then carries the exergy analyses about dry fan coil/fresh air system, cooling dehumidification/radiant cooling system, liquid dehumidification/radiant cooling system, studies the exergy efficiency of each device, discusses the main factors of exergy losing. Then the paper takes exergy calculation of common air-conditioning system and dry fan coil/fresh air system and cooling dehumidification/radiant cooling system, compares the whole systems exergy efficiency, takes the conclusion that heat and humidity independent air conditioning system are always energy saving more than common air conditioning system, the degree depends on the whole systems design process and devices energy saving degree.Then, this paper establishes the simulation systems using the software of TRNSYS, simulates the dry fan coil/fresh air system, cooling dehumidification/radiant cooling system, rotate wheel dehumidification/radiant cooling system with the lab room as the center component. Then studies these systems running and rooms heat-humidity circumstances, analyses the three systems energy consumption so that find the energy consume main part. Besides, models the experiment project, gains the perfect heat and humidity circumstance and provides the foundation for experimental study later.Finally, the author experiments the reconstructive fan coil/radiant cooling system according to fact. Discusses the room overall temperature and gradient temperature in different water temperatures and radiant boards, studies the condition of appearing condensation phenomena and measures to avoid condensation; discusses the proportion of radiant heat exchange and convection heat exchange using radiant cooling, imposes the water parameters of fan coil and radiant board, studies both parameters. The experiment indicates that beforehand dehumidification can avoid condensation and when rooms heat humidity circumstance is fine the radiant board bears the 60% room cooling load.Key Words: heat and humidity independent control air conditioning; exergy analysis; evaporative cooling; radiant cooling; TRNSYS; experiment study VII目 录目 录 摘 要IAbstractIII第1章 绪 论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究历史与现状21.2.1 国内的研究现状与趋势21.2.2 国外的研究现状与趋势41.3 本文的主要研究工作5第2章 热湿独立处理空调系统的原理研究72.1 室内环境控制策略72.1.1 热湿联合处理空调方式72.1.2 热湿独立处理空调方式82.2 两种环境控制策略的热力学分析182.2.1 冷凝除湿的理想效率182.2.2 热湿独立处理空调系统的理想效率192.3 两种空调方式的比较202.3.1 空调系统的排余热效率比较202.3.2 空调系统的总体理想效率比较222.3.3 空调系统保证室内空气品质的比较232.4 本章小结24第3章 热湿独立处理空调系统的分析253.1 分析基本理论概述253.2 空调设备分析模型的建立263.2.1 稳定物流的263.2.2 湿空气的273.2.3 冷凝除湿空气处理机组的分析模型283.2.4 溶液除湿空气处理机组的分析模型293.2.5 高温冷水机组的分析模型313.2.6 蒸发冷却制冷水设备的分析模型313.3 热湿独立处理空调系统分析383.3.1 干式风机盘管/独立新风空调系统分析383.3.2 冷凝除湿/辐射供冷空调系统分析393.3.3 溶液除湿/蒸发冷却空调系统分析393.4 系统分析计算比较453.4.1 常规空调系统的分析计算453.4.2 热湿独立处理空调系统的分析计算473.4.3 两种空调系统效率比较493.5 本章小结51第四章 热湿独立处理空调系统的能耗模拟研究524.1 TRNSYS软件概述524.2 干式风机盘管/独立新风系统的模拟研究524.3 冷凝除湿/辐射供冷空调系统的模拟研究564.4 转轮除湿/辐射供冷空调系统的模拟研究594.5 三个系统能耗比较分析624.6 风机盘管/辐射供冷系统的模拟研究654.7 本章小结67第五章 热湿独立处理空调系统的实验研究685.1 实验系统的设计与搭建685.2 测试条件与测试方法705.3 实验步骤、数据与分析715.3.1 相同的入水温度下，采用不同的辐射板对房间温度的影响715.3.2 不同入水温度对房间热环境的影响735.3.3 研究结露现象出现的条件，探讨防结露的措施745.3.4 风机盘管与辐射板承担负荷的匹配关系765.4 本章小结80第六章 总结与展望816.1 全文总结816.2 研究与展望82参考文献84攻读硕士学位期间发表的学术论文87致 谢88ContentsContentsAbstract(Chinese)IAbstract(English)III Chapter 1 Introduction11.1 Background of the study11.2 History and actuality of the study at home and abroad21.2.1 Actuality and trend of the study at home21.2.2 Actuality and trend of the study at abroad . .41.3 Main study work of the paper5Chapter 2 Study of the principle about independent temperature and humidity control air condition system 72.1 Control strategy of indoor environment 7 2.1.1 Heat and humidity joint treatment air-conditioning manner7 2.1.2 Heat and humidity independent treatment air-conditioning manner 82.2 Thermodynamics analysis of the two control strategy 182.2.1 Ideal efficiency of condensation desiccation182.2.2 Ideal efficiency of heat and humidity independent control system 192.3 Comparison of the two air condtioning manner202.3.1 Efficiency comparison of eliminate waste heat air conditioning system202.3.2 Efficiency comparison of overal air conditioning system 222.3.3 Comparison of ensure indoor air quality 232.4 Brief summary about the chapter24Chapter 3 Exergy analysis of heat and humidity control system253.1 Foundation of exergy analysis253.2 Exergy analysis model of air condition device263.2.1 Exergy analysis model of steady flow system 263.2.2 Exergy analysis of moisture air273.2.3 Exergy analysis model of cooling desiccant283.2.4 Exergy analysis model of solid absorb desiccant293.2.5 Exergy analysis model of cold water chiller313.2.6 Exergy analysis model of evaporative cooling water device313.3 Exergy analysis of temperature and humidity control system383.3.1 Exergy analysis of dry fan coil/fresh air system 383.3.2 Exergy analysis of condensation desiccant/radiant cooling system393.3.3 Exergy analysis of liquid desiccant/radiant cooling system393.4 Calculation compare of system exergy analysis453.4.1 Exergy calculationof common air conditioning systrm453.4.2 Exergy calculation of heat and humidity independent control system473.4.3 Exergy efficiency comparison of the two systems493.5 Brief summary about the chapter51Chapter 4 Energy simulation of heat and humidity control system524.1 Summarize of TRNSYS software524.2 Simulation study of dry fan coil/fresh air system524.3 Simulation study of condensation desiccant/radiant cooling system564.4 Simulation study of rotate wheel desiccant/radiant cooling system594.5 Energy analysis of the three systems 624.6 Simulation study of according to experiment system 654.7 Brief summary about the chapter67Chapter 5 Experiment study of heat and humidity control system685.1 Design and construction of experiment system685.2 Condition and methods of experiments705.3 Experiment process data and study715.3.1 Room temperature study in same water temperature and differant radiant board 715.3.2 Room temperature study of differant water temperature 735.3.3 Condition of condensation and measure to avoid745.3.4 Study water matching of fan coil and radiant board 765.4 Brief summary about the chapter80Chapter 6 Sum-up and prospect816.1 Sum-up of the paper816.2 Study and prospect82Reference84Research paper of published in postgraduate time87Acknowledgements88第1章 绪论第1章 绪 论1.1 课题研究背景随着世界经济的发展，能源的产出与消耗之间的矛盾日益突出。如何合理有效地利用能源及保护环境，是世界各国所共同关心的焦点之一，也是实现可持续发展的关键。我国是世界上人口众多，能源相对贫乏的国家之一，人均能源占有量仅为世界平均水平的40，但能源消耗量到2003年已占世界消耗量的10，总量居世界第二位。目前，工业耗能、交通耗能和建筑耗能已经成为我国能源消耗的主要部分。建筑能耗伴随着建筑总量的不断攀升和人们对居住舒适度要求的提高，呈急剧上升趋势，在西方发达国家，建筑能耗占社会总能耗的40%50%，我国建筑能耗已占社会总能耗的20%25%，且正逐步上升。建筑节能作为缓解能源危机的重要途径已经势在必行。而在建筑能耗中又以空调能耗比例为最重。据统计，发达国家空调的用电负荷占总用电负荷的比例高达40%以上。国内空调能耗也每年正在以惊人速度增长，2002年全国各电网空调制冷负荷共达4500万kW，相当于2.5个三峡电站的满负荷工作。2004年，空调能耗已占全国耗电量的15%1。2006年空调能耗已约占建筑能耗的二分之一2，预计到2010年，全国制冷电力高峰负荷将比2002年增加一倍以上。由于空调具有使用时间集中、使用季节性负荷大等特点，这直接导致在用电高峰时段，电网压力大、电力供应严重不足，并且加重了峰谷电量差距的矛盾。因此，空调耗电所带来的电力危机必须引起我们的高度重视，并且要求我们去寻求缓解甚至解决问题的办法。传统的空调设备和系统存在着两个主要问题：一是空调系统耗能较多，传统空调系统大多为全空气系统，空气要承担室内全部热湿负荷，而且一般采用表冷器对空气进行减湿冷却，而减湿冷却需要冷却器的表面温度低于所处理空气的露点温度。这就要求制冷机的蒸发温度也要很低，而较低的蒸发温度会增加制冷机功耗，降低制冷机效率3。而一般空气过冷去除水分后为保证送风温差及空调精度，需再热加温，这样又导致了再热负荷。二是由于减湿冷却会使空调系统中的表冷器、风机盘管等处于湿工况下运行，这种潮湿环境是霉菌、细菌和病毒滋生的最好环境；另一方面，传统空调系统处于节能和热湿环境考虑往往限制新风量使用，大量使用回风。因此，各种污染物在空调系统中传播扩散，影响室内空气品质，恶化环境质量。长期工作和生活在这种空调环境中的人，由于空调房间的新鲜空气少，空气品质较差，对身体健康产生不良影响，越来越多的人患上“空调病”、哮喘等，此外还有吹风感等引起的热舒适问题。综上所述，为了在满足热湿环境的同时还保证室内空气品质(IAQ)，实现建筑环境的安全性，今后空调系统的发展方向应是对温度、湿度和空气室内品质独立处理的空调系统。本课题中所述的热湿独立处理空调系统正是在这一背景下提出的。此系统综合了暖通空调领域新技术，将湿负荷与热负荷分开处理，不仅保证了热湿环境，也保证了室内空气品质，是一种新型的空调系统。1.2 国内外研究历史与现状 目前，国内外对热湿独立处理空调系统的研究还都处于理论和实验研究阶段。但是多年来，众多学者对热湿独立处理空调系统中的新风处理机组、去除显热及潜热的末端装置的研究探讨以及空调系统的实验分析和计算机模拟等发面的研究已比较成熟，形成了比较完善的理论和工程实际体系。这也为本课题的研究提供了良好的技术支持。1.2.1国内的研究现状与趋势目前，国内对热湿独立处理空调系统中的相关领域进行过深入研究的有南京师范大学的王子介，李先中，刘传聚等；清华大学的江亿，刘晓华等，东南大学的张小松，施明恒，殷勇高等，他们都在各领域进行了比较深入的探索，提供了很有价值的资料。国内对热湿独立处理空调系统末端装置(辐射板(墙)，干式风机盘管，置换通风口，个性化通风口等)的研究较为丰富，20世纪90年代末，在我国北方进行了地板供冷的理论探讨和实验研究，南京师范大学王子介教授进行了地板供冷/置换通风复合空调系统的可行性探讨，在新风与卫生条件、地面结露问题、热舒适性方面进行了深入研究4，并在南京师范大学搭建了实验室，进行地板供冷/置换通风复合空调系统的实验，验证了置换通风对地板辐射供冷对流换热效果的影响5。河北工程大学通过实验测试与理论模型相结合的方式，分析了影响辐射供冷空调系统的几个重要因素，并总结出各影响因素关系式6。江苏科技大学的路诗奎和孔祥雷等人对基于溶液除湿的辐射空调系统进行了研究78，并在近年提出了一种“疏导结露”的辐射模型，为辐射供冷空调系统结露问题的研究提供了新思路。天津大学的那艳玲等通过CFD计算软件Fluent，采用有限容积法对带有冷却顶板的置换通风系统的温度场，气流分布以及人体的热舒适性进行了模拟分析，结果表明该系统可减小室内温度梯度，提高人体热舒适性9。湖南大学的余院生等也利用Fluent软件模拟了地板辐射供冷与置换通风房间的温度，湿度，气流速度的分布规律，并运用PMV-PPD热舒适指标进行了分析，得出了人体在基本满足热舒适情况下的空调系统参数变化10。华中科技大学的王鑫在她的硕士论文中对华中科技大学环境学院地板辐射实验室的地板内部的温度场建立了三维数学模型,采用Fluent软件进行了模拟,得到地板内部温度场的分布状况，并对空间温度场分布采用AirPak进行了模拟,发现温度与实验结果有相同的分布特征11。华中科技大学的苏鹰等人对末端装置的个性化送风口进行了研究，建立了带有地板辐射的座椅送风空调系统的模型并进行了能耗模拟计算表明该系统更经济，节能12。而对末端装置中的干式风机盘管国内也有很多研究，西安工程大学的兰治科等人对蒸发冷却/干式风机盘管的空调系统进行了探讨，指出该系统比直流式全新风系统节省能耗21.9%以上1314。扬州大学的倪美琴对干式风机盘管的进水温度的确定方法进行了探讨，得出了干式风机盘管临界进水温度的计算公式15。河南工程学院的段焕林等人针对干式风机盘管空调系统在运行中存在的一些困难,通过对三个不同建筑热工区域的代表城市的夏季空调方案的计算,比较了使用全热交换器前后的应用效果,指出了利用全热交换器预处理新风是解决干式风机盘管空调系统运行困难和降低新风机组能耗的有效手段16。而对于热湿独立处理空调系统中干燥新风制备系统，国内的科研人员也做了大量研究。湿度处理系统中的新风处理机组提供干燥的室外新风，以满足排湿、排CO2、排味和提供新鲜空气的需求。对新风有效的湿度控制是新风处理机组所面临的关键问题。对于我国西北干燥地区,室外新风的含湿量很低,新风处理机组的核心任务是实现对新风的降温处理过程,可通过直接或者间接蒸发冷却方式来实现,西安工程大学的黄翔，兰治科，李银明等人基于西北干燥地区独特的气候特点，分别对蒸发冷却/干式风机盘管半集中式空调系统13 14和蒸发冷却/冷却吊顶相结合的半集中式空调系统17进行了探讨。对于我国东南潮湿地区,室外新风的含湿量很高,新风处理机组的核心任务是实现对新风的除湿处理过程，对新风的除湿处理可采用溶液除湿、转轮除湿等方式18。主要的除湿手段有固体转轮除湿和溶液除湿。北京航空航天大学的张鹏等人根据现今空调的发展方向，提出了基于太阳能除湿制冷的置换通风送风系统，其中的空调系统即利用固体除湿转轮对环境空气进行除湿19。华南理工大学的丁云飞等人对利用除湿转轮处理处理冷顶板空调系统的湿负荷及实施方案的可行性进行了实验研究。结果表明绝大多数情况下除湿转轮均可满足系统运行要求20。上海交通大学的代彦军等人提出了一个集固体转轮干燥剂除湿，间接蒸发冷却和蒸汽压缩制冷于一体的混合式除湿空调系统，以转轮除湿器RDCH程序为计算基础，建立了该系统性能计算模型21。2003年，清华大学的李震提出基于溶液除湿的热湿独立处理空调系统，制冷机提供较高温度的冷水,使得制冷效率大大提高。冷水送到室内空调末端,负责处理室内的显热负荷。将溶液除湿机组处理后的干燥的新风送入室内,满足新风量和除湿的要求22。2006年，东南大学的权硕和江苏科技大学的路诗奎，孔祥雷等人开始进行基于溶液除湿的辐射空调的初步研究，提出基于热湿负荷分开处理的液体除湿辐射空调系统。除湿后干空气承担空调房间的潜热负荷（湿负荷），对除湿后的干空气直接蒸发冷却，使空调回水降温，送入辐射盘管承担空调房间的显热负荷，并分析了这一新型空调的特点及今后的研究方向7 823。1.2.2国外的研究现状与趋势 国外热湿独立处理的研究主要从美国的Mumma开始，他对DOAS(独立新风系统)及DOAS联合吊顶冷辐射板（CRCP）的热湿独立处理空调系统的能耗、舒适性、室内空气品质等开展了大量的理论与实验研究，得出相对于传统的全空气变风量空调系统，DOAS/CRCP系统可节省50%的能量消耗，并且可提高室内空气品质，提升建筑环境的安全性。并经过三年对实验室内热舒适的跟踪测定，表明DOAS/CRCP系统有很好的热舒适性2427。 1998年，Dennis建立了冷却顶板与置换通风的实验室，做了大量实验研究冷却顶板的温度，送风温度，相对湿度与换气次数等对人体舒适度的影响；F Alamdari用数值模拟的方法对置换通风与顶板辐射复合空调系统不同运行模式下的办公建筑内的热湿环境进行深入研究，以揭示其相对于传统空调模式的舒适和节能性28。1999年，Y.Hirayama和W.J.Batty研究了应用于热湿地区的以冷却和除湿为目的的辐射散热器29。Martin Behne 利用示踪气体在顶板辐射房间内进行实验，研究在顶板辐射房间运用混合通风还是置换通风对室内空气品质更加有利30。2002年，英国的D.L.Loveday等对热舒适评价标准BS EN ISO7730是否适用于冷却顶板/置换通风系统的问题进行了实验验证31。 J.Miriel等人用实验和TRNSYS仿真分析了辐射顶板在冬夏季的运行性能，热舒适性和能量消耗32。2003年日本的Doosam和Shinsuke Kato对适用于热湿地区的辐射板供冷/连续自然通风的系统进行CFD模拟，表明该系统在热湿地区有良好的空调效果33。香港科技大学的L.Z.Zhang和J.L.Niu研究了除湿循环进行空调房间预冷并联合冷却吊顶的系统，运用数学模型分析出该系统比传统的定风量全空气系统节省了40%的初始能量消耗34。2007年韩国Sungkyunkwan大学和Yonsei大学通过已有的地板供暖系统用来进行供冷并且联合除湿空气一起运行，经过实验研究和TRNSYS软件模拟分析，该复合系统不仅解决了结露问题并且可以将室内热环境控制在一个舒适的范围35。至于对热湿独立处理空调系统中干燥新风制备系统，国外也有较多研究。在固体除湿方面，SHYI-MIN LU和WEN-JYH YAN 搭建了实验台研究了太阳能除湿为辅助设备的辐射供冷系统，并通过实验分析了系统安放位置对除湿设备除湿和再生能力的影响36。Xiaoli Hao等人对冷却顶板，置换通风，转轮除湿联合运行的空调系统进行了理论研