辐射供冷末端换热与凝露机理及其与太阳能空调匹配特性研究

摘要

环境污染和能源危机是目前人类社会面临的两大主要课题,而消耗在空调系统上的能源占社会总能耗的比重越来越大。传统空调系统多采用电压缩制冷技术,在消耗化石能源的同时,其制冷剂对环境的污染同样不可忽视,寻求一种能够利用可再生能源,且环境友好型的制冷空调系统意义重大。
　　本研究利用太阳能驱动的溴化锂-水吸收式空调系统,以太阳能作为其主要的驱动能源制取冷量调节建筑室内热湿环境。系统运行过程中,只使用少量的电能满足循环水泵等动力部件的运行,大大节约了建筑物内空调系统的能源消耗。特别是在夏季空调季节,能够有效消弱用电高峰能耗,减小电网压力。系统使用以溴化锂-水为制冷工质对的小型吸收机制取冷量,与传统的电压缩制冷空调相比,其制冷剂的ODP和GWP均为零,既不产生温室气体,也不会破坏臭氧层。对于地球环境保护意义重大。
　　在室内空调末端的选择上,系统采用毛细管辐射供冷板和新风机组共同承担室内的热湿负荷。辐射供冷末端能够使用太阳能空调提供的高温冷水,通过辐射的方式将冷量传递给室内环境,不但能够提高太阳能空调系统的运行效率,还能够减小室内空气的温度不均匀度,改善室内的热舒适性。同时辐射供冷末端的蓄冷能力能够减小系统蓄热水箱的尺寸,降低太阳能空调系统的初投资。系统采用新风机组配合辐射供冷末端,利用新风机组承担室内的潜热负荷,实现室内温湿度的独立控制。新风机组采用两级冷却,第一级预冷过程引入太阳能空调制取的高温冷水,使用一台电制冷机制取的低温冷水将新风处理到送风状态点来承担室内的潜热负荷。这种设计能够尽可能多的使用太阳能空调制取的高温冷水,减少系统对电能的消耗。毛细管辐射供冷板能够改善室内热舒适性,提高太阳能空调运行效率,然而其换热能力不足及易于在表面产生结露的特点制约着其推广使用,这是本文着重解决的一个问题。本课题对使用毛细管辐射供冷末端的太阳能溴化锂-水空调系统的运行特点和制约其推广的主要因素做了深入的研究,本研究的主要内容及结论有:
　　(1)毛细管辐射供冷末端供冷能力主要受到毛细管内冷水流速、冷水温度及室内环境温度和相对湿度影响。研究结果表明:综合循环水泵耗能、冷水进出水温差以及毛细管辐射供冷板的换热性能之间的平衡,建议此类毛细管的管内流速为0.45m/s。随着冷水供水温度的降低或者室内环境温度的升高,辐射供冷板的换热性能增强。
　　(2)由于辐射供冷末端冷水侧和室内环境温度之间传热温差存在,当冷水供水温度低于室内环境的露点温度时,辐射供冷末端表面不会立即产生结露现象。本文使用过冷度的概念来分析辐射供冷末端结露现象。过冷度定义为室内环境露点温度和冷水进水温度的差值。过冷度在控制系统中的采用,能够在预防毛细管辐射供冷末端表面结露现象产生的同时,最大限度的降低冷水进水温度,增加单位面积辐射供冷末端的换热性能。研究表明,在26oC,60％的热湿环境中,毛细管光管、毛细管金属板以及毛细管石膏板的过冷度分别为3.2oC、5.4oC和6.5oC。
　　(3)与全空气系统相比,辐射供冷末端与围护结构一起安装,室内辐射供冷墙面或辐射吊顶材料的蓄热特性能够维持室内供冷表面温度的稳定性。对于太阳能空调系统,其制冷能力受到太阳能辐射强度的波动性的影响,往往需要较大的蓄热水箱。在太阳能空调系统中使用辐射供冷末端能够减小系统蓄热水箱尺寸,降低系统初投资。同时能够延长系统运行时间,以本文采用的砖墙围护结构为例,使用辐射供冷墙面可以将太阳能空调系统的运行时间延长78min。
　　(4)相比于空气末端系统,辐射供冷末端能够直接将冷量传递给室内的目标人员,冷量传输效率高,冷量利用率好。作为室内显热负荷去除装置的辐射供冷末端能够匹配较高温度的冷水,从而改善太阳能空调系统的运行效率,节约能源。本文还研究了毛细管辐射供冷末端和风机盘管两种空调末端方式对太阳能空调系统的影响。当采用辐射供冷末端时,太阳能空调系统的COP和制冷量比采用分机盘管系统分别提高了23%和29%。同时,辐射供冷末端能够提高室内环境的热舒适性,研究表明,辐射供冷末端能够保证室内热舒适度处于CLASS-A。

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第一章 绪 论

1.1 概述

1.2 研究背景

1.3 本文研究内容

第二章 毛细管辐射供冷理论及实验研究

2.1 概述

2.2 毛细管辐射换热理论研究

2.3 毛细管辐射供冷末端

2.4 辐射供冷实验台设计及搭建

2.5 毛细管辐射供冷板换热特性理论分析及预测

2.6 本章小结

第三章 毛细管辐射供冷末端冷凝现象研究

3.1 概述

3.1 实验结果验证

3.2 辐射换热板结露机理及其对辐射板换热性能的影响

3.3 几种毛细管辐射供冷板传热和结露性能对比

3.4 避免辐射供冷板表面结露的控制策略

3.5 本章小结

第四章 太阳能空调系统实验台搭建及实验研究

4.1 概述

4.2 太阳能辐射供冷系统实验台搭建

4.3太阳能辐射供冷系统实验研究

4.4 本章小结

第五章 太阳能空调系统系统性能分析

5.1 概述

5.2 太阳能空调系统的理论模型

5.3 太阳能空调的实验验证及性能分析

5.4 辐射供冷末端运行特性

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 主要创新点

6.3 存在的问题

参考文献

附录一 符号说明

附录二 攻读博士学位期间已发表或录用的论文

附录三 攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢