張 愷 張小松 李舒宏

(東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)

地板送風空調系統(tǒng)靜壓箱熱衰減特性

張 愷 張小松 李舒宏

(東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)

為研究地板送風空調系統(tǒng)中地板靜壓箱的熱衰減特性,首先提出靜壓箱的熱衰減系數(shù)的概念,該系數(shù)可以用來反映整個房間的得熱量中傳入靜壓箱的比例,而該部分傳熱量正是造成靜壓箱內產生熱衰減的直接原因.然后,通過實驗得出地板靜壓箱內的溫度分布特性,并結合盒形圖分析影響靜壓箱熱衰減特性的主要因素.最后,得出送風溫度、送風量和送風末端形式等因素對靜壓箱熱衰減特性的影響規(guī)律.研究結果表明:地板靜壓箱內的熱衰減隨著送風溫度的升高或者送風量的降低而降低.另外,與采用旋流散流器的地板送風空調系統(tǒng)相比,系統(tǒng)采用多孔板或格柵板作為送風末端時,靜壓箱的熱衰減現(xiàn)象將明顯減弱,但靜壓箱的熱衰減系數(shù)的變化規(guī)律卻基本相同.

地板送風;空調系統(tǒng);地板靜壓箱;熱衰減

地板送風空調系統(tǒng)以其改善人員的熱舒適性、改善通風效率與室內空氣品質、降低系統(tǒng)能耗、減少建筑物的壽命周期費用、降低建筑物層高,以及改善生產率與人員健康等方面的優(yōu)勢,引起了空調技術人員的關注[1-2].

地板送風空調系統(tǒng)區(qū)別于上送風空調系統(tǒng)的主要特征之一就是可將經空氣處理機組處理過的空調風通過架空地板和樓板組成的地板靜壓箱直接輸送到房間內的人員活動區(qū),這種自下而上的送風方式,可以有效改善工作區(qū)的空氣品質[3-4].但是,由于空調送風在流經架空地板與樓板構成的靜壓箱時,空調送風與架空地板及樓板之間存在溫差而產生熱量交換,進而導致空調送風在靜壓箱內的得熱量的增加.該得熱量會使空調送風從靜壓箱入口到房間送風末端出口產生較大的溫升,這種現(xiàn)象被稱為靜壓箱的熱衰減[5-10].在送風量不變的情況下,地板送風空調系統(tǒng)送風溫度的升高必然導致房間內部人員熱舒適性降低,尤其是在每天負荷達到峰值時,該影響將更加明顯[11].另外,Bauman等[12]通過建立簡化的一維模型對地板靜壓箱的傳熱特性進行了研究.結果表明,地板送風空調系統(tǒng)的冷負荷中僅有60%是通過回風帶出房間的,而其余40%的熱量將通過架空地板傳入地板靜壓箱.因此,研究地板靜壓箱的熱衰減特性對充分發(fā)揮地板送風空調系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢具有重要的作用.

為研究地板送風空調系統(tǒng)中地板靜壓箱的熱衰減特性,本文提出地板靜壓箱熱衰減系數(shù)的概念,并通過實驗對系統(tǒng)送風溫度、送風量和送風末端的形式等影響地板靜壓箱熱衰減特性的主要因素進行分析,得出地板靜壓箱熱衰減系數(shù)的變化規(guī)律.

1 系統(tǒng)搭建

為研究靜壓箱的熱衰減特性,首先搭建典型的地板送風空調性能實驗系統(tǒng),如圖1和圖2所示.

該系統(tǒng)中實驗房間的尺寸為4.8 m(長)×4.8 m(寬)×3.5 m(高).其中,地板靜壓箱的高度為0.35 m,回風靜壓箱的高度為0.45 m,房間隔壁設置4.8 m(長)×0.8 m(寬)×3.5 m(高)的回風艙用以安置部分測試裝置.為便于安裝和調節(jié),房間內部的二次吊頂采用鋁扣板.同時,為保證實驗期間房間內部不受外界溫度變化的影響,房間和回風艙的墻壁以及頂棚均由100 mm厚的聚氨酯發(fā)泡板構成,房間和回風艙之間也同樣用該聚氨酯發(fā)泡板隔開,所有聚氨酯發(fā)泡板的內外表面均由彩鋼板包裹.房間和回風艙的地面上鋪設有防潮墊、0.03 m厚的保溫材料及強化復合地板等,而架空地板則通過支架安裝在強化復合地板上面.架空地板為0.6 m(長)×0.6 m(寬)×0.03 m(厚)的全鋼防靜電架空地板,地板內部灌注水泥.為降低房間和地板漏風對系統(tǒng)性能實驗的影響,房間和回風艙內的所有拼接和縫隙均采用密封膠進行密封,而架空地板之間的接縫處則通過膠帶進行密封.同時,架空地板上面鋪設地毯,鋪設方式為錯縫鋪設.

(a) 實驗房間和回風艙

(b) 空氣處理機組

(c) 風冷熱泵機組

2 實驗

2.1 性能參數(shù)

該地板送風空調性能實驗系統(tǒng)室內負荷按2人在室內辦公進行布置,見圖3.系統(tǒng)采用自制人體熱源模擬室內人員負荷,每個人體熱源的發(fā)熱量為120 W,房間人員每人配備一臺臺式計算機,其中主機的功率為280 W,顯示器的功率為50 W.同時,室內放置100和250 W熱源箱各一臺,用來模擬打印機和室內辦公設備的發(fā)熱量.另外,房間吊頂上裝有2盞日光燈,每盞功率為60 W.室內熱源和用電設備的功率通過電能表進行監(jiān)測,整個實驗周期內所有設備的負荷都非常穩(wěn)定.同時,系統(tǒng)采用6個旋流散流器作為送風末端,旋流散流器的直徑為0.2 m.系統(tǒng)中還另外配有450 W熱源箱和不同型號的送風末端用來滿足不同負荷和不同送風末端的實驗需求.

圖3 室內布置圖

為全面反映系統(tǒng)的氣流組織及溫度分布情況,房間內共設置3根2.6 m高的溫度測試支架,每個支架上設置7個溫度測點,測點距離地板表面的高度分別為0.1,0.6,1.0,1.4,1.8,2.2和2.6 m.此外,在靜壓箱內設置2組測點,實驗過程中每組測點可同時測量架空地板上下表面的溫度,以及樓板上表面與靜壓箱下表面的溫度.同時,靜壓箱的進風口處設置一個溫度測點用來測量靜壓箱的進風溫度,而房間的送風溫度,即靜壓箱的出口溫度,則通過放置在2個送風末端處的溫度測點測得.在靜壓箱內部選取4個支架,在每個支架的不同高度上共設置3個測點,測點距靜壓箱下表面高度分別為0.05,0.15,0.25 m.該地板送風空調性能實驗系統(tǒng)的熱源、送風末端及溫度測點分布如圖4所示.其中，D1～D6為送風末端；H1～H4為靜壓箱內溫度測試支架；HS1～HS3為設備熱源；TD1和TD2為送風末端溫度測點；TF1和TF2為架空地板及樓板溫度測點.

2.2 實驗方案

影響地板靜壓箱熱衰減特性的因素主要包括室內熱源的情況、系統(tǒng)的送風參數(shù)、送風末端特性、房間內外的溫差等[13-15].由于該地板送風空調性能實驗系統(tǒng)中靜壓箱的圍護結構面積與架空地板及樓板面積相比較小,而且熱阻較大,同時在整個實驗周期內,室內外溫差也保持在一個相對較小的范圍內,因此室外溫度對靜壓箱的影響可以忽略.本文將以供冷工況為例對靜壓箱熱衰減特性進行研究,主要測試工況如表1所示.

實驗過程中,測點溫度通過精度等級為A級的K型熱電偶測得.同時,送風量通過自制的風量測量裝置進行測量,該風量測量裝置的量程為0～1 500 m3/h,相對誤差為±1%.所有測量儀表均接入Agilent 34970數(shù)據采集儀,并將數(shù)據采集儀與計算機相連以實現(xiàn)系統(tǒng)全部數(shù)據的自動采集,保存到數(shù)據庫中[16-17].另外,每組實驗前,系統(tǒng)需首先運行5～6 h,在系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)即系統(tǒng)的溫度波動在±0.1 ℃范圍內時,開始記錄數(shù)據.為保證數(shù)據的完整性和可靠性,系統(tǒng)記錄時間為30 min,采樣周期為10 s.最后,以記錄周期內的平均值作為本次測試的最終結果.

表1 實驗測試工況

3 特性分析

3.1 特性參數(shù)和基本原理

3.1.1 熱衰減系數(shù)

為便于分析靜壓箱的熱衰減特性,本文給出靜壓箱的熱衰減系數(shù)的定義,即靜壓箱內熱力衰減相對值[15],其計算公式為

(1)

式中,ΔTup為靜壓箱的進出口溫差;ΔTr為靜壓箱的進口與房間回風溫度的溫差.

同時,根據熱平衡原理,地板靜壓箱的熱平衡可表示為

Lup=Lr+Ls=QaρcpΔTup

(2)

式中,Lup為靜壓箱的負荷;Lr為房間傳入靜壓箱的熱量;Ls為樓板傳入靜壓箱的熱量;Qa為房間送風量;cp為比定壓熱容;ρ為空氣密度.

對于整個房間,其熱平衡可表示為

Lroom=Len+Ls+S=QaρcpΔTr

(3)

式中,Lroom為整個房間的負荷;Len為圍護結構傳入房間的熱量;S為房間熱源發(fā)熱量.

將式(1)～(3)進行合并,可得

(4)

由式(4)可看出,在圍護結構和樓板保溫良好的情況下,圍護結構傳入房間的熱量和樓板傳入靜壓箱的熱量相對于房間熱源的散熱量和房間傳入靜壓箱的熱量要小得多,可以忽略,進而可將式(4)進一步簡化為

(5)

此時地板靜壓箱的負荷可表示為

Lup=Lr=γS

(6)

根據上述推導可看出,γ可用來反映整個房間的得熱量傳入地板靜壓箱的比例,而該傳熱量正是造成靜壓箱熱衰減的直接原因.因此,本文將其稱之為地板靜壓箱的熱衰減系數(shù).

3.1.2 溫度分布特性

盒形圖是一種用于分析數(shù)據分布情況的統(tǒng)計圖.在盒形圖中,水平的直線是該批數(shù)據的中位值,盒子的上邊和下邊分別是上四分位值和下四分位值,盒子外面的短橫線為該批數(shù)據的最大值和最小值,盒子中間的小方框為該批數(shù)據的平均值[18].根據工況3的靜壓箱內各支架的全部測試數(shù)據繪制的盒形圖,如圖5所示.

(b) H2

(c) H3

(d) H4

由圖5可看出,靜壓箱內部水平方向的溫度分布非常不均勻.這種不均勻性一方面是由于房間內部負荷分布的不均勻使得房間各處向靜壓箱內傳熱的不均勻造成的;另一方面,由于系統(tǒng)送風存在一定的射流區(qū)域,以及靜壓箱內部存在支架等障礙物導致靜壓箱內部產生回流和漩渦而引起的.但對于同一位置的不同高度,其溫度值則基本相同.這主要是由于靜壓箱的凈高與其長度和寬度相比相對較小.因此,除了近壁面處,靜壓箱內部同一位置垂直方向溫度變化較小.另外,靜壓箱垂直高度的溫度分布主要呈上下高、中間低的趨勢,這是由于架空地板和樓板的傳熱所引起的.

根據上述對地板靜壓箱內溫度分布特性的分析,下面將結合架空地板和樓板對靜壓箱的傳熱來討論系統(tǒng)送風溫度、送風量和送風末端形式等對靜壓箱內熱衰減的影響,以及靜壓箱熱衰減系數(shù)的變化規(guī)律.

3.2 送風溫度的影響

地板送風空調系統(tǒng)中,送風溫度的變化對空調送風在靜壓箱內的熱衰減有著重要的影響.同時,送風溫度的變化還將影響到房間內部溫度分布和熱舒適性.因此,研究送風溫度對靜壓箱熱衰減的影響具有重要的意義.選取表1中的工況1、工況3、工況6、工況7作為典型工況分析送風溫度對地板靜壓箱熱衰減的影響,所選工況的實測數(shù)據如表2所示.表2中的靜壓箱出風溫度即為房間的送風溫度,其測量值為圖4中送風末端3和送風末端5處測點溫度的平均值.

表2 送風溫度對靜壓箱熱衰減影響的實驗數(shù)據

送風溫度的變化對架空地板和樓板向靜壓箱傳熱的影響分別如圖6(a)和(b)所示.由圖6(a)可看出,隨著地板靜壓箱送風溫度的升高,架空地板上下表面的溫度均呈線性增長趨勢,而架空地板上下表面的溫差則有所增加,最大約增加0.5 ℃.另一方面,從圖6(b)可看出,隨著地板靜壓箱送風溫度的提高,靜壓箱下表面的溫度也呈線性增加的趨勢,而樓板上表面溫度基本不變.這使得地板靜壓箱下表面與樓板上表面的傳熱溫差隨著送風溫度的增加而急劇減小,最大減幅約為5 ℃.該溫差的減小可使得樓板向靜壓箱的傳熱量得到降低.但由于樓板上面安裝了保溫層,因此該傳熱量的減少并不十分明顯.同時,從表2可看出,靜壓箱的熱衰減系數(shù)隨著送風溫度的增加而逐漸減小,這說明地板靜壓箱內的熱衰減隨著靜壓箱送風溫度的升高而逐漸降低.另外,隨著地板靜壓箱送風溫度的升高,房間送風溫度也呈線性增長趨勢,如圖6(c)所示.靜壓箱內部溫度分布的不均勻直接導致不同位置散流器的出風溫度不同,但變化趨勢基本一致.

(a) 送風溫度對架空地板傳熱的影響

(b) 送風溫度對樓板傳熱的影響

(c) 送風溫度對靜壓箱出風溫度(房間送風溫度)的影響

3.3 送風量的影響

送風量是空調系統(tǒng)的另一個重要設計參數(shù).在地板送風空調系統(tǒng)冷負荷不變的情況下,送風量的變化也將對房間的熱環(huán)境造成很大的影響.為分析送風量對地板靜壓箱熱衰減特性的影響,選取表1中的工況2～工況5作為典型工況來展開研究,其主要實測數(shù)據如表3所示.

表3 送風量對靜壓箱熱衰減影響的實驗數(shù)據

送風量對架空地板和樓板向靜壓箱傳熱的影響分別如圖7(a)和(b)所示.從圖7(a)可看出,隨著送風量的增加,架空地板上下表面的溫度和溫差均有所降低,其中溫差最大降幅約為0.4 ℃.同時,隨著架空地板上下表面溫差的降低,房間向靜壓箱的傳熱量也將有所降低.而從圖7(b)可看出,隨著送風量的增加,靜壓箱下表面和樓板上表面的溫差在逐漸增大,這將導致樓板向靜壓箱的傳熱量增加.其中,當風量由600 m3/h增加到1 200 m3/h,靜壓箱下表面和樓板上表面的溫差最大增幅約為0.7 ℃.同時,從表3中靜壓箱的熱衰減系數(shù)可看出,隨著送風量的增加,地板靜壓箱的得熱量總體上

(a) 送風量對架空地板傳熱的影響

(b) 送風量對樓板傳熱的影響

(c) 送風量對靜壓箱出風溫度(房間送風溫度)的影響

呈增加的趨勢.因此,當送風量發(fā)生變化時,樓板向靜壓箱的傳熱對靜壓箱熱衰減的影響要強于房間向靜壓箱傳熱的影響.但是,當房間和樓板保溫良好時,送風量的變化對地板靜壓箱熱衰減的影響相對較小,靜壓箱的熱衰減系數(shù)變化并不大.另外,從圖7(c)可看出,當送風量發(fā)生變化時,房間的送風溫度相對比較穩(wěn)定.其中,當風量由600 m3/h增加到1 200 m3/h,即風量增幅達100%時,單個散流器送風溫度的最大變化量只有0.5 ℃.

3.4 送風末端的影響

本節(jié)將通過開孔率為35%的多孔板、開孔率為45%的格柵板和旋流散流器3種送風末端對比來分析送風末端形式對地板靜壓箱熱衰減的影響.3種送風末端均安裝在圖4中送風末端1、送風末端3、送風末端4和送風末端6的位置上.其主要工況實測數(shù)據如表4所示.

表4 送風末端形式對靜壓箱熱衰減影響的實驗數(shù)據

圖8(a)和(b)為送風末端形式對架空地板和樓板向靜壓箱傳熱的影響曲線圖.從圖8(a)中可看出,采用多孔板或格柵板作為送風末端時,架空地板上下表面的溫差將明顯降低,最大降幅約為1.4 ℃.同時,從圖8(b)可看出,靜壓箱下表面和樓板上表面的溫差也有所降低,最大約降低0.5 ℃.另外,從表4也可看出,當以多孔板或格柵板作為送風末端時,其靜壓箱的熱衰減系數(shù)較使用旋流散流器時要小得多.上述測試中房間的負荷一定且保溫良好,因此產生這種現(xiàn)象的主要原因是由于不同送風末端的氣流組織形式不同所造成.其中,旋流散流器送風時,空調風在上升過程中會不斷與工作區(qū)的空氣摻混并進行熱交換;而多孔板或格柵板的送風形式則更接近于置換通風的方式,以類似活塞流的狀態(tài)不斷將空調風送入.因此,旋流散流器較好的擴散性雖然可以降低工作區(qū)的溫升,但是房間與地板表面的換熱也得以增強,導致房間向靜壓箱內傳熱量增加,從而造成地板靜壓箱產生較大的熱衰減.同時,從圖8(c)可看出,與采用旋流散流器作為送風末端的地板送風空調系統(tǒng)相比,使用多孔板或者格柵板作為送風末端時,房間不同位置送風末端的出風溫度的差別有所降低,這說明采用多孔板或者格柵板作為送風末端時,地板靜壓箱內部的溫度分布將會更加均勻.

(a) 送風末端形式對架空地板傳熱的影響

(b) 送風末端形式對樓板傳熱的影響

(c) 送風末端形式對靜壓箱出風溫度(房間送風溫度)的影響

為進一步研究靜壓箱的熱衰減系數(shù)在采用其他形式送風末端的地板送風空調系統(tǒng)中的特性和規(guī)律,本節(jié)對以多孔板和格柵板作為送風末端的地板送風空調系統(tǒng)分別各增加5組測試工況,其實測數(shù)據見表5和表6.

表5 多孔板作為送風末端的測試結果

表6 格柵板作為送風末端的測試結果

從表5和表6可看出,以多孔板或格柵板作為送風末端的地板送風空調系統(tǒng)與采用旋流散流器作為送風末端的系統(tǒng)相比,地板靜壓箱熱衰減系數(shù)的變化規(guī)律基本相同,即地板靜壓箱的熱衰減系數(shù)將隨著送風溫度的升高或者送風量的降低而降低.但是當房間和樓板保溫良好時,由于房間的負荷沒有發(fā)生實質性變化,地板靜壓箱的熱衰減系數(shù)基本不變.

4 結論

1) 提出靜壓箱熱衰減系數(shù)的概念,該系數(shù)可用來反映整個房間的得熱量傳入地板靜壓箱的比例,而該傳熱量正是造成地板靜壓箱熱衰減的直接原因.同時,靜壓箱的熱衰減系數(shù)不僅可用來分析房間熱量的轉移和分配情況,還可以簡化靜壓箱內冷負荷的求解過程.

2) 利用盒形圖對地板靜壓箱內的溫度分布進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),由于房間負荷分布不均勻,地板靜壓箱送風存在一定的射流區(qū)域,以及靜壓箱內部存在回流和漩渦等原因,會導致靜壓箱內部水平方向的溫度分布非常不均勻.但由于靜壓箱的凈高與其長度和寬度相比相對較小,靜壓箱內部同一位置垂直方向溫度相差不大.

3) 通過實驗并結合地板靜壓箱的熱衰減系數(shù)可知,地板靜壓箱內的熱衰減現(xiàn)象將隨著送風溫度的升高或者送風量的降低而降低.但當房間和樓板保溫良好時,由于房間的負荷沒有發(fā)生實質性變化,靜壓箱的熱衰減雖然有所降低,但變化并不大,其值主要與房間熱源的發(fā)熱量有關.另外,與采用旋流散流器相比，當采用多孔板或格柵板作為送風末端時,靜壓箱的熱衰減現(xiàn)象將明顯減弱,而靜壓箱熱衰減系數(shù)的變化規(guī)律卻基本相同.

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Thermal decay in supply air plenum of underfloor air distribution system

Zhang Kai Zhang Xiaosong Li Shuhong

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096)

The coefficient of thermal decay is proposed to study the principle of the thermal decay in the underfloor supply air plenum (USAP) of the underfloor air distribution (UFAD) system. The ratio of the heat transfer from the room to the USAP can be derived from the coefficient of thermal decay, and the thermal decay in the USAP is mainly caused by the heat transfer from the room to the USAP. The distribution of the temperatures in the USAP is analyzed by the experiments, and the main influence factors are discussed with the box-plots. Then the effects of the supply air temperature, airflows, and type of diffusers on the thermal decay in the USAP are concluded. The results show that the thermal decay in the USAP is reduced with the increase of the supply air temperature and the decrease of the airflows. In addition, the thermal decay in the UFAD system with perforated tiles or grille diffusers is lower than that in the UFAD system with swirl diffusers, but the changes of coefficient of thermal decay are similar for the systems.

underfloor air distribution; air-conditioning; underfloor supply air plenum; thermal decay

2015-02-06. 作者簡介: 張愷(1981—),男,博士生;張小松(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導師,rachpe@seu.edu.cn.

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ03B05).

張愷,張小松,李舒宏.地板送風空調系統(tǒng)靜壓箱熱衰減特性[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(4):720-727.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.04.019

TU831

A

1001-0505(2015)04-0720-08