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太陽輻射試驗室建筑保溫對空調負荷和能耗影響研究

2017年11月16日 13:50  來源:中國保溫材料網  人氣:2630

  太陽輻射會對室外暴露的工業產品產生熱效應和光化學效應,從而會對工業產品的性能和工作可靠性產生不利影響,按照一些工業產品環境試驗標準的要求,在這些產品研制定型之前應進行太陽輻射試驗,以考核其對太陽輻射環境的適應性和工作可靠性。太陽輻射試驗室是在室內人工模擬太陽輻射環境,進行太陽輻射試驗的試驗室。太陽輻射試驗室采用專用燈具對太陽輻射的光譜、輻射強度和日照強度變化進行模擬,因此其室內燈具的發熱量很大,而且發熱量隨時間變化較大。同時要求室內溫度也按一定曲線變化,以模擬夏季一天的氣溫變化,*高室溫要求達到40-50°Q因此太陽輻射試驗室也是一個高溫環境試驗室。對于高溫環境試驗室,為了達到和維持室內的高溫環境,空調系統通常需要加熱,因此加強建筑保溫性能通??梢詼p少空調系統的熱負荷和能耗,增強建筑保溫性能,這是目前建筑節能設計的一個重要途徑。但由于該試驗室的室內燈具的發熱量很大,建筑保溫性能的增強又會使建筑向室外的散熱能力減弱,從而使空調冷負荷增加。提高太陽輻射試驗室的建筑保溫性能對于減少其空調能耗是否有利這是太陽輻射試驗室設計工作中一個亟待解決的重要技術難題。在太陽輻射模擬技術方面,以往的研究主要集中在試驗參數的探討上1通過對國內外一些常用數據庫進行檢索,沒有發現對太陽輻射模擬試驗室建筑圍護結構保溫問題進行研究的報道,筆者采用計算機模擬分析的方法,對太陽輻射試驗室的建筑保溫性能與空調冷熱負荷和能耗的關系進行模擬分析研究,為此類建筑物的建筑保溫設計提供科學依據。

  1試驗室概況與技術條件某大型太陽輻射試驗室能夠按相關標準4'在室內對太陽輻射進行模擬、進行大中型設備的太陽輻射試驗。其尺寸為的*大試件為60鋼鐵。室內溫度要求按3條不同曲線變化,以模擬不同氣候區夏季典型日的氣溫變化,3條室溫變化曲線見。以24h為一個周期進行試驗,通常為3到7個周期。室內采用特制的燈具對太陽輻射的光譜和輻射強度進行模擬,燈具輻射強度按一定曲線變化,以模擬一天內太陽輻射強度的變化,太陽輻射模擬燈具的總發熱量變化曲線見其綜合發光效率為40%.按室內建筑面積計算燈具發熱指標*高達到1100W/rf,可見室內燈具的發熱強度是很大的。該試驗室對室內濕度沒有要求,室內也沒有散濕源??照{系統加熱采用電加熱方式,冷卻采用室外空氣通風冷卻和噴水蒸發冷卻方式。建筑墻體結構為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空調負荷計算方法該試驗室的空調冷負荷主要包括建筑圍護結構冷負荷、試件冷負荷、燈具冷負荷、滲透空氣冷負荷和循環風機冷負荷。

  21建筑圍護結構和試件的空調負荷計算在太陽輻射試驗過程中室內溫度是不斷變化的,因此其建筑圍護結構和試件的熱工變化過程是不穩定傳熱過程,這一部分計算是比較復雜的,在此采用有限差分數值算法進行計算按一維大平板傳熱計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一入點和第個時間節點的溫度;n0為初始溫度;為外壁面溫度;t為室內壁面溫度。

  建筑圍護結構內外兩側的邊界條件均為第三類邊界條件外墻面對流放熱系數;an為內墻面對流放熱系數。

  建筑圍護結構一般是由結構層和保溫層組成的多層復合保溫結構,假設第k個厚度節點為兩種材料的界面節點,按熱量平衡可得出界面條件:種材料的導熱系數、密度和比熱容。為第個時間節點的界面溫度。

  將各層材料各厚度節點的傳熱差分方程、各層材料之間界面條件方程和內外表面的邊界條件方程聯立求角解即可求出多層復合保溫結構在整個試驗過程中的溫度場變化和傳熱狀況。建筑圍護結構各組成部分,包括墻體、地面、屋頂、門和試件,它們的材料組成和結構不同,因此分別采用有限差分法計算其溫度場。由于試驗室中的試件是變化的、不確定的,為了簡化計算根據*大試件的平均厚度,將試件處理成一維殼板進行計算。氣象參數按建筑物當地的氣象參數計算冬季工況空調室外計算溫度為一256°C,夏季工況空調室外計算溫度為31.8°C,冬季工況和夏季工況分別計算??紤]*不利的情況,冬季工況的室內溫度曲線按溫度*高的試驗曲線1計算,夏季工況的室內溫度曲線按溫度*低的試驗曲線3計算。

  22燈具空調冷負荷計算燈具的發熱量包括兩個部分,一部分是對流熱,另一部分是輻射熱。根據燈具廠家提供的數據,該燈具的對流熱所占比例約為60%對流熱直接形成空調冷負荷。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結構內表面和試件外表面的吸收、升溫、放熱才能形成空調冷負荷,其空調冷負荷按冷負荷系數法來計算由于該試驗室中燈具的發熱量是逐時變化的,因此以1h為單位對燈光輻射散熱量進行離散化分時處理,逐段進行冷負荷計算并將分時計算結果疊加,得到燈具輻射散熱的空調逐時總冷負荷,房間類型為重型,1h燈光輻射散熱的冷負荷系數按表1的數據計算161.通過對比分析發現采用這種離散化算法對長時間開燈的冷負荷系數的計算結果與中的相應數據基本相同,*大絕對誤差為Q(H因此這種離散化算法是可行的。

  開燈時間冷負荷系數表1燈具散熱的冷負荷系數(開燈時間為1h)23滲透空氣負荷和風機冷負荷計算該試驗室大門的面積較大,其密封性較差,室內換氣次數按1次/h計算,由于該試驗室室內相對濕度沒有要求,空調系統采用通風冷卻方式,沒有除濕過程,因此滲透空氣的空調冷負荷只計算顯熱負荷。試驗室空調系統循環風機的功率為24kw試驗過程中風機是連續運行的,因此這部分散熱量按瞬時冷負荷計算。

  3計算結果與分析建筑墻體和屋頂的聚氨酯泡沫保溫層在不同厚度的情況下,該試驗室冬季工況和夏季工況的空調冷熱負荷的模擬計算結果見夏季工況下(保溫厚度為100)空調累計冷負荷組成見夏季工況下累計熱負荷為0對這些計算結果的分析如下空調熱負何分析夏季工況下,空調系統累計熱負荷為0不需要加熱。冬季工況下,由可見,當保溫厚度小于100"時,空調系統需要加熱。當保溫厚度大于10mm時,空調系統也不需要加熱。

 ?。?)建筑保溫對夏季工況空調能耗的影響增加會使空由可見,在夏季工況下,保溫厚度對空調能耗的影響很小,調能耗稍有增加,保溫厚度為250時的空調累計冷負荷比保溫厚度為50時僅增加1%.由可以看出,在夏季空調累計冷負荷中,燈具的累計冷負荷*大,循環風機的累計冷負荷也較大,圍護結構則起到散熱作用。由于夏季工況室內外溫差較小,與燈具負荷相比,圍護結構傳熱量的數值很小,因此圍護結構保溫性能對夏季空調負荷和能耗的影響很小。

 ?。?)建筑保溫對冬季工況空調能耗的影響由于該建筑物室內燈具的發熱量很大,因此即使在冬季工況,需要的供冷量遠大于需要的加熱量,冷卻仍是空調系統的主要任務。在冬季工況下,當保溫層厚度小于lOOmm時,保溫厚度增加會使空調累計冷負荷增加,而使累計熱負荷減小。當保溫層厚度超過100時,累計熱負荷為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冷卻能耗增加,因此保溫厚度不應超過10mm由于冬季工況可以利用室外免費冷源進行冷卻,冬季工況節能的主要目標是減小空調系統電加熱量,因此合理的保溫厚度應為100建筑保溫厚度為10mm時,夏季工況和冬季工況下的空調冷負荷逐時變化情況見和由這些計算結果可見,無論是冬季工況還是夏季工況,試驗時間為13:00時,空調冷負荷均為*大。因此在試驗時,將試驗的初始時間設置在下午4:00則空調冷負荷*大時刻出現在凌晨5:00這是室外氣溫*低的時間,可以充分利用室外自然冷源,進行通風冷卻,以減少空調能耗。

  試驗時間/h冬季工況下空調冷負荷Fig.試驗時間/h夏季工況下空調冷負荷Fig. 4結語太陽輻射試驗室具有室內燈具發熱強度大、室溫和燈具發熱量變化大、圍護結構熱工狀況變化復雜的特點,提高其建筑圍護結構保溫性能對于減少空調能耗是否有利這是太陽輻射試驗室設計工作中一個沒有解決的重要技術難題。本文采用計算機模擬分析的方法,對建筑保溫性能與空調冷熱負荷和能耗的關系進行模擬分析研究,研究結果表明:由于燈具的發熱量很大,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,建筑保溫性能增強會使空調加熱能耗減少,但卻會使空調冷卻能耗增加,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,而且會使空調總能耗增加。對于所研究對象。當建筑圍護結構聚氨酯泡沫保溫層的厚度大干100時,保溫層厚度增加會使空調r994-2UT6CnmaAcaaemicoumaTErectromc總能耗增加,保溫層的合理厚度為10mm這些研究結果為太陽輻射試驗室建筑保溫設計提供了重要依據。

(完)

 
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