基于围护结构热湿传递的辐射空调系统的研究

摘要

围护结构的保温隔热和空调系统的优化设计是建筑节能的重要组成部分，且围护结构的热湿吸放特性与室内空调系统的设计与运行相互影响、密切相关。由于气候条件、建筑结构习惯的不同，我国五个气候区采用的墙体构造和空调形式有很大差异，选择适合当地气候的墙体构造和空调系统非常重要。但目前由于围护结构内部的热湿耦合传递以及与室内温湿度相互作用的复杂性，这方面的研究非常缺乏。
　　本文在不同气候区域的围护结构热湿耦合传递规律的基础上，采用测试和数值模拟相结合的研究方法，以间歇运行的天棚辐射+置换新风空调系统作为研究对象，研究在分别采用内保温（A房间）、外保温（B房间）外墙的测试房间内，各围护结构表面热湿吸放、及室内空气热响应规律。主要研究内容包括以下三方面:
　　①采用CHAMPS-BES软件模拟研究围护结构湿平衡时间和平衡相对湿度的影响因素，在此基础上研究围护结构初始含湿量、室内温湿度对围护结构内表面散湿量的影响;
　　②辐射空调系统的设计要点及间歇运行的测试研究;
　　③在测试分析的基础上，模拟研究保温形式（内保温和外保温）和保温层厚度（30mm～120mm）对墙体热湿吸放特性、及墙体内部热湿分布特性的影响。
　　主要得到以下结果:
　　1、稳态边界条件下，围护结构达到热平衡的速度远快于湿平衡，即围护结构内温度场受湿扩散的影响有限;非稳态边界下，降低室温或相对湿度时，内表面散湿过程均会被加强，且在本文建立的围护结构模型中，当室温tin＜24℃时，围护结构内表面吸放湿年变化为散湿;当tin≥24℃时，年变化表现为吸湿;当室内相对湿度φin＜86％时，围护结构内表面吸放湿年变化为散湿;当φin≥86％时，年变化表现为吸湿。
　　2、在空调系统间歇运行的测试房间，采用内保温更有利于室内温湿度响应，而外保温形式具有较强的蓄冷蓄热能力。运行达到稳定状态后，A测试房间中毛细管供水温度与天棚表面的温差(2℃)小于B房间(7℃)，主要原因是天花板和外墙采用的保温形式不同。测试表明采用内保温时:室内温湿度响应速度快，热舒适性好;毛细管供水与天棚间的小温差能有效降低机组能耗。
　　3、新建建筑围护结构的含湿材料向室内的散湿作用，从小到大依次为内保温、无保温和外保温。而保温层厚度的增加能有效减小内表面热损失密度，同时降低率近似呈线性下降。通过拟合可得到内保温墙体模型的表面热流密度损失的变化率与保温层厚度的关系式为:Rh-l=-0.00445×δinsulation+0.1056。
　　本论文研究成果显示，内保温墙体在空调系统间歇运行时的温度响应快，且毛细管供水温度与天棚表温的小温差有助于机组节能运行，而外保温的蓄热性能良好。因此，从保温性能的角度，内保温结构适用于采用空调系统间歇运行模式的夏热冬冷地区，而外保温适用于连续供热制冷地区的严寒和寒冷地区。结合内表面热流密度损失和经济性分析可得到围护结构的最佳保温层厚度，为夏热冬冷地区的保温形式和保温层厚度的选择提供理论和工程参考。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外发展研究现状

1．2．1 围护结构热湿耦合传递研究

1．2．2 围护结构热湿耦合传递对室内热湿环境的影响

1．2．3 辐射末端空调的室内温湿度研究

1．3 课题研究主要内容

1．4 课题研究方法

第二章 围护结构热湿耦合传递模型

2．1 围护结构物理模型

2．2 建筑材料性能参数的确定

2．3 建立数学模型

2．3．1 湿量守恒方程

2．3．2 能量守恒方程

2．4 模型的离散和求解

2．5 定解条件的确定

2．5．1 边界条件

2．5．2 初始条件

2．6 求解流程

第三章 不同气候区域围护结构热湿传递规律

3．1 稳态边界条件下墙体热湿平衡特性

3．1．1 初始相对湿度对围护结构湿平衡的影响

3．1．2 室内热环境对围护结构湿平衡的影响

3．1．3 室内湿环境对围护结构湿平衡的影响

3．1．4 不同气候区的围护结构湿平衡

3．2 非稳态边界条件下墙体热湿平衡特性

3．2．1 非稳态边界条件下围护结构的湿稳定

3．2．2 围护结构内表面热流及湿流分析

3．2．3 围护结构内表面散湿量的影响因素

3．3 本章小结

第四章 辐射空调系统室内热湿环境测试研究

4．1 天棚辐射空调

4．1．1 天棚辐射空调系统原理

4．1．2 毛细管末端

4．1．3 辐射顶板结合置换新风系统

4．2 天棚辐射+置换新风空调系统设计要点

4．2．1 确定空调系统方案

4．2．2 空调系统设计参数计算

4．2．3 毛细管末端设计要点

4．2．4 置换新风设计要点

4．2．5 地源端设计要点

4．3 测试实施方法

4．3．1 测试建筑

4．3．2 空调系统

4．3．3 测试数据采集与处理

4．4 本章小结

第五章 基于围护结构热湿传递的辐射空调系统

5．1 测试空调系统的运行

5．1．1 供热工况下空调系统的运行

5．1．2 室内温湿度

5．1．3 垂直温度分布

5．2 辐射空调系统的热响应测试

5．2．1 机组启动后室内温度响应

5．2．2 机组停止后室内温度响应

5．3 保温层对围护结构热湿传递的影响

5．3．1 保温形式对围护结构热湿传递的影响

5．3．2 保温层厚度对围护结构热湿传递的影响

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 不足与展望

致谢

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表的部分论文及申请的专利