地板送风空调系统静压箱热衰减特性

张 恺 张小松 李舒宏

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

地板送风空调系统静压箱热衰减特性

张 恺 张小松 李舒宏

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

为研究地板送风空调系统中地板静压箱的热衰减特性,首先提出静压箱的热衰减系数的概念,该系数可以用来反映整个房间的得热量中传入静压箱的比例,而该部分传热量正是造成静压箱内产生热衰减的直接原因.然后,通过实验得出地板静压箱内的温度分布特性,并结合盒形图分析影响静压箱热衰减特性的主要因素.最后,得出送风温度、送风量和送风末端形式等因素对静压箱热衰减特性的影响规律.研究结果表明:地板静压箱内的热衰减随着送风温度的升高或者送风量的降低而降低.另外,与采用旋流散流器的地板送风空调系统相比,系统采用多孔板或格栅板作为送风末端时,静压箱的热衰减现象将明显减弱,但静压箱的热衰减系数的变化规律却基本相同.

地板送风;空调系统;地板静压箱;热衰减

地板送风空调系统以其改善人员的热舒适性、改善通风效率与室内空气品质、降低系统能耗、减少建筑物的寿命周期费用、降低建筑物层高,以及改善生产率与人员健康等方面的优势,引起了空调技术人员的关注[1-2].

地板送风空调系统区别于上送风空调系统的主要特征之一就是可将经空气处理机组处理过的空调风通过架空地板和楼板组成的地板静压箱直接输送到房间内的人员活动区,这种自下而上的送风方式,可以有效改善工作区的空气品质[3-4].但是,由于空调送风在流经架空地板与楼板构成的静压箱时,空调送风与架空地板及楼板之间存在温差而产生热量交换,进而导致空调送风在静压箱内的得热量的增加.该得热量会使空调送风从静压箱入口到房间送风末端出口产生较大的温升,这种现象被称为静压箱的热衰减[5-10].在送风量不变的情况下,地板送风空调系统送风温度的升高必然导致房间内部人员热舒适性降低,尤其是在每天负荷达到峰值时,该影响将更加明显[11].另外,Bauman等[12]通过建立简化的一维模型对地板静压箱的传热特性进行了研究.结果表明,地板送风空调系统的冷负荷中仅有60%是通过回风带出房间的,而其余40%的热量将通过架空地板传入地板静压箱.因此,研究地板静压箱的热衰减特性对充分发挥地板送风空调系统的节能优势具有重要的作用.

为研究地板送风空调系统中地板静压箱的热衰减特性,本文提出地板静压箱热衰减系数的概念,并通过实验对系统送风温度、送风量和送风末端的形式等影响地板静压箱热衰减特性的主要因素进行分析,得出地板静压箱热衰减系数的变化规律.

1 系统搭建

为研究静压箱的热衰减特性,首先搭建典型的地板送风空调性能实验系统,如图1和图2所示.

该系统中实验房间的尺寸为4.8 m(长)×4.8 m(宽)×3.5 m(高).其中,地板静压箱的高度为0.35 m,回风静压箱的高度为0.45 m,房间隔壁设置4.8 m(长)×0.8 m(宽)×3.5 m(高)的回风舱用以安置部分测试装置.为便于安装和调节,房间内部的二次吊顶采用铝扣板.同时,为保证实验期间房间内部不受外界温度变化的影响,房间和回风舱的墙壁以及顶棚均由100 mm厚的聚氨酯发泡板构成,房间和回风舱之间也同样用该聚氨酯发泡板隔开,所有聚氨酯发泡板的内外表面均由彩钢板包裹.房间和回风舱的地面上铺设有防潮垫、0.03 m厚的保温材料及强化复合地板等,而架空地板则通过支架安装在强化复合地板上面.架空地板为0.6 m(长)×0.6 m(宽)×0.03 m(厚)的全钢防静电架空地板,地板内部灌注水泥.为降低房间和地板漏风对系统性能实验的影响,房间和回风舱内的所有拼接和缝隙均采用密封胶进行密封,而架空地板之间的接缝处则通过胶带进行密封.同时,架空地板上面铺设地毯,铺设方式为错缝铺设.

(a) 实验房间和回风舱

(b) 空气处理机组

(c) 风冷热泵机组

2 实验

2.1 性能参数

该地板送风空调性能实验系统室内负荷按2人在室内办公进行布置,见图3.系统采用自制人体热源模拟室内人员负荷,每个人体热源的发热量为120 W,房间人员每人配备一台台式计算机,其中主机的功率为280 W,显示器的功率为50 W.同时,室内放置100和250 W热源箱各一台,用来模拟打印机和室内办公设备的发热量.另外,房间吊顶上装有2盏日光灯,每盏功率为60 W.室内热源和用电设备的功率通过电能表进行监测,整个实验周期内所有设备的负荷都非常稳定.同时,系统采用6个旋流散流器作为送风末端,旋流散流器的直径为0.2 m.系统中还另外配有450 W热源箱和不同型号的送风末端用来满足不同负荷和不同送风末端的实验需求.

图3 室内布置图

为全面反映系统的气流组织及温度分布情况,房间内共设置3根2.6 m高的温度测试支架,每个支架上设置7个温度测点,测点距离地板表面的高度分别为0.1,0.6,1.0,1.4,1.8,2.2和2.6 m.此外,在静压箱内设置2组测点,实验过程中每组测点可同时测量架空地板上下表面的温度,以及楼板上表面与静压箱下表面的温度.同时,静压箱的进风口处设置一个温度测点用来测量静压箱的进风温度,而房间的送风温度,即静压箱的出口温度,则通过放置在2个送风末端处的温度测点测得.在静压箱内部选取4个支架,在每个支架的不同高度上共设置3个测点,测点距静压箱下表面高度分别为0.05,0.15,0.25 m.该地板送风空调性能实验系统的热源、送风末端及温度测点分布如图4所示.其中，D1～D6为送风末端；H1～H4为静压箱内温度测试支架；HS1～HS3为设备热源；TD1和TD2为送风末端温度测点；TF1和TF2为架空地板及楼板温度测点.

2.2 实验方案

影响地板静压箱热衰减特性的因素主要包括室内热源的情况、系统的送风参数、送风末端特性、房间内外的温差等[13-15].由于该地板送风空调性能实验系统中静压箱的围护结构面积与架空地板及楼板面积相比较小,而且热阻较大,同时在整个实验周期内,室内外温差也保持在一个相对较小的范围内,因此室外温度对静压箱的影响可以忽略.本文将以供冷工况为例对静压箱热衰减特性进行研究,主要测试工况如表1所示.

实验过程中,测点温度通过精度等级为A级的K型热电偶测得.同时,送风量通过自制的风量测量装置进行测量,该风量测量装置的量程为0～1 500 m3/h,相对误差为±1%.所有测量仪表均接入Agilent 34970数据采集仪,并将数据采集仪与计算机相连以实现系统全部数据的自动采集,保存到数据库中[16-17].另外,每组实验前,系统需首先运行5～6 h,在系统达到稳定状态即系统的温度波动在±0.1 ℃范围内时,开始记录数据.为保证数据的完整性和可靠性,系统记录时间为30 min,采样周期为10 s.最后,以记录周期内的平均值作为本次测试的最终结果.

表1 实验测试工况

3 特性分析

3.1 特性参数和基本原理

3.1.1 热衰减系数

为便于分析静压箱的热衰减特性,本文给出静压箱的热衰减系数的定义,即静压箱内热力衰减相对值[15],其计算公式为

(1)

式中,ΔTup为静压箱的进出口温差;ΔTr为静压箱的进口与房间回风温度的温差.

同时,根据热平衡原理,地板静压箱的热平衡可表示为

Lup=Lr+Ls=QaρcpΔTup

(2)

式中,Lup为静压箱的负荷;Lr为房间传入静压箱的热量;Ls为楼板传入静压箱的热量;Qa为房间送风量;cp为比定压热容;ρ为空气密度.

对于整个房间,其热平衡可表示为

Lroom=Len+Ls+S=QaρcpΔTr

(3)

式中,Lroom为整个房间的负荷;Len为围护结构传入房间的热量;S为房间热源发热量.

将式(1)～(3)进行合并,可得

(4)

由式(4)可看出,在围护结构和楼板保温良好的情况下,围护结构传入房间的热量和楼板传入静压箱的热量相对于房间热源的散热量和房间传入静压箱的热量要小得多,可以忽略,进而可将式(4)进一步简化为

(5)

此时地板静压箱的负荷可表示为

Lup=Lr=γS

(6)

根据上述推导可看出,γ可用来反映整个房间的得热量传入地板静压箱的比例,而该传热量正是造成静压箱热衰减的直接原因.因此,本文将其称之为地板静压箱的热衰减系数.

3.1.2 温度分布特性

盒形图是一种用于分析数据分布情况的统计图.在盒形图中,水平的直线是该批数据的中位值,盒子的上边和下边分别是上四分位值和下四分位值,盒子外面的短横线为该批数据的最大值和最小值,盒子中间的小方框为该批数据的平均值[18].根据工况3的静压箱内各支架的全部测试数据绘制的盒形图,如图5所示.

(b) H2

(c) H3

(d) H4

由图5可看出,静压箱内部水平方向的温度分布非常不均匀.这种不均匀性一方面是由于房间内部负荷分布的不均匀使得房间各处向静压箱内传热的不均匀造成的;另一方面,由于系统送风存在一定的射流区域,以及静压箱内部存在支架等障碍物导致静压箱内部产生回流和漩涡而引起的.但对于同一位置的不同高度,其温度值则基本相同.这主要是由于静压箱的净高与其长度和宽度相比相对较小.因此,除了近壁面处,静压箱内部同一位置垂直方向温度变化较小.另外,静压箱垂直高度的温度分布主要呈上下高、中间低的趋势,这是由于架空地板和楼板的传热所引起的.

根据上述对地板静压箱内温度分布特性的分析,下面将结合架空地板和楼板对静压箱的传热来讨论系统送风温度、送风量和送风末端形式等对静压箱内热衰减的影响,以及静压箱热衰减系数的变化规律.

3.2 送风温度的影响

地板送风空调系统中,送风温度的变化对空调送风在静压箱内的热衰减有着重要的影响.同时,送风温度的变化还将影响到房间内部温度分布和热舒适性.因此,研究送风温度对静压箱热衰减的影响具有重要的意义.选取表1中的工况1、工况3、工况6、工况7作为典型工况分析送风温度对地板静压箱热衰减的影响,所选工况的实测数据如表2所示.表2中的静压箱出风温度即为房间的送风温度,其测量值为图4中送风末端3和送风末端5处测点温度的平均值.

表2 送风温度对静压箱热衰减影响的实验数据

送风温度的变化对架空地板和楼板向静压箱传热的影响分别如图6(a)和(b)所示.由图6(a)可看出,随着地板静压箱送风温度的升高,架空地板上下表面的温度均呈线性增长趋势,而架空地板上下表面的温差则有所增加,最大约增加0.5 ℃.另一方面,从图6(b)可看出,随着地板静压箱送风温度的提高,静压箱下表面的温度也呈线性增加的趋势,而楼板上表面温度基本不变.这使得地板静压箱下表面与楼板上表面的传热温差随着送风温度的增加而急剧减小,最大减幅约为5 ℃.该温差的减小可使得楼板向静压箱的传热量得到降低.但由于楼板上面安装了保温层,因此该传热量的减少并不十分明显.同时,从表2可看出,静压箱的热衰减系数随着送风温度的增加而逐渐减小,这说明地板静压箱内的热衰减随着静压箱送风温度的升高而逐渐降低.另外,随着地板静压箱送风温度的升高,房间送风温度也呈线性增长趋势,如图6(c)所示.静压箱内部温度分布的不均匀直接导致不同位置散流器的出风温度不同,但变化趋势基本一致.

(a) 送风温度对架空地板传热的影响

(b) 送风温度对楼板传热的影响

(c) 送风温度对静压箱出风温度(房间送风温度)的影响

3.3 送风量的影响

送风量是空调系统的另一个重要设计参数.在地板送风空调系统冷负荷不变的情况下,送风量的变化也将对房间的热环境造成很大的影响.为分析送风量对地板静压箱热衰减特性的影响,选取表1中的工况2～工况5作为典型工况来展开研究,其主要实测数据如表3所示.

表3 送风量对静压箱热衰减影响的实验数据

送风量对架空地板和楼板向静压箱传热的影响分别如图7(a)和(b)所示.从图7(a)可看出,随着送风量的增加,架空地板上下表面的温度和温差均有所降低,其中温差最大降幅约为0.4 ℃.同时,随着架空地板上下表面温差的降低,房间向静压箱的传热量也将有所降低.而从图7(b)可看出,随着送风量的增加,静压箱下表面和楼板上表面的温差在逐渐增大,这将导致楼板向静压箱的传热量增加.其中,当风量由600 m3/h增加到1 200 m3/h,静压箱下表面和楼板上表面的温差最大增幅约为0.7 ℃.同时,从表3中静压箱的热衰减系数可看出,随着送风量的增加,地板静压箱的得热量总体上

(a) 送风量对架空地板传热的影响

(b) 送风量对楼板传热的影响

(c) 送风量对静压箱出风温度(房间送风温度)的影响

呈增加的趋势.因此,当送风量发生变化时,楼板向静压箱的传热对静压箱热衰减的影响要强于房间向静压箱传热的影响.但是,当房间和楼板保温良好时,送风量的变化对地板静压箱热衰减的影响相对较小,静压箱的热衰减系数变化并不大.另外,从图7(c)可看出,当送风量发生变化时,房间的送风温度相对比较稳定.其中,当风量由600 m3/h增加到1 200 m3/h,即风量增幅达100%时,单个散流器送风温度的最大变化量只有0.5 ℃.

3.4 送风末端的影响

本节将通过开孔率为35%的多孔板、开孔率为45%的格栅板和旋流散流器3种送风末端对比来分析送风末端形式对地板静压箱热衰减的影响.3种送风末端均安装在图4中送风末端1、送风末端3、送风末端4和送风末端6的位置上.其主要工况实测数据如表4所示.

表4 送风末端形式对静压箱热衰减影响的实验数据

图8(a)和(b)为送风末端形式对架空地板和楼板向静压箱传热的影响曲线图.从图8(a)中可看出,采用多孔板或格栅板作为送风末端时,架空地板上下表面的温差将明显降低,最大降幅约为1.4 ℃.同时,从图8(b)可看出,静压箱下表面和楼板上表面的温差也有所降低,最大约降低0.5 ℃.另外,从表4也可看出,当以多孔板或格栅板作为送风末端时,其静压箱的热衰减系数较使用旋流散流器时要小得多.上述测试中房间的负荷一定且保温良好,因此产生这种现象的主要原因是由于不同送风末端的气流组织形式不同所造成.其中,旋流散流器送风时,空调风在上升过程中会不断与工作区的空气掺混并进行热交换;而多孔板或格栅板的送风形式则更接近于置换通风的方式,以类似活塞流的状态不断将空调风送入.因此,旋流散流器较好的扩散性虽然可以降低工作区的温升,但是房间与地板表面的换热也得以增强,导致房间向静压箱内传热量增加,从而造成地板静压箱产生较大的热衰减.同时,从图8(c)可看出,与采用旋流散流器作为送风末端的地板送风空调系统相比,使用多孔板或者格栅板作为送风末端时,房间不同位置送风末端的出风温度的差别有所降低,这说明采用多孔板或者格栅板作为送风末端时,地板静压箱内部的温度分布将会更加均匀.

(a) 送风末端形式对架空地板传热的影响

(b) 送风末端形式对楼板传热的影响

(c) 送风末端形式对静压箱出风温度(房间送风温度)的影响

为进一步研究静压箱的热衰减系数在采用其他形式送风末端的地板送风空调系统中的特性和规律,本节对以多孔板和格栅板作为送风末端的地板送风空调系统分别各增加5组测试工况,其实测数据见表5和表6.

表5 多孔板作为送风末端的测试结果

表6 格栅板作为送风末端的测试结果

从表5和表6可看出,以多孔板或格栅板作为送风末端的地板送风空调系统与采用旋流散流器作为送风末端的系统相比,地板静压箱热衰减系数的变化规律基本相同,即地板静压箱的热衰减系数将随着送风温度的升高或者送风量的降低而降低.但是当房间和楼板保温良好时,由于房间的负荷没有发生实质性变化,地板静压箱的热衰减系数基本不变.

4 结论

1) 提出静压箱热衰减系数的概念,该系数可用来反映整个房间的得热量传入地板静压箱的比例,而该传热量正是造成地板静压箱热衰减的直接原因.同时,静压箱的热衰减系数不仅可用来分析房间热量的转移和分配情况,还可以简化静压箱内冷负荷的求解过程.

2) 利用盒形图对地板静压箱内的温度分布进行统计分析发现,由于房间负荷分布不均匀,地板静压箱送风存在一定的射流区域,以及静压箱内部存在回流和漩涡等原因,会导致静压箱内部水平方向的温度分布非常不均匀.但由于静压箱的净高与其长度和宽度相比相对较小,静压箱内部同一位置垂直方向温度相差不大.

3) 通过实验并结合地板静压箱的热衰减系数可知,地板静压箱内的热衰减现象将随着送风温度的升高或者送风量的降低而降低.但当房间和楼板保温良好时,由于房间的负荷没有发生实质性变化,静压箱的热衰减虽然有所降低,但变化并不大,其值主要与房间热源的发热量有关.另外,与采用旋流散流器相比，当采用多孔板或格栅板作为送风末端时,静压箱的热衰减现象将明显减弱,而静压箱热衰减系数的变化规律却基本相同.

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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. 作者简介: 张恺(1981—),男,博士生;张小松(联系人),男,博士,教授,博士生导师,rachpe@seu.edu.cn.

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAJ03B05).

张恺,张小松,李舒宏.地板送风空调系统静压箱热衰减特性[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(4):720-727.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.04.019

TU831

A

1001-0505(2015)04-0720-08