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基于TRNSYS的地板辐射供冷与置换通风复合空调系统的模拟

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-08-06

山东建筑大学热能工程学院      栗浩   张林芳   王晓龙   刘吉营   张林华

摘   要:地板辐射供冷系统由于其末端的独特性,冷源可以采用高温冷源,为天然冷源的使用提供了可能。因此本文将以本文以济南某办公楼为例进行地板辐射供冷和置换通风复合空调系统的研究,利用TRNSYS软件搭建建筑模型和空调系统模型,对建筑负荷、室内温湿度进行模拟,来判断室内主要参数是否能达到室内舒适度标准。

关键词:地板辐射供冷;置换通风;TRNSYS;温湿度

基金项目:国家自然科学基金(51608310),山东省高等学校科技计划项目(J16LG07)。

       0   引言

       辐射空调系统最初应用在冬季供热,由于其不占室内空间、高舒适性和节能性,越来越受到推广使用[3]。后来随着技术水平的提高和辐射供暖技术水平的提高,辐射供冷技术也被逐渐被研究应用,冬夏共用一套系统,提高了整个系统的经济性[1]。在国外一般把辐射供暖和辐射供冷系统统称为RHC(Radiant heating and cooling)[2]空调系统。本文将利用TRNSYS软件为研究工具,以济南某办公楼为研究对象,搭建空调系统模型,对该空调系统进行研究分析。

       1   建筑模型搭建

       本文以济南某办公楼为例,该建筑包含五层地上办公楼和一层地下机房,地下机房主要用做空调机房和配电间。总建筑面积为5450m2,地上4583m2,地下867m2,空调面积3815m2。建筑围护结构参数见表1,各结构层的相关物性参数见表2。建筑模型的搭建在软件的TRNBuild中进行设置。

表1   建筑围护结构参数 表2   主要结构层参数

       在TRNSYS软件中,对地板结构层的设置见图1所示,埋管层见图2所示。

图1   TRNBuild中辐射地板结构层设置 图2   地板埋管层设置

       2   负荷模拟

       建筑冷负荷的构成主要有围护结构的得热、人体散热、设备及照明散热,有时还需要考虑室外新风的状态参数、空气再热的影响[7]等。随着室外温度的变化,建筑负荷也在时刻发生变化,根据相关统计,大多数空调系统都不是在满负荷的状态下运行,基本是在70%的负荷率以下运行。负荷计算是选择空调设备的依据,也是空调系统高效运行的保证,只有获得了准确的建筑负荷,才能找到减少运行能耗,提高系统运行效率的方案[8]

       在TRNSYS软件中计算建筑负荷,需要在TRNBuild模块中对建筑的围护结构参数,室内人员和设备等散热热源进行详细的设置。统计安泰节能示范楼各层的人员及用能设备,办公建筑的主要用电设备主要是电脑,照明按照每平米的用电量进行统计,统计结果见表3。建筑模型中所需要的外部参数是由EPW格式的气象数据提供,该数据是从EnergyPlus中导出,它包括是室外干湿球温度、太阳辐射、风速和湿度等逐时数据。

       建立建筑模型,设置好室内的相关参数,与室外天气文件相关的模块进行连接,输出显热负荷和潜热负荷,也可以输出每一层的负荷。建筑负荷的计算模型图见图3所示。建筑负荷模拟结果见图4所示。

图3    建筑负荷计算模型

       建筑负荷模拟结果见图4所示,通过比较各层的负荷发现,第3层和第5层的负荷较大。分析原因主要是由于3楼的人员较多,5层属于顶层,受到太阳辐射的影响较大。总的负荷中,最大负荷为253.90kW,其中显热负荷为224.11kW,潜热负荷为29.79kW,空调面积为3815m2,因此夏季空调单位面积的冷负荷为66.56W/m2。地板辐射直供系统只承担室内的显热负荷,全部的潜热负荷和部分的显热负荷由通风系统承担。

图4   建筑负荷模拟结果

       3   空调系统的搭建及模拟

       该建筑的空调设计方案选用了国内比较先进的地源热泵系统,采用地板辐射供冷和置换通风系统。利用了水蓄能技术,冬季蓄热夏季蓄冷[6],蓄能水箱在夜间利用电低谷时间段进行蓄能,白天释放冷热量[4]。空调系统的模型见图5所示。

图5   夏季空调系统仿真模拟模型图

       室内温度和相对湿度的模拟结果见图6和图7所示。从室内温度的模拟记过来看,整个制冷季的温度基本处于20~28℃之间,室内相对湿度处于40%~68%之间,温湿度满足供冷工况室内温度的要求[5]。地板表面温度的逐时模拟结果见图8所示,地板表面温度大部分是处于20~23℃之间,从这个温度也可以看出地板辐射供冷是不会造成“头热脚冷”的现象,第一层和第五层的地板表面温度偏高,主要是由于第一层墙体中玻璃面积较大及第五层有屋顶的原因,两者吸收太阳辐射热量较多,导致其地面温度高于其他楼层。

图6   室内温度模拟结果

图7   室内湿度度模拟结果

图8   室内湿度度模拟结果

       图9是地板直供系统的供回水温度逐时变化曲线,循环泵在整个制冷季一直处于开启状态,供水温度在18~19℃之间,回水温度在20~20.5℃之间,供回水温差维持在1~2℃之间,供回水温度比较稳定,随气象参数和建筑负荷的变化较小,这也是选择土壤源作为冷热源的优势。

图9   地板直供系统供回水温度

       4   结论

       利用TRNSYS软件搭建了该空调系统的建筑模型和空调系统仿真模型,获取了室内的逐时负荷变化,可以根据负荷变化对设备运行进行动态的调整,从而保证了系统低能耗、高效率的运行。通过室内的逐时负荷变化对其室内的温湿度进行了模拟,模拟的温湿度均满足舒适度标准,说明了该空调系统的适用性。

参考文献

       [1] 印伟伟. 地源热泵—地板辐射空调系统运行控制研究[D].重庆大学,2014.

       [2] Rhee K N , Kim K W . A 50 year review of basic and applied research in radiant heating and cooling systems for the built environment[J]. Building and Environment, 2015, 91:166–190.

       [3] K. Rhee, B. W. Olesen,K. Kim, Ten questions about radiant heating and cooling systems[J]. Building & Environment,112(2017):36–381.

       [4] 王伟. 地理管直接条件下辐射地板供冷系统控制策略的优化研究[D].山东建筑大学, 2017.

       [5] GB 50736–2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范.北京;中国建筑工业出版社.

       [6] 张云婷. 办公建筑地板辐射供冷系统运行策略研究[D].山东建筑大学,2014.

       [7] 赵荣义主编.空气调节(第四版).北京:中国建筑工业出版社, 2009.

       [8] 刘晓华主编.温湿度独立控制空调系统(第二版).北京:中国建筑工业出版社, 2013.

备注:本文收录于《建筑环境与能源》2019年5月刊总第21期。
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