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太陽輻射試驗(yàn)室建筑保溫對空調(diào)負(fù)荷和能耗影響研究

發(fā)布時(shí)間:2018/12/7 瀏覽量:5880

太陽輻射會對室外暴露的工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)生熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng),從而會對工業(yè)產(chǎn)品的性能和工作可靠性產(chǎn)生不利影響,按照一些工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求,在這些產(chǎn)品研制定型之前應(yīng)進(jìn)行太陽輻射試驗(yàn),陜西玻璃棉,西安玻璃棉板西安保溫材料,白色無甲醛玻璃棉板http://www.tastegoodlechon.com,西安聚鑫建材有限公司以考核其對太陽輻射環(huán)境的適應(yīng)性和工作可靠性。太陽輻射試驗(yàn)室是在室內(nèi)人工模擬太陽輻射環(huán)境,進(jìn)行太陽輻射試驗(yàn)的試驗(yàn)室。太陽輻射試驗(yàn)室采用專用燈具對太陽輻射的光譜、輻射強(qiáng)度和日照強(qiáng)度變化進(jìn)行模擬,因此其室內(nèi)燈具的發(fā)熱量很大,而且發(fā)熱量隨時(shí)間變化較大。同時(shí)要求室內(nèi)溫度也按一定曲線變化,以模擬夏季一天的氣溫變化,最高室溫要求達(dá)到40-50°Q因此太陽輻射試驗(yàn)室也是一個(gè)高溫環(huán)境試驗(yàn)室。對于高溫環(huán)境試驗(yàn)室,為了達(dá)到和維持室內(nèi)的高溫環(huán)境,空調(diào)系統(tǒng)通常需要加熱,因此加強(qiáng)建筑保溫性能通常可以減少空調(diào)系統(tǒng)的熱負(fù)荷和能耗,增強(qiáng)建筑保溫性能,這是目前建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一個(gè)重要途徑。但由于該試驗(yàn)室的室內(nèi)燈具的發(fā)熱量很大,建筑保溫性能的增強(qiáng)又會使建筑向室外的散熱能力減弱,從而使空調(diào)冷負(fù)荷增加。提高太陽輻射試驗(yàn)室的建筑保溫性能對于減少其空調(diào)能耗是否有利這是太陽輻射試驗(yàn)室設(shè)計(jì)工作中一個(gè)亟待解決的重要技術(shù)難題。在太陽輻射模擬技術(shù)方面,以往的研究主要集中在試驗(yàn)參數(shù)的探討上1通過對國內(nèi)外一些常用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,沒有發(fā)現(xiàn)對太陽輻射模擬試驗(yàn)室建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫問題進(jìn)行研究的報(bào)道,筆者采用計(jì)算機(jī)模擬分析的方法,對太陽輻射試驗(yàn)室的建筑保溫性能與空調(diào)冷熱負(fù)荷和能耗的關(guān)系進(jìn)行模擬分析研究,為此類建筑物的建筑保溫設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1試驗(yàn)室概況與技術(shù)條件某大型太陽輻射試驗(yàn)室能夠按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)4'在室內(nèi)對太陽輻射進(jìn)行模擬、進(jìn)行大中型設(shè)備的太陽輻射試驗(yàn)。其尺寸為的最大試件為60鋼鐵。室內(nèi)溫度要求按3條不同曲線變化,以模擬不同氣候區(qū)夏季典型日的氣溫變化,3條室溫變化曲線見。以24h為一個(gè)周期進(jìn)行試驗(yàn),通常為3到7個(gè)周期。室內(nèi)采用特制的燈具對太陽輻射的光譜和輻射強(qiáng)度進(jìn)行模擬,燈具輻射強(qiáng)度按一定曲線變化,以模擬一天內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度的變化,太陽輻射模擬燈具的總發(fā)熱量變化曲線見其綜合發(fā)光效率為40%.按室內(nèi)建筑面積計(jì)算燈具發(fā)熱指標(biāo)最高達(dá)到1100W/rf,可見室內(nèi)燈具的發(fā)熱強(qiáng)度是很大的。該試驗(yàn)室對室內(nèi)濕度沒有要求,室內(nèi)也沒有散濕源??照{(diào)系統(tǒng)加熱采用電加熱方式,冷卻采用室外空氣通風(fēng)冷卻和噴水蒸發(fā)冷卻方式。建筑墻體結(jié)構(gòu)為200厚的鋼筋混凝土+聚氨酯泡沫塑料保溫層,表面為1厚的不銹鋼板。

2空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法該試驗(yàn)室的空調(diào)冷負(fù)荷主要包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷、試件冷負(fù)荷、燈具冷負(fù)荷、滲透空氣冷負(fù)荷和循環(huán)風(fēng)機(jī)冷負(fù)荷。

21建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和試件的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算在太陽輻射試驗(yàn)過程中室內(nèi)溫度是不斷變化的,因此其建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和試件的熱工變化過程是不穩(wěn)定傳熱過程,這一部分計(jì)算是比較復(fù)雜的,在此采用有限差分?jǐn)?shù)值算法進(jìn)行計(jì)算按一維大平板傳熱計(jì)算采用向前差分格式,在厚度方向上分為N等分,傳熱差分方程為入w一入點(diǎn)和第個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的溫度;n0為初始溫度;為外壁面溫度;t為室內(nèi)壁面溫度。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)的邊界條件均為第三類邊界條件外墻面對流放熱系數(shù);an為內(nèi)墻面對流放熱系數(shù)。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般是由結(jié)構(gòu)層和保溫層組成的多層復(fù)合保溫結(jié)構(gòu),假設(shè)第k個(gè)厚度節(jié)點(diǎn)為兩種材料的界面節(jié)點(diǎn),按熱量平衡可得出界面條件:種材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容。為第個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的界面溫度。

將各層材料各厚度節(jié)點(diǎn)的傳熱差分方程、各層材料之間界面條件方程和內(nèi)外表面的邊界條件方程聯(lián)立求角解即可求出多層復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)在整個(gè)試驗(yàn)過程中的溫度場變化和傳熱狀況。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各組成部分,包括墻體、地面、屋頂、門和試件,它們的材料組成和結(jié)構(gòu)不同,因此分別采用有限差分法計(jì)算其溫度場。由于試驗(yàn)室中的試件是變化的、不確定的,為了簡化計(jì)算根據(jù)最大試件的平均厚度,將試件處理成一維殼板進(jìn)行計(jì)算。氣象參數(shù)按建筑物當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)計(jì)算冬季工況空調(diào)室外計(jì)算溫度為一256°C,夏季工況空調(diào)室外計(jì)算溫度為31.8°C,冬季工況和夏季工況分別計(jì)算??紤]最不利的情況,冬季工況的室內(nèi)溫度曲線按溫度最高的試驗(yàn)曲線1計(jì)算,夏季工況的室內(nèi)溫度曲線按溫度最低的試驗(yàn)曲線3計(jì)算。

22燈具空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算燈具的發(fā)熱量包括兩個(gè)部分,一部分是對流熱,另一部分是輻射熱。根據(jù)燈具廠家提供的數(shù)據(jù),該燈具的對流熱所占比例約為60%對流熱直接形成空調(diào)冷負(fù)荷。燈具輻射熱所占比例約為40%這部分輻射熱量需要通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和試件外表面的吸收、升溫、放熱才能形成空調(diào)冷負(fù)荷,其空調(diào)冷負(fù)荷按冷負(fù)荷系數(shù)法來計(jì)算由于該試驗(yàn)室中燈具的發(fā)熱量是逐時(shí)變化的,因此以1h為單位對燈光輻射散熱量進(jìn)行離散化分時(shí)處理,逐段進(jìn)行冷負(fù)荷計(jì)算并將分時(shí)計(jì)算結(jié)果疊加,得到燈具輻射散熱的空調(diào)逐時(shí)總冷負(fù)荷,房間類型為重型,1h燈光輻射散熱的冷負(fù)荷系數(shù)按表1的數(shù)據(jù)計(jì)算161.通過對比分析發(fā)現(xiàn)采用這種離散化算法對長時(shí)間開燈的冷負(fù)荷系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與中的相應(yīng)數(shù)據(jù)基本相同,最大絕對誤差為Q(H因此這種離散化算法是可行的。

開燈時(shí)間冷負(fù)荷系數(shù)表1燈具散熱的冷負(fù)荷系數(shù)(開燈時(shí)間為1h)23滲透空氣負(fù)荷和風(fēng)機(jī)冷負(fù)荷計(jì)算該試驗(yàn)室大門的面積較大,其密封性較差,室內(nèi)換氣次數(shù)按1次/h計(jì)算,由于該試驗(yàn)室室內(nèi)相對濕度沒有要求,空調(diào)系統(tǒng)采用通風(fēng)冷卻方式,沒有除濕過程,因此滲透空氣的空調(diào)冷負(fù)荷只計(jì)算顯熱負(fù)荷。試驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)的功率為24kw試驗(yàn)過程中風(fēng)機(jī)是連續(xù)運(yùn)行的,因此這部分散熱量按瞬時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算。

3計(jì)算結(jié)果與分析建筑墻體和屋頂?shù)木郯滨ヅ菽貙釉诓煌穸鹊那闆r下,該試驗(yàn)室冬季工況和夏季工況的空調(diào)冷熱負(fù)荷的模擬計(jì)算結(jié)果見夏季工況下(保溫厚度為100)空調(diào)累計(jì)冷負(fù)荷組成見夏季工況下累計(jì)熱負(fù)荷為0對這些計(jì)算結(jié)果的分析如下空調(diào)熱負(fù)何分析夏季工況下,空調(diào)系統(tǒng)累計(jì)熱負(fù)荷為0不需要加熱。冬季工況下,由可見,當(dāng)保溫厚度小于100"時(shí),空調(diào)系統(tǒng)需要加熱。當(dāng)保溫厚度大于10mm時(shí),空調(diào)系統(tǒng)也不需要加熱。

(2)建筑保溫對夏季工況空調(diào)能耗的影響增加會使空由可見,在夏季工況下,保溫厚度對空調(diào)能耗的影響很小,調(diào)能耗稍有增加,保溫厚度為250時(shí)的空調(diào)累計(jì)冷負(fù)荷比保溫厚度為50時(shí)僅增加1%.由可以看出,在夏季空調(diào)累計(jì)冷負(fù)荷中,燈具的累計(jì)冷負(fù)荷最大,循環(huán)風(fēng)機(jī)的累計(jì)冷負(fù)荷也較大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)則起到散熱作用。由于夏季工況室內(nèi)外溫差較小,與燈具負(fù)荷相比,圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量的數(shù)值很小,因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能對夏季空調(diào)負(fù)荷和能耗的影響很小。

(3)建筑保溫對冬季工況空調(diào)能耗的影響由于該建筑物室內(nèi)燈具的發(fā)熱量很大,因此即使在冬季工況,需要的供冷量遠(yuǎn)大于需要的加熱量,冷卻仍是空調(diào)系統(tǒng)的主要任務(wù)。在冬季工況下,當(dāng)保溫層厚度小于lOOmm時(shí),保溫厚度增加會使空調(diào)累計(jì)冷負(fù)荷增加,而使累計(jì)熱負(fù)荷減小。當(dāng)保溫層厚度超過100時(shí),累計(jì)熱負(fù)荷為0保溫厚度增加,對加熱能耗沒有影響,但使冬季和夏季工況的空調(diào)冷卻能耗增加,因此保溫厚度不應(yīng)超過10mm由于冬季工況可以利用室外免費(fèi)冷源進(jìn)行冷卻,冬季工況節(jié)能的主要目標(biāo)是減小空調(diào)系統(tǒng)電加熱量,因此合理的保溫厚度應(yīng)為100建筑保溫厚度為10mm時(shí),夏季工況和冬季工況下的空調(diào)冷負(fù)荷逐時(shí)變化情況見和由這些計(jì)算結(jié)果可見,無論是冬季工況還是夏季工況,試驗(yàn)時(shí)間為13:00時(shí),空調(diào)冷負(fù)荷均為最大。因此在試驗(yàn)時(shí),將試驗(yàn)的初始時(shí)間設(shè)置在下午4:00則空調(diào)冷負(fù)荷最大時(shí)刻出現(xiàn)在凌晨5:00這是室外氣溫最低的時(shí)間,可以充分利用室外自然冷源,進(jìn)行通風(fēng)冷卻,以減少空調(diào)能耗。

試驗(yàn)時(shí)間/h冬季工況下空調(diào)冷負(fù)荷Fig.試驗(yàn)時(shí)間/h夏季工況下空調(diào)冷負(fù)荷Fig. 4結(jié)語太陽輻射試驗(yàn)室具有室內(nèi)燈具發(fā)熱強(qiáng)度大、室溫和燈具發(fā)熱量變化大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工狀況變化復(fù)雜的特點(diǎn),提高其建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能對于減少空調(diào)能耗是否有利這是太陽輻射試驗(yàn)室設(shè)計(jì)工作中一個(gè)沒有解決的重要技術(shù)難題。本文采用計(jì)算機(jī)模擬分析的方法,對建筑保溫性能與空調(diào)冷熱負(fù)荷和能耗的關(guān)系進(jìn)行模擬分析研究,研究結(jié)果表明:由于燈具的發(fā)熱量很大,即使在冬季工況,需要的供冷量仍然較大,而需要的加熱量較小,建筑保溫性能增強(qiáng)會使空調(diào)加熱能耗減少,但卻會使空調(diào)冷卻能耗增加,因此盲目增加保溫厚度,不僅會使建筑保溫的一次投資增加,而且會使空調(diào)總能耗增加。對于所研究對象。當(dāng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)聚氨酯泡沫保溫層的厚度大干100時(shí),保溫層厚度增加會使空調(diào)r994-2UT6CnmaAcaaemicoumaTErectromc總能耗增加,保溫層的合理厚度為10mm這些研究結(jié)果為太陽輻射試驗(yàn)室建筑保溫設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。