基于计算模拟的夜间建筑构件制冷分析研究

王悦祥

上海市建筑科学研究院

基于计算模拟的夜间建筑构件制冷分析研究

王悦祥

上海市建筑科学研究院

本文以建立的简易计算模拟模型为基础，基于模拟结果，研究分析夜间建筑构件制冷的效果。在计算模型中以毛细管网为例作为温湿独立控制的空调末端，考虑了建筑构件的热传导、房间各表面及与室内空气的对流换热、各表面的辐射换热、太阳辐射、室内人员设备散热等因素，并对模型做了相应的简化。

夜间制冷 毛细管网 计算模拟 温湿独立控制

Fund Item: Shanghai Municipal Science and Technology Committee Project （Number 16DZ1202401）

近年来，因传统空调系统存在的一些问题，温湿独立控制空调系统以其各种优点得到了一定的关注和发展。例如，传统空调因温湿度需联合处理，其冷凝温度和蒸发温度的温差较大，导致制冷剂的效率不高。而利用温湿独立控制空调系统，末端温度不需要很低，使得蒸发温度明显上升，系统效率可以有大幅度的增加。另外，传统空调多用空气作为输送媒介，由于空气的比热远小于水，所以导致了以空气作为输送媒介的输送能耗远高于以水作为输送媒介的能耗。

再有政府利用分时电价鼓励错峰用电，降低电网压力，以冰蓄冷为代表的蓄能系统也得到了非常多的运用。

本文基于这两点，将以毛细管网为例作为温湿独立控制空调系统，融合了蓄冷的概念，依靠建筑构件自身的蓄热能力，对建筑构件夜间制冷进行了研究。

1　模型建立

本文为了对夜间建筑构件蓄冷的效果进行研究，需建立房间和设备的模型对房间热平衡进行计算，观察室内温度变化，了解夜间建筑构件蓄冷的效果。

（1）房间模型

此房间模型由天花、地面、一堵外墙与三堵内墙组成，在外墙上另开一玻璃窗。房间长6 m，深4 m，净高3 m。

图1　房间几何模型

房间模型中关注每种建筑构件的内外表面温度、室内温度、室外温度。考虑了建筑构件的内部热传导、外墙外表面与室外空气的对流换热、各房间表面与室内空气的对流换热、各个房间表面之间的辐射换热、太阳辐射得热以及房间内的得热等。

其中为了简化模型，对模型做了如下假设：

·房间的空气温度具有均一性；

·各个房间表面是等温的；

·各个建筑构件的内部传热是一维的；

·忽略了热桥的作用；

·太阳辐射得热对房间内各个部分的影响不随时间变化；

·操作温度为室内空气温度和平均辐射温度的平均值等。

表1-3是各建筑构件的结构组成和热工参数。

在计算房间各表面与室内空气和室外空气对流换热时，对流换热系数按照表4选取。

由于毛细管网制冷大部分通过辐射方式换热，所以辐射换热的计算须更加准确的通过计算各房间表面之间以及表面对室内空气的角系数。计算各表面对室内空气的角系数时，室内空气的几何位置去房间中央高1.5 m处。

表1　外墙的组成和热工参数

表2　内墙的组成和热工参数

表3　天花和地面的组成和热工参数

表4　各对流换热系数W·（m²K）-1

表5　各表面对室内空气的角系数

在整个模拟过程中，房间内的换气次数设为3h-1。

（2）设备模型

毛细管网的传热计算按照Stabtheorie理论进行计算，Stabtheorie中将毛细管网看作是许多个小肋片的组合。如图2所示，由于对称关系，在研究毛细管网传热时可以只取一半进行观察，其中肋其中肋片长度为毛细管管距的一半，肋片厚度为π/2倍的管径。

表6　毛细管网与传统地暖管的参数

图2　Stabtheotie的概念图

图3　根据Stabtheorie理论的替代模型

经计算，毛细管网的肋片效率因其非常小的管径和管距较传统的地暖管的肋片效率高30%多。表6为毛细管网和传统地暖管的各项参数比较。

如图3所示，毛细管网与建筑构件之间的传热可以类比成电路的形式，Ri和Ra分别表示根据Stabtheorie理论的两个分电阻，它分别表示从肋片两边到各自室内空气的传热阻。

肋片两边的平均温度根据肋片效率计算：

式中△ts为管中的水温，△tm为肋片两边的平均温度。

图4　夏季典型日环境参数

（3）环境参数

在整个模拟过程中，室外的环境参数将作为模型的边界条件对室内温度进行影响，本文选取了夏季典型日的气候参数，如图4所示.将典型日的室外参数连续重复其次，对室内温度情况进行模拟。其中分别为室外空气温度以及东西南北四向的太阳辐射值。在典型日中，室外温度在15～28℃之间波动。

2　模拟结果与分析

将房间模型、设备模型以及环境参数一起进行模拟得出室内温度的变化曲线。图5中表示的是无夜间制冷的室内温度变化情况。由于房间在白天得到的热量无法在夜晚完全释放，因此在连续多日后房间温度逐渐上升到了35℃。

而图6中还展示了通过夜间制冷后房间的温度变化，夜间制冷是在晚上10:00到早上6:00之间利用谷价电对房间进行制冷，在毛细管网中通入20℃的冷水，再由制冷表面对房间各个表面以及设备通过辐射换热进行冷却，进而冷却室内空气温度。

图5　无夜间制冷的室内温度变化

图6　有夜间制冷的室内温度变化

可以明显的看到，通过夜间制冷，在夜间室内温度很快得到冷却并保持在较低的水平，直到第二天上午，由于室外温度再度上升，室内温度才逐渐回升，在该过程中各建筑构件将夜晚自身储存的冷量逐渐释放出来。即使在下午室外温度达到最高，室内冷负荷处于相对较高时，室内操作温度依然只在26℃左右。

再配合上传统的空调系统，进一步对房间温度和湿度进行控制，可以达到理想的室内温度。通过夜间制冷，大大减小了传统空调系统的负荷，减少制冷机组的装机容量。同时在夜间利用了峰谷电价的优惠，降低了空调系统的运行费用。需注意的是，毛细管网的制冷辐射面温度较低，在实际运用中需对房间空气的露点温度进行监测，避免在制冷表面上发生结露现象。

另外，模型中模拟的房间没有添加遮阳设备，而在夏季太阳辐射对于室内操作温度的影响很大。该房间按照德国标准DIN4108-2来衡量属于轻型建筑，热惰性较低。因此如果考虑遮阳设备添加遮阳系数，并适当提高房间各建筑构件的热工性能，使房间热惰性更高，则夜间制冷的效果会有进一步的提升。

3　结论

本文以计算模型为基础，通过房间模型、设备模型以及环境参数的联合模拟，得到了室内温度变化情况并分析了夜间建筑构件制冷的可能性。

（1）按照模拟结果，夜间制冷能够很好降低室内空气和各个建筑构件的温度，并在白天逐步将冷量释放出来，延缓室内温度的上升，大大减少了制冷机组装机容量的需求。

（2）夜间制冷模仿冰蓄冷的原理，将部分负荷放在夜间，利用峰谷优惠电价，降低运行成本。

（3）由于供冷水的温度较高，在我国有些地区可以在夏季采用土壤源换热器直接输送冷量，而无需开启制冷机（或热泵）。此外，也为Free cooling的应用创造了条件。Free cooling是冷水机组（包括蒸汽压缩式与吸收式机组）不运行，仅利用冷却塔的冷却作用。

［1］Sommerliche Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik: Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren，DIN EN ISO 13791. Ausgabe Juli 2003

［2］Bernd Glück. Wärmetechnisches Raummodell: gekoppelte Berechnungen und wärmephysiologische Untersuchungen. ISBN 3-7880-7615-1.

［3］Mathias Fraaß.Ein Beitrag zur Theorie des thermisch aktivierbaren Bauteils［D］. 2001

［4］刘晓华，江亿等著.温湿度独立控制空调系统［M］，北京:中国建筑工业出版社，2005

Analysis and Research on Architecture Component Cooling at Night Based on Calculation Simulation

Wang Yuexiang
Shanghai Architecture Research Institute

The article is based on setting up simple calculation simulation model. It carries out research on analyzing architecture component cooling effect at night based on simulation results. The calculation simulation takes capillary network as example as independent temperature and humidity control air-conditioner terminal unit. It considers architecture component conductive heat transfer and all surfaces in room and convective heat transfer of room air， radioactive heat transfer of all surfaces， solar heat radiation， personnel and equipment heat transfer in room. Finally it simplifies calculation simulation model accordingly.

Cooling at Night， Capillary Network， Calculation Simulation， Independent Temperature and Humidity Control

上海市科委课题《公共建筑能耗数据挖掘与能效调试技术研究与示范》（编号：16DZ1202401）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.06.011