CN115183349A - 一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端 - Google Patents

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Abstract

一种基于层式气流组织的辐射‑对流整合空调末端，布置在侧墙上，由辐射单元、对流单元和换热单元构成；辐射单元为辐射板，换热单元与前面的辐射板接触形成导热传热，换热单元与后面的绝热背板接触，绝热背板与墙体接触；换热单元与前、后的辐射板、绝热背板形成上下贯通的空气通道即为对流单元的风道，对流单元利用风机将室内空气从进风口引入风道，室内空气在风道内与换热单元、辐射板接触，形成对流换热，并从对流单元下部的出风口进入到室内；本发明将辐射‑对流整合空调末端与层式气流组织结合营造室内热环境，利用层式通风气流组织的优点，将辐射‑对流整合空调末端的出风直接送入到人体活动区域，从而实现高能效营造热舒适环境。

Description

一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端
技术领域
本发明属于室内热环境营造技术领域，特别涉及一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端。
背景技术
热舒适性会显著影响室内人员的健康和工作效率，为保证热舒适，需要消耗大量的建筑能源。
在中国，房间空调器被普遍应用于住宅和商业建筑中以提供热舒适，截至2019年底，每百户家庭的平均房间空调器数量达到115.6台。如在中国长江地区冬季，58％的客厅采用房间空调器进行采暖。
辐射末端和对流末端是两种常用的空调末端，且各有优势。对流末端承担负荷的能力大，热响应速度快；但能效较低，且热环境品质存在不舒适的风险。如在供暖工况下，传统对流末端的热风由于密度差会聚集到房间的上部，无法有效送到人员活动区，造成供暖能源的浪费；同时，由于所送热风聚集在房间上部，会引起较大的空气垂直温差(>3℃)而造成热不舒适。辐射末端虽然可以营造均匀的热环境，垂直温差可以忽略不计，且能效高；但是辐射末端热响应速度慢，且在供冷时受限于露点温度而只能承担有限的负荷。
辐射-对流整合空调末端可以结合辐射末端和对流末端的优势。辐射-对流整合空调末端可以营造均匀的热舒适的环境、承担负荷能力大、能效高、及热响应速度快。但是现关于辐射-对流整合空调末端的研究忽视了房间气流组织对于人体热舒适、空调供热能力、及能源利用效率的影响，无法实现辐射-对流整合空调末端的高效综合利用。如哈尔滨工业大学董建锴等人在文献“Dong J,Zhang L,Deng S,Yang B,Huang S.2018.Anexperimental study on a novel radiant-convective heating system based on airsource heat pump.Energy and Buildings,158,812-821”中提出的辐射对流末端，未能考虑室内气流组织的影响，使得热环境营造存在不舒适和低能效的风险。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，充分考虑了室内气流组织对热环境和空调性能的影响，实现辐射-对流整合空调末端的高效综合利用。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，布置在侧墙上，由辐射单元、对流单元和换热单元构成；辐射单元为辐射板，换热单元与前面的辐射板接触形成导热传热，换热单元与后面的绝热背板接触，绝热背板与墙体接触；换热单元与前、后的辐射板、绝热背板形成上下贯通的空气通道即为对流单元的风道，对流单元利用风机将室内空气从进风口引入风道，室内空气在对流单元的风道内与换热单元、辐射板接触，形成对流换热，并从对流单元下部的出风口进入到室内，其特征在于，结合辐射和层式气流组织营造室内热环境。
所述的层式气流组织实现的方式为：
所述的对流单元的出风口布置在侧墙中部位置；
所述的对流单元出风角度的确定需使得出风能够克服浮升力的作用；供冷时，出风角度为90度，即垂直侧墙的水平方向；供热时，出风角度为35度-45度，出风角度的夹角指的是与水平出风方向的向下夹角；
所述的对流单元空气流量在4ACH–15ACH内。
所述的对流单元的出风口位置，以站姿为主的房间，推荐出风口距离地面1.9m±0.1m；以坐姿为主的房间，推荐出风口距离地面1.3m±0.1m。
所述的换热单元和对流单元，其换热温度和空气流量需耦合确定，换热单元温度，根据冷源/热源温度确定，且需要使得辐射单元表面在制冷时避免结露，对于给定换热单元温度，对流单元空气流量在4ACH–15ACH内的确定流程为：首先对流单元空气流量要使得人员活动区的预测投票值Predicted Mean Vote(PMV)、头脚垂直温差、吹风感、及辐射不对称温差都符合热舒适标准要求；在满足热舒适标准的空气流量中，选择使得热利用有效性最大的空气流量作为对流单元的空气流量。
所述的换热单元包括但不限于铜盘管和铜翅片。
本发明的优点：
层式气流组织是一种先进的气流组织，能够送风有效达到人体活动区，特别是人体的上半身，从而高效提供热舒适。本发明基于哈尔滨工业大学董建锴等人发明的辐射-对流整合空调末端，首次引入层式气流组织，得到基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，与哈尔滨工业大学董建锴等人发明的辐射-对流整合空调末端不同的是，由于引入了层式通风气流组织，本发明利用其优点，既将辐射-对流整合空调末端的出风直接送入到人体活动区域，又能高能效调节室内热环境。
附图说明
图1为本发明结构及安装示意图。
图2为辐射板温度、出风温度和进风温度随送风流量的变化图。
图3为辐射板辐射热输出和对流热输出、及出风热输出随送风流量的变化图。
图4不同给送风流量下室内速度分布图。
图5不同给送风流量下室内温度分布图。
图6预测平均投票值PMV随送风流量的变化图。
图7头脚温差随送风流量的变化图。
图8吹风感和辐射不对称温度随送风流量的变化图。
图9热利用有效性随送风流量的变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
参照图1，一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，结合辐射和层式气流组织营造室内热环境，由辐射单元、对流单元和换热单元构成布置在室内侧墙上；辐射单元为辐射板2，换热单元包括铜盘管5和铜翅片4，辐射板3与铜翅片4接触形成导热传热，铜翅片4另一面与绝热背板2接触，绝热背板2与墙体接触；铜翅片4与辐射板2、绝热背板4连接形成上下贯通的空气通道即为对流单元的风道，即对流单元利用风机将室内空气从进风口1进入风道，室内空气在对流单元的风道内与铜盘管、铜翅片、辐射板接触，形成对流换热，从对流单元下部的出风口6进入到室内。
所述的对流单元的出风口布置在侧墙中部位置，使得经过换热单元处理的空气从房间中部进入人员活动区；以站姿为主的房间，推荐出风口距离地面1.9m±0.1m；以坐姿为主的房间，推荐出风口距离地面1.3m±0.1m。
所述的对流单元的出风角度的确定需使得出风能够克服浮升力的作用；供冷时，出风角度为90度，即垂直侧墙的水平方向；供热时，出风角度为35度-45度，出风角度的夹角指的是与水平出风方向的向下夹角；。
所述的换热单元温度和对流单元空气流量需耦合确定，换热单元温度，根据冷源/热源温度确定，且需要使得辐射单元表面在制冷时避免结露问题，对于给定换热单元温度，对流单元空气流量在4ACH–15ACH内，按如下流程确定：首先对流单元空气流量要使得人员活动区的预测投票值Predicted Mean Vote(PMV)、头脚垂直温差、吹风感、及辐射不对称温差都符合热舒适标准要求；在上述满足热舒适标准的空气流量中，选择使得热利用有效性最大的空气流量作为对流单元的空气流量。预测投票值Predicted Mean Vote(PMV)，头脚垂直温差、吹风感、及辐射不对称温差的计算参见热舒适标准，如ASHRAE 55。热利用有效性按文献“Zhang S,Lu Y,Niu D,Lin Z.2022.Energy performance index of air distribution:thermal utilization effectiveness.Applied Energy,307,118122.”给定的公式计算。
本发明的工作原理为：通过换热单元，冷源/热源将冷量/热量传给辐射单元和对流单元；辐射单元和对流单元继而将冷量/热量传给室内；换热单元通过导热将冷量/热量传给辐射单元；换热单元通过对流换热将冷量/热量传给对流单元内的空气；辐射单元为辐射板；辐射板与换热单元连接形成上下贯通的空气通道，作为对流单元的风道；对流单元利用风机将室内空气从进风口进入风道，并从出风口送回室内；特点在于结合了辐射和层式气流组织营造室内热环境。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，用于单人办公室供暖。辐射单元为辐射板，面向室内；换热单元为铜盘管5和铜翅片4，铜盘管5内的热源工质可以为热水、或者制冷剂(如R410a)；铜翅片4与前板即辐射板3接触，形成导热传热；铜翅片4与后板即绝热背板2接触；绝热背板2与墙体接触；换热单元、辐射板和绝热背板2形成对流单元的空气通道；对流单元在层式气流组织的辐射-对流整合空调末端上部布置风机，利用风机从进风口1从将室内空气引入到空气通道；室内空气在空气通道内与铜盘管5、铜翅片4、辐射板3接触，形成对流换热，从而被加热；被加热的空气从对流单元在层式气流组织的辐射-对流整合空调末端下部的出风口6进入到室内。
本实施例的办公室长3.9m，宽2.9m，高2.6m，办公室里有一位成年人，一台电脑，两盏灯，一个柜子和一张桌子。热源包括人员(75W)，计算机(60W)，灯(144W)。Y＝0的墙体为外墙，其他墙体为绝热内墙。辐射板与绝热板长1.2m，宽1.0m，厚度0.3mm；铜盘管外径9.52mm，厚度0.7mm，间距70mm；铜翅片长1000mm，宽50mm，厚度为0.3mm，间距40mm。进风口和出风口的尺寸均为1200×50mm2。出风口位置距地面高度1.3m处，出风角度为45度。本实施中，外墙内表面温度为10℃，表征典型的供暖工况；换热单元温度维持在40℃；送风量(即出风口出风量)在4.5ACH–12ACH范围内变化(ACH-Air Change per Hour,如4.5ACH表示每小时整合空调末端向室内送4.5倍房间体积的加热的空气)。换热单元温度和送风流量相互耦合，影响辐射板温度和送风温度，进而决定室内热环境。下述将说明这种耦合性，并确定与40℃换热单元温度匹配的送风流量。
采用经实验验证的CFD模拟，得到的室内热环境和能效如下。室内热环境评价指标包括平均投票制PMV，头脚温差，吹风感和辐射不对称温差，具体计算参见热舒适标准ASHRAE 55。能效由热利用有效性表征，具体计算参见文献“Zhang,Lu Y,Niu D,LinZ.2022.Energy performance index of air distribution:thermal utilizationeffectiveness.Applied Energy,307,118122.”如图2所示，随着送风流量(即出风口出风流量)从4.5ACH增大到12ACH，辐射板温度从37.1℃降低到36.5℃，出风温度从33.3℃降低到31.0℃，而进风温度从25.7℃升高到26.2℃。相应地，如图3所示，辐射板辐射热输出从124.0W降低到106.7W，辐射板自然对流热输出从42.9W降低到36.0W；而送风对流热输出从316.9W增加到547.1W；整合末端总热输出(输出至室内)从483.7W增加到689.8W。因此，相比单独的辐射末端或单独的对流末端，辐射-对流整合末端的热输出能力增大，特别是在高送风流量下。但是图4表明，送风流量不宜过大或者过小，否则无法形成层式气流组织，导致送风无法有效用于加热人体活动区。当送风流量过小时，送风动量无法克服浮升力的作用，送风直接进入到房间上部，无法达到人体周围。当送风流量过大时，送风动量远大于浮升力的作用，送风直接达到地板。在合适的送风流量下，即9ACH，送风达到人体的上半身，形成层式气流组织。图5也表明送风流量为9ACH时，所发明的辐射-对流整合末端能形成层式气流组织，有效加热人体，特别是人体的上半身。加热人体上半身，可以高效地使人体获得热舒适。图6表明当送风流量为9ACH时，平均投票值PMV最高；进一步增大送风流量，可以增大整合末端的热输出，但由于气流组织的不合适，并不能有效提升PMV。因此，考虑整体热舒适，平均投票值PMV表明9ACH的送风流量是最合适的。图7和8表明在9ACH的送风流量下，头脚温差、吹风感和辐射不对称温差都满足热舒适标准要求，即分别小于3℃、小于20％和小于10℃。图9的热利用有效性表明，送风流量为9ACH时，能效最高。因此在本实施例下，送风流量应为9ACH。所发明的层式气流组织的辐射-对流整合空调末端通过辐射和对流末端的整合增大了热输出，并通过层式气流组织使得输出的热量高效率地用于加热人体，从而实现高能效营造热舒适环境。这表明了本发明提出的层式气流组织的辐射-对流整合空调末端的先进性。
需要解释的是，层式气流组织是一种先进的气流组织，通常应用于中央空调，如层式通风供暖“Zhang S,Lin Z,Ai Z,Wang F,Cheng Y,Huan C.2019.Effects of operationparameters on performances of stratum ventilation for heating mode.Buildingand Environment,148,55-66.”。层式气流组织下，送风有效达到人体活动区，特别是人体的上半身，从而高效提供热舒适。本发明首次将层式通风气流组织引入到辐射-对流整合空调末端，可以用于供冷，及其他建筑类型，既可以应用于分体空调，也可以应用于中央空调。另外需要注意的是，辐射-对流整合空调末端的层式通风气流组织与中央空调的层式气流组织是不同的，主要体现为以下两大方面：1)中央空调的层式气流组织出风口为方形，辐射-对流整合空调末端的层式通风气流组织的出风口狭长(由辐射-对流整合空调末端的结构决定)，而出风口显著影响室内流场；2)中央空调的层式气流组织的送风温度和流量可以独立控制，而辐射-对流整合空调末端的层式通风气流组织的送风温度受送风流量影响，无法独立控制；而送风温度和送风流量也显著影响室内流场。

Claims (5)

1.一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，布置在侧墙上，由辐射单元、对流单元和换热单元构成；辐射单元为辐射板，换热单元与前面的辐射板接触形成导热传热，换热单元与后面的绝热背板接触，绝热背板与墙体接触；换热单元与前、后的辐射板、绝热背板形成上下贯通的空气通道即为对流单元的风道，对流单元利用风机将室内空气从进风口引入风道，室内空气在对流单元的风道内与换热单元、辐射板接触，形成对流换热，并从对流单元下部的出风口进入到室内，其特征在于，结合辐射和层式气流组织营造室内热环境。
2.根据权利要求1所述的一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，其特征在于，所述的层式气流组织实现的方式为：
所述的对流单元的出风口布置在侧墙中部位置；
所述的对流单元出风角度的确定需使得出风能够克服浮升力的作用；供冷时，出风角度为90度，即垂直侧墙的水平方向；供热时，出风角度为35度-45度，出风角度的夹角指的是与水平出风方向的向下夹角；
所述的对流单元空气流量在4ACH–15ACH内。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，其特征在于，所述的对流单元的出风口位置，以站姿为主的房间，出风口距离地面1.9m±0.1m；以坐姿为主的房间，出风口距离地面1.3m±0.1m。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，其特征在于，所述的换热单元和对流单元，其换热温度和空气流量需耦合确定，换热单元温度，根据冷源/热源温度确定，且需要使得辐射单元表面在制冷时避免结露，对于给定换热单元温度，对流单元空气流量在4ACH–15ACH内的确定流程为：首先对流单元空气流量要使得人员活动区的预测投票值Predicted Mean Vote、头脚垂直温差、吹风感、及辐射不对称温差都符合热舒适标准要求；在满足热舒适标准的空气流量中，选择使得热利用有效性最大的空气流量作为对流单元的空气流量。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于层式气流组织的辐射-对流整合空调末端，其特征在于，所述的换热单元包括但不限于铜盘管和铜翅片。
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