136
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Исследование эффективности систем панельно-лучистого охлаждения помещений
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Рост энерговооруженности помещений, особенно в административно-общественных зданиях, привел в последние годы к необходимости охлаждения помещений как в теплый, так и в холодный периоды года. Возросший при этом объем потребления искусственного холода стал причиной перегрузки систем электроснабжения. В то же время, сохраняется тенденция улучшения теплового комфорта в помещении. Эти обстоятельства требуют расширенного использования новых - более эффективных средств охлаждения помещения, к числу которых относится система панельно-лучистого охлаждения (СПЛО). Ее преимущество, помимо круглогодичного применения для охлаждения-отопления помещения, состоит также в высоких гигиенических качествах и возможности снижения установочной мощности холодильных машин.
Учитывая отсутствие достаточного опыта проектирования и эксплуатации систем панельно-лучистого охлаждения, проведение исследований в этом направлении представляется актуальным.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является выявление особенностей влияния панельно-лучистого охлаждения на микроклимат помещений и разработка на этой основе рекомендаций по оптимизации его параметров.
Реализация цели достигается решением следующих задач:
- оценка требований теплового комфорта в помещении при панельно-лучистом охлаждении;
- исследование лучисто-конвективного теплообмена в помещении при работе СПЛО;
- разработка метода расчета холодоотдачи панелей;
- выбор и оценка критерия теплотехнической эффективности систем панельно-лучистого охлаждения помещений при различных: геометрических параметрах помещения, расположении охлаждающих панелей, температуре холодоносителя и природе тепловой нагрузки на помещение;
- рассмотрение режима обеспечения внутренних параметров при совместной работе конвективной системы кондиционирования воздуха (СКВ) и системы панельно-лучистого охлаждения с целью выбора оптимального сочетания их мощности;
- проведение численного моделирования совместного режима работы в тестовых помещениях в течение суток и охладительного сезона для трех климатических зон территории России (Центр, Юг, Западная Сибирь);
- проведение технико-экономической оптимизации параметров совместной работы СКВ и СПЛО;
- постановка и проведение экспериментальных исследований с целью оценки достоверности полученных теоретических результатов.
Объект исследования. Система панельно-лучистого охлаждения помещений различного назначения.
Предмет исследования. Эффективность СПЛО при различных вариантах конструктивных решений системы, наружных и внутренних условий и оптимизация режимов ее работы в сочетании с СКВ.
Методы исследования. В работе использованы как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, а так же обобщение известных исследований различных авторов. Теоретические исследования проводились методом математического моделирования лучисто-конвективного теплообмена и математического моделированием режимов совместной работы СКВ и СПЛО в течение года. Экспериментальные исследования проводились на опытном стенде системы панельно-лучистого отопления и охлаждения и использовались для подтверждения полученных теоретических зависимостей.
Научная новизна. Научной новизной работы являются:
- постановка задачи лучисто-конвективного теплообмена в помещении при применении СПЛО;
- выработка и численная оценка критериев эффективности СПЛО;
- технико-экономическая оптимизация режима совместной работы СКВ и СПЛО;
Практическая значимость. Практическую значимость работы представляют:
- метод расчета холодопроизводительности системы панельно-лучистого охлаждения;
- рекомендации по выбору целесообразного расположения систем панельно-лучистого охлаждения в помещении;
- рекомендации по выбору оптимального по технико-экономическим соображениям соотношения холодильной мощности СКВ и СПЛО при их совместной работе;
- вычислительный комплекс для расчета и анализа режима и параметров совместной работы СКВ и СПЛО при переменном соотношении их производительностей.
Внедрение результатов исследований. Разработанные в ходе диссертационной работы рекомендации были использованы при проектировании более чем 30 объектов. Внедрение системы панельно-лучистого охлаждения гарантировано произошло на 4 объектах: в офисных помещениях общественно-административных зданий на ул. Остоженка, ул. Угрешская в городе Москве; на двух жилых объектах в Подмосковье - в индивидуальном жилом доме в пос. Барвиха, малоквартирном жилом доме пос. Первомайское.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на кафедре отопления и вентиляции МГСУ в 2007 и 2008 гг., на Второй Международной научно-практической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» в 2007 г. в МГСУ, в Академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики» НИИСФ 2009 г., на региональной научно-практической конференции «Земля - наш дом» г. Анапа в 2009 г., на 26 конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности», г. Москва в 2009 г.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
- математическая модель теплообмена в помещении в теплый период года с системой панельно-лучистого охлаждения;
- критерий теплотехнической эффективности СПЛО и его зависимость от различных исходных данных;
- результаты анализа режимов совместной работы СКВ и СПЛО в течение суток и охладительного сезона для трех климатических зон территории России;
- рекомендации по оптимизации холодильной мощности систем панельно-лучистого охлаждения.
Публикации. По материалам диссертации имеется 7 публикаций [1-7].
Объем и структура работы. Работа состоит из 5 глав, общих выводов и содержит 185 страниц печатного текста, 40 таблиц, 61 иллюстрацию и два приложения. Библиография включает 125 наименований, в том числе 7 иностранных.
Автор выражает искреннюю благодарность за научную, практическую и консультационную помощь к.т.н. Сергею Геннадьевичу Булкину.
Содержание работы
тепловой холодоотдача охладительный панель
В первой главе обоснована актуальность выбранной темы, описана ситуация и сформулированы предпосылки для развития системы панельно-лучистого охлаждения помещений в нашей стране в настоящий момент. Описаны различные конструктивные варианты панельно-лучистых систем. Сделан краткий исторический очерк развития системы. Сформулирована цель работы и задачи исследования для ее достижения.
Помимо конвективного тепла в помещение поступают лучистые тепловые потоки, прежде всего, от солнечной радиации. Если избытки конвективного тепла быстро ассимилируются охлажденным воздухом, то лучистое тепло накапливается в ограждениях, что приводит к их существенному разогреву. При наличии в помещении развитой поверхности охлаждения, которая включается в лучистый теплообмен, происходит понижение радиационной температуры помещения, а следовательно - улучшение комфортности тепловой обстановки в нем.
Гигиенические особенности системы панельно-лучистого охлаждения состоят в том, что при наличии в теплое время года в помещении развитой охлаждающей поверхности интенсифицируется лучистый теплообмен организма человека с внутренними поверхностями.
Условия комфортности тепловой обстановки оцениваются:
- соотношением температуры воздуха, радиационной температуры и результирующей температуры помещения , єC;
- минимально допустимой средней температурой охлаждающей поверхности , єC.
Специальные исследования гигиенистов условий теплового комфорта в теплое время года при использовании лучистых способов охлаждения ограничены. Конкретные указания в этой области, как правило, относятся к зоне зимнего теплового комфорта, которая соответствует летним температурным условиям. Систематизация известных исследований Фангера, МакНалла, Биддисона, Богословского, в области теплового комфорта в помещении позволила выделить зону теплового комфорта при использовании СПЛО, указанную на рис. 1.
Рис. 1. Зона теплового комфорта при панельно-лучистом охлаждении помещений различного назначения:
1 - зона теплового комфорта при панельно-лучистом охлаждении;
2 - зона теплового комфорта при конвективном охлажденииВ качестве рекомендуемой минимальной температуры охлаждающей поверхности можно использовать величину, регламентируемую СНиП 2.04.05-91*, которая должна быть выше температуры точки росы не менее чем на 1 єC
На минимальную температуру вертикальных панелей налагается дополнительное требование не допускать переохлаждения воздуха у пола помещения (на расстоянии 1 м от панели) более чем на 2 єC ниже нормируемой температуры. При высоте панели < 3 м и разности температур воздуха и поверхности до 10 єC максимальная скорость в потоке не превышает общую нормируемую подвижность воздуха 0.3 м/с, а температура в струе ниже температуры воздуха на 1.6 єC. При этом расстояние от поверхности до оси струи оказывается существенно меньше 1 м, т.е. ось струи лежит за пределами обслуживаемой зоны. Общим ограничением температуры поверхности панели является значение температуры точки росы.
Вторая глава посвящена исследованию теплообмена в помещении при панельно-лучистом охлаждении.
Специфика условий теплообмена в помещении в теплый период года состоит в отсутствии развитых холодных поверхностей наружных ограждений и нагретых поверхностей системы отопления. В результате температура поверхностей в помещениях оказываются достаточно близкими. Это позволяет упростить постановку задачи лучисто-конвективного теплообмена и перейти от полной системы уравнений теплообмена в помещении к ограниченной системе уравнений, что характерно для модели с частично распределенными параметрами. В постановке задачи приняты следующие допущения:
1. Все поверхности ограждений в помещении объединены в три изотермические поверхности (рис. 2):
- охлаждающая поверхность с заданной температурой t1 и произвольной или заданной площадью F1;
- поверхность ограждений рабочей зоны, включающая пол и прилегающие стены высотой 2 м и имеющая температуру t3 и площадь F3;
- поверхность остальных ограждений с температурой t2 и площадью F2.
2. Температура воздуха одинакова во всем объеме помещения.
3. Лучистая составляющая теплопоступлений в помещение от внутренних источников равномерно распределена по поверхностям ограждений пропорционально их площади.
4. Охлаждающая поверхность может иметь произвольное расположение, в том числе и в пределах рабочей зоны.
5. Помещение окружено другими помещениями с таким же температурным режимом, при этом отсутствует теплообмен с окружающей средой.
Рис. 2. К постановке задачи расчета лучисто-конвективного теплообмена в помещении, при панельно-лучистом охлаждении
Система уравнений лучисто-конвективного теплообмена при двух неизвестных: температуре поверхности рабочей зоны t3 и температуре поверхности остальных (нейтральных) ограждений t2 имеет вид:
- уравнение баланса конвективного тепла в помещении:
(1)
- уравнение баланса тепла на поверхности 3:
(2)
где: бk и бл - коэффициенты конвективного и лучистого теплообмена на поверхностях, Вт/(м2°С); Fi - площадь поверхности ограждения, м2; tв - температура воздуха помещения,°С; Qk - конвективный тепловой поток, поступающий в помещение, Вт; qл - плотность лучистого теплового потока, поступающего в помещение, Вт/м2; QПЛ и QПК - лучистая и конвективная составляющие теплового потока, поступающего от охлаждающей поверхности, Вт; ц1-3 - коэффициент облученности с охлаждающей поверхности на поверхности рабочей зоны.
Коэффициенты облученности охлаждающих панелей на поверхности рабочей зоны вычисляются отдельно для каждого случая расположения панелей (рис. 3) по исходным зависимостям (таблица 1) с использованием традиционных свойств лучистых потоков в помещении.
Решение системы уравнений (1) и (2) относительно неизвестных температуры поверхности рабочей зоны и температуры промежуточных ограждений: