主動式冷梁熱工性能仿真模型及實驗驗證

摘要：以無限空間射流理論和表冷器換熱理論為基礎，對主動式冷梁的工作原理進行了分析。在假設條件下，建立了誘導送風模型和干工況表冷器換熱模型。結合這兩種模型，最終建立了主動式冷梁工作模型。在設定的5種靜壓箱靜壓值下，對主動式冷梁樣品的一次風量、二次風量、水側換熱量等熱工參數(shù)進行測試。選取誘導比和制冷量兩個表征冷梁性能的參數(shù)作為標準，對模型理論值與樣品實際值進行了一致性與差異性分析，驗證了所構建的主動式冷梁模型。

關鍵詞：主動式冷梁；熱工性能；仿真模型；實驗驗證

中圖分類號：TB 657.2 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）06-0128-06

Abstract：The working principle of active chilled beams （ACBs） was analyzed on the basis of unlimited space jet theory and cooler heat exchanger theory. Inducement ventilation model and cooler heat exchanger model were built under the assumptions. The two models were combined to establish ACBs model. Primary air volume， secondary air volume， water side heat transfer amount etc were measured in five specified static pressure value. Induction ratio and refrigerating capacity were selected as two standards of ACBs performance parameters. The results of the consistency and differences of theoretical value with practical value verified the established model.

Key words：active chilled beams；thermal performance；simulation model；experimental verification

輻射供冷空調技術于20世紀80年代興起于歐洲，在中國起步較晚[1]。許多研究表明，輻射空調系統(tǒng)比變風量空調系統(tǒng)更為節(jié)能[2-4]。在目前可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略背景下，輻射供冷系統(tǒng)成為一個綠色低能耗建筑首先考慮的空調系統(tǒng)，具有良好的發(fā)展前景[5]。主動式冷梁技術作為輻射供冷的空調末端技術，在中國發(fā)展迅速。由一些案例中得知，主動式冷梁系統(tǒng)仍有節(jié)能潛力尚未挖掘[6-8]。近年來，人們對冷梁的誘導器結構和運行系統(tǒng)做了大量的研究和改進[9-12]，但目前在對冷梁的研究中尚無針對主動式冷梁建立仿真模型。本文在簡化假設的前提下，對主動式冷梁誘導送風規(guī)律和傳熱規(guī)律進行了分析，為主動式冷梁建立了仿真工作模型。對主動式冷梁樣品風側誘導性能和換熱器換熱性能進行了實驗研究，將實驗結果與理論計算進行對比，并對二者的差異性和一致性進行了分析。

1 主動式冷梁熱工性能模型建立

主動式冷梁工作原理如圖1所示。以供冷工況為例，經(jīng)熱濕處理后的一次風送入誘導器，在誘導作用下產(chǎn)生二次風（室內熱空氣），二次風在換熱器處換熱后溫度降低，和一次風混合后送入室內，達到降低室內溫度的目的[13-14]?；诖?，將主動式冷梁分為一次風誘導過程和二次風的換熱過程兩部分分別研究。

1.1 一次風誘導過程模型

一次風送入主動式冷梁靜壓箱后，經(jīng)噴嘴高速噴出，通過誘導作用卷吸室內二次風通過換熱器發(fā)生換熱作用，該誘導作用發(fā)生在冷梁的誘導器處，靜壓箱則起到均壓的作用。如圖2所示，冷梁噴嘴直徑為d，噴嘴中心距側板的距離為l1，噴嘴中心距擋板的距離為l2。

以單個噴嘴誘導送風為研究對象，過噴嘴中心軸線且垂直于圖面的平面將射流流場分為兩部分，分別記為部分Ⅰ和部分Ⅱ，射流流場與側板和擋板搭接時的射程分別為s1和s2，噴嘴出口處的風量為Q1，部分Ⅰ和部分Ⅱ的風量分別記為QⅠ和QⅡ。由無限空間圓斷面淹沒射流理論，分別計算部分Ⅰ和部分Ⅱ的流場風量。

考慮到主動式冷梁誘導腔的誘導作用是非常復雜的，在對此處誘導送風理論進行研究過程中進行適當?shù)暮喕?，同時，保證可靠性和準確度。假設條件如下：

1）忽略側板及擋板對射流流場的影響，將受限空間射流理想化為自由射流，射流流場斷面為圓形。

2）當射流與擋板和側板剛剛搭接后，或相鄰噴嘴射流流場邊界層剛好搭接后，就不再產(chǎn)生誘導效果。

3）忽略相鄰射流對流場的影響，即相鄰射流互不混合，搭接后緊密流動。

4）忽略表冷器側的阻力對二次風量的影響。

5）假設射流不射入換熱器上方區(qū)域，即射流完全射入冷梁擋板和側板所圍城的夾縫區(qū)域。

誘導送風過程中誘導能力的大小關系到二次風量Q2的大小，誘導能力越強，卷吸的二次風量越多，相同條件下產(chǎn)生的換熱量越大。本文引入誘導比的概念來衡量誘導能力的大小，定義主動式冷梁的誘導比為二次風量與一次風量的比值

1.2 表冷器干工況傳熱模型

主動式冷梁表冷器供冷工況的供水溫度應高于室內回風溫度對應的露點溫度，以防止結露的發(fā)生，即表冷器處于干工況運行模式，整個供冷過程不產(chǎn)生冷凝水。主動式冷梁目前多采用管翅式表冷器作為換熱元件，銅管鋁片結構能夠使換熱器達到較高的換熱效率，室內二次風由于一次風的誘導作用，經(jīng)過管翅式換熱器后溫度逐漸降低，與一次風混合后送入室內。

1.3 主動式冷梁工作模型

將誘導送風模型與表冷器干工況換熱模型相結合，即得到主動式冷梁換熱模型。連接誘導送風模型與表冷器干工況換熱模型的紐帶為二次風。由對誘導送風模型和表冷器干工況換熱模型的分析可知，當主動式冷梁結構參數(shù)一定時、主動式冷梁輸入的一次風量一定時，可通過式（1）和式（4）計算得到主動式冷梁誘導的二次風量；通過二次風量可以計算得到主動式冷梁表冷器翅片表面對流換熱系數(shù)，已知供水參數(shù)和表冷器詳細結構參數(shù)的情況下，可以通過式（9）計算得到主動式冷梁水側理論換熱量。由此可得到主動式冷梁水側換熱量與一次風量的關系式。

由表2得知，測試冷梁的誘導比實測值與理論值相差不多，模型計算值與實驗測試值符合性良好，則可將其作為主動式冷梁工作模型的驗證，對結果進行相應的分析。由于實驗過程中未對經(jīng)過表冷器后的空氣溫度進行測試，根據(jù)熱力學第一定律，本文通過水側換熱量計算得到經(jīng)過表冷器后的空氣溫度，進而求得二次風進出換熱器平均溫度tf2。根據(jù)供水溫度及流量可求得冷水與銅管換熱的對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，根據(jù)換熱器結構參數(shù)可求得銅管及鋁片的熱阻。在計算肋片側熱阻的過程中，將表冷器等效為環(huán)肋模型，即將翅片等面積分到每根銅管上，建立圓管環(huán)肋換熱模型進行計算。將求得的參數(shù)和一次風量及理論誘導比等參數(shù)帶入式（10），即可求得主動式冷梁工作時的理論換熱量。

實驗分別測試了冷梁在4種噴嘴間距時的換熱量，在不同靜壓箱靜壓和換熱溫差實驗條件下，共進行了300組實驗，選取其中靜壓箱靜壓值為40 Pa與80 Pa的數(shù)據(jù)進行分析。圖4為測試冷梁噴嘴間距不同時，在不同換熱溫差下的理論制冷量與實際制冷量對比圖。

由圖4可以看出實際與理論制冷量曲線在不同噴口間距情況下走勢出入不大，證明了建立的仿真模型在實際應用中具有一定的準確性。但理論值與實際值之間的誤差則需要做進一步的誤差分析。

使用完全的實驗數(shù)據(jù)與模型計算結果進行比對，模型計算值與實驗值的相對誤差保持在15%以內，各實驗工況下計算值與實驗值誤差分布規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，模型計算值與實驗值的最大相對誤差在-10%～10%范圍內的點占總數(shù)據(jù)點的比例為77%，說明模型計算值與實驗測試值差異性不大。

采用Bland-Altman方法對各工況實驗值和模型計算值進行一致性分析，如圖6所示。Bland-Altman方法是一種比較常用的用于分析模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)一致性的方法，它可以把兩種不同方式得到的數(shù)據(jù)的定性和定量分析結合到一起，用圖表的形式形象的反映出來。Bland-Altman方法不僅包含了數(shù)據(jù)得到的過程的隨機誤差，同時也將系統(tǒng)誤差納入到了考慮的范圍內，能夠比較全面準確地反映不同方法得到的數(shù)據(jù)的一致性。限于篇幅，文中未列出各工況具體的實驗條件及實驗結果。

由圖6可以明顯地看出兩種數(shù)據(jù)的一致性較好，大部分數(shù)值點落在在95%置信區(qū)間范圍內。經(jīng)計算，超出95%的置信區(qū)間的數(shù)值點占總數(shù)值點的比例為5.67%。對于這樣的模型計算結果，是可以認為模型計算值和實驗測試值具有較強的一致性的，說明主動式冷梁工作模型在文中所列約束條件下具有較強的適用性。

3 結 語

在簡化條件下建立了誘導送風模型和表冷器換熱模型，在兩個模型的基礎上最終建立起了主動式冷梁工作模型。實驗測試了某主動式冷梁樣品的熱工特性，驗證了所建模型的準確性和適用性。

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（編輯 胡 玲）