列管式自然换热空调末端的性能提升与测试

摘要

近零能耗建筑以其超低能耗和高热舒适等特点，代表了未来建筑的发展趋势，在近零能耗建筑中，室内空调末端的选取对系统能耗和人员热舒适性起着至关重要的作用。本文的研究对象—列管式自然换热空调末端是一种新型的室内空调末端，根据供水温度的不同，可实现夏季供冷和冬季供热。列管式自然换热空调末端具有静音和对室内气流干扰极小的特点，一个末端可以满足建筑全年的供热供冷和除湿要求，非常适合应用于近零能耗建筑，但目前该空调末端单位投影面积的供冷量偏低，本文采用数值模拟和实验测试相结合的方法，对列管式自然换热空调末端在不同结构形式下的换热量进行模拟计算，提出提升其换热性能的方法，并研究提升效果。 首先，研究管径和管间距的排布对列管式自然换热空调末端的换热性能的影响，并对整体结构进行优化。设备由圆形换热管组成，在CFD数值模拟软件中建立单根圆形换热管和设备整体的模型，对单管直径为20~100mm，管中心间距为30~110mm的管外侧换热情况进行模拟研究，以单位投影面积换热量作为标准衡量设备的换热性能。研究表明，在管间距一定时，随着管径的增大，设备的单位投影面积换热量呈增大趋势，当管径一定时，随着管间距的增大，设备单位投影面积换热量减小。本文提出外轮廓投影面积比这一概念，在对列管式自然换热空调末端的供热能力研究中发现，当设备表面温度和室内空气温度一定时，该空调末端单位投影面积供热量与外轮廓投影面积比之间存在线性相关关系，可以通过求解外轮廓投影面积比得出设备的单位投影面积供热量，简化了计算过程。 根据列管式自然换热空调末端夏季供冷工况的传热特点，在CFD数值模拟软件中建立了由外加椭圆形肋片换热管组成的设备整体在夏季供冷干工况下的传热模型，模拟时选用了RNG k-?湍流模型和DO辐射模型。为了对模拟结果进行验证，本文搭建了供冷工况的实验台对模拟工况进行实测，将两组供冷干工况下的设备供冷实测值和模拟计算值相对比，结果显示模拟值和实测值的吻合度较好，最大相对误差不超过5%。由此验证了本次模拟计算选用模型的正确性。 为提高列管式自然换热空调末端的换热性能，本文提出在换热管外部增加一种横截面为椭圆形的三维肋片，该肋片不仅能大幅增加设备与室内空气之间的换热面积，而且在圆形换热管外壁与椭圆形肋片之间还能够形成两个竖直空腔，促进空调末端与室内空气之间的自然对流换热。利用模拟计算软件（CFD）建立了D=10mm的换热圆管外加长边a=50mm，短边b=20mm的三维椭圆肋片的计算模型，研究结果表明，冬季供热工况下（供水温度50℃），管外加装三维肋片后并在肋片中间形成自然对流，单管换热量与加肋之前的圆管相比提高了250.82%；管壁间距为10mm时，与由圆形换热管组成的设备相比，整体供热量提升了33%左右，单位投影面积的供热量增加了100W左右。

目录

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 适用于近零能耗建筑的空调末端研究现状

1.2.2 强化传热方法研究现状

1.2.3 肋片结构研究现状

1.3 列管式自然换热空调末端设备

1.4 存在的问题

1.5 本文的主要内容及研究方法

2 圆形列管式自然换热空调末端的管径与管间距优化

2.1 研究对象

2.1.1 物理模型

2.2 数学模型选择

2.2.1 假设条件及数学模型

2.2.2 流态确定

2.2.3 湍流模型

2.2.4 辐射模型

2.2.5 网格划分

2.2.6 网格独立性验证

2.2.7 数值参数和边界条件的选取

2.3 数学模型验证

2.4 管径与管间距的优化结果分析

2.4.1 管径对设备换热量的影响

2.4.2 管间距对设备换热量的影响

2.4.3 管径管间距的优化组合

2.4.4 设备供热量与其外轮廓投影面积比之间的规律分析

2.5 本章小结

3 椭圆肋片列管式自然换热空调末端夏季供冷实验测试

3.1 肋片形式的确定

3.2 测试对象

3.2 实验系统介绍

3.3 实验测试原理

3.4 实验测试内容

3.4.1 测试参数及测试仪器介绍

3.4.2 测点及人工热源布置

3.4.3 供冷测试工况

3.4.4 实验步骤

3.5 实验测试结果分析

3.6 本章小结

4 椭圆肋片列管式自然换热空调末端数值模型与验证

4.1 物理模型

4.2 数值模型和参数设置

4.2.1 假设条件

4.2.2 网格划分

4.2.3 数学模型

4.2.4 数值参数选取

4.3 数值模型验证

4.4 室内温度场及速度场分析

4.5 空调末端整体换热量的提升

4.6 本章小结

5 三维椭圆肋片对列管式自然换热空调末端换热效果的提升潜力

5.1 三维肋片介绍

5.2 外加三维肋片的单管换热器的数值模型和参数设置

5.2.1 物理模型及边界条件

5.2.2 基本假设及数学模型

5.2.3 网格划分

5.2.4 物性参数及数值参数

5.3 三维椭圆形肋片对设备换热性能的提升效果分析

5.3.1 肋片管内自然对流对设备换热量的提升

5.3.2 肋片管内强迫对流对设备换热量的提升

5.3.3 外加三维椭圆形肋片的设备整体模拟

5.4 本章小结

结论与展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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