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        冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法

        2016-10-28 09:09:50王喜良張泠羅勇強(qiáng)謝磊吳靜徐秀呂曉慧
        土木建筑與環(huán)境工程 2016年4期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)驗(yàn)

        王喜良 張泠 羅勇強(qiáng) 謝磊 吳靜 徐秀 呂曉慧

        摘 要:

        人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對溫度的控制精度低于工藝性環(huán)境要求,但冬季若采用分體式空調(diào)制熱模式控制,實(shí)驗(yàn)室溫度的波動范圍過大,影響采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。提出冬季采用空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法,在背景實(shí)驗(yàn)中將新方法和傳統(tǒng)空調(diào)制熱溫度控制方法進(jìn)行對比,結(jié)果表明:采用新方法能大幅度提高人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)房間溫度的穩(wěn)定性。為對新方法中空調(diào)的設(shè)定制冷溫度與電取暖器功率匹配問題做進(jìn)一步研究而進(jìn)行探究試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:空調(diào)制冷量Q1、測試房間熱負(fù)荷Q2、電取暖器功率Q3和測試房間其他設(shè)備功率Q4存在匹配關(guān)系,當(dāng)空調(diào)設(shè)定溫度相同時(shí),|Q1+Q2-Q3-Q4|值越小,人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度波動頻率越穩(wěn)定,振幅越小。

        關(guān)鍵詞:

        溫度控制;空調(diào)制冷模式;電取暖器;匹配;冬季工況

        中圖分類號:TU831.3

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:16744764(2016)04003306

        隨著社會的發(fā)展和人民居住條件的不斷提高,建筑能耗急劇增長。據(jù)統(tǒng)計(jì),2011建筑能耗占總能耗的27.5% [1]。隨著城市化程度的不斷提高,建筑能耗的比例將繼續(xù)提高,估計(jì)這一比例到2020年將提高到35%。如何降低建筑能源消耗,提高能源利用效率,實(shí)施建筑節(jié)能,是可持續(xù)發(fā)展亟待研究解決的重大課題[23]。專家學(xué)者紛紛投入到建筑節(jié)能新技術(shù)研究中[48],一般通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。陳友明等[9]、Zhou等[10]通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對夏熱冬冷地區(qū)通風(fēng)式雙層皮幕墻VDSF(ventilated double skin facades)自然通風(fēng)實(shí)驗(yàn)研究與優(yōu)化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;Diaconu等[11]通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對雙層定型相變墻體的房間進(jìn)行了全年運(yùn)行能耗分析研究;柳鵬鵬等[12]通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對一種新型雙層定型相變墻體節(jié)能效果分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;李安邦等[13]通過搭建人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室對內(nèi)嵌管式輻射地板的頻域熱特性分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。一般在人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要控制房間溫度在一定范圍內(nèi),在夏季,分體式空調(diào)制冷模式可以將人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度的波動范圍控制在較小范圍內(nèi),但是在冬季,采用分體式空調(diào)控制時(shí),其溫度控制原理為單片機(jī)通過溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)[14],對人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于冬季人們衣著較保暖,對溫度小范圍變化感知不敏感,同時(shí),為防止壓縮機(jī)頻繁開啟,系統(tǒng)設(shè)定的溫度范圍較大,導(dǎo)致人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度波動范圍較大,影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。在夏季和冬季,雖然精密空調(diào)可以將人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度的波動范圍控制在較小范圍內(nèi),但其價(jià)格昂貴。

        不管采用何種控制方法以及控制器均不能將室內(nèi)空氣溫度控制為絕對穩(wěn)定,室內(nèi)空氣溫度曲線必定是一條具有一定振幅和頻率的波動曲線,而衡量一個(gè)控制室內(nèi)溫度穩(wěn)定方法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是振幅較小且頻率穩(wěn)定。在冬季,為控制人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度穩(wěn)定,提出冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法,采用空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器控制人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度穩(wěn)定,新方法操作方便成本低,易于實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)房間溫度穩(wěn)定性較好。

        1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

        1.1 實(shí)驗(yàn)平臺簡介

        實(shí)驗(yàn)房間位于為湖南大學(xué)除塵樓四樓樓頂,房間外部尺寸為2.6 m×2.6 m×2.6 m,內(nèi)部尺寸為 2 m×2 m×2 m,測試房間如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括:電腦、溫度傳感器、無紙記錄儀,分體壁掛式家用空調(diào)器一臺,室內(nèi)機(jī)尺寸0.21 m×0.745 m×025 m,室外機(jī)尺寸0.32 m×0.818 m×0.54 m,能效為二級,制冷量為3 200 W,制冷功率為1 100 W,制熱功率為1 900 W、兩臺低檔位功率為400 W,高檔位功率為800 W的電取暖器兩臺,其他設(shè)備散熱功率之和為100 W。

        1.2 房間負(fù)荷計(jì)算

        首先計(jì)算房間最大熱負(fù)荷,因出現(xiàn)在夜晚,無朝向修正率,富余系數(shù)取為1.2,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)根據(jù)實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊[15]確定。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量計(jì)算公式如下:

        2 背景實(shí)驗(yàn)

        分別在20160315和20160316進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這兩天天氣條件相近,室外溫度分別為11~15 ℃和11~16 ℃,測試時(shí)間為早晨9:35到次日早晨8:00,第1天采用新方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)B,第2天采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)D,無紙記錄儀記錄時(shí)間間隔為5 min。限于篇幅,僅對室內(nèi)、屋面、空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、空調(diào)出風(fēng)口和東面墻體溫度變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

        圖3為空調(diào)制冷聯(lián)合電取暖器和空調(diào)制熱兩種實(shí)驗(yàn)條件下室內(nèi)溫度逐時(shí)變化規(guī)律。室內(nèi)空氣溫度有測點(diǎn)b和c,取兩個(gè)測點(diǎn)的平均值作為室內(nèi)空氣溫度。由圖3可知,當(dāng)空調(diào)為制熱模式,空調(diào)溫度設(shè)定18 ℃,溫度的最大值與最小值相差10 ℃,波動幅度較大并且波動頻率也不穩(wěn)定。從曲線可以看出,上端點(diǎn)分布稀疏,下端點(diǎn)分布密集,因室內(nèi)外溫差較大,向室外傳遞的熱量較多,溫度下降較快,點(diǎn)分布稀疏;隨著室內(nèi)空氣溫度不斷降低導(dǎo)致室內(nèi)外溫差變小,傳遞的熱量不斷減少,室內(nèi)空氣溫度降低較慢,下部點(diǎn)就較密集。當(dāng)空調(diào)為制冷模式溫度設(shè)定18 ℃聯(lián)合功率為1 200 W電取暖器時(shí),室內(nèi)空氣溫度最大值與最小值相差為5 ℃,波動頻率較為穩(wěn)定??照{(diào)溫度傳感器值達(dá)到設(shè)定值時(shí),空調(diào)開始制冷,低于空調(diào)溫度傳感器設(shè)定值時(shí)空調(diào)關(guān)閉。電取暖器始終處于開啟狀態(tài),室內(nèi)空氣溫度不斷升高,再次達(dá)到設(shè)定值時(shí),空調(diào)重新開啟工作,如此不斷循環(huán)工作。

        由表4可知,在空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器控制和空調(diào)制熱工作模式下,通過對室內(nèi)空氣溫度、屋面溫度、回風(fēng)口溫度、進(jìn)風(fēng)口溫度和室內(nèi)東墻溫度進(jìn)行比較得到:采用新方法控制實(shí)驗(yàn)房間溫度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的空調(diào)制熱控制,使溫度的波動范圍小,頻率更穩(wěn)定。

        3 探究試驗(yàn)

        為進(jìn)一步探究空調(diào)制冷模式聯(lián)合電取暖器的最佳匹配控制方案,在背景實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用新方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)A、實(shí)驗(yàn)C、實(shí)驗(yàn)E、實(shí)驗(yàn)F和實(shí)驗(yàn)G。實(shí)驗(yàn)測得空調(diào)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、室外空氣、地面、屋頂、室內(nèi)南外墻和室內(nèi)空氣溫度,僅對室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行處理分析。

        圖8中3種實(shí)驗(yàn)空調(diào)均為制冷模式,溫度均設(shè)定18 ℃,實(shí)驗(yàn)A電取暖器功率為800 W、實(shí)驗(yàn)B為1 200 W和實(shí)驗(yàn)C為1 600 W。實(shí)驗(yàn)A從下午14:30到晚上8:00之間,點(diǎn)分布在上端與下端,因室內(nèi)外溫差較小,傳熱較少,室內(nèi)溫度升高和降低的頻率較快。實(shí)驗(yàn)B中溫度的波動頻率較為穩(wěn)定,但是溫度波動的幅度較大。實(shí)驗(yàn)C中室內(nèi)空氣溫度的波動很穩(wěn)定,因電取暖器的功率比較大,室內(nèi)溫度上升快,空調(diào)頻繁開啟,波動范圍較小。中午12:30到下午5:30之間室內(nèi)溫度略有上升是室內(nèi)向室外傳熱減少的因素。

        當(dāng)空調(diào)設(shè)定為18 ℃時(shí),電取暖器功率分別為800、1 200、1 600 W,|Q1+Q2-Q3-Q4|對應(yīng)的值分別為2 981.5、2 430、2 030 W,此時(shí)室內(nèi)溫度的波動范圍為7、5、3.5 ℃。可以看出隨著| Q1+Q2-Q3-Q4|不斷減小,室內(nèi)空氣溫度的波動逐漸變小。當(dāng)空調(diào)溫度設(shè)定為16 ℃,電取暖器功率分別為800、1 200、1 600 W時(shí),室內(nèi)空氣溫度的波動也呈現(xiàn)上述規(guī)律。當(dāng)空調(diào)為制冷溫度設(shè)為16 ℃、電取暖器功率為1 600 W時(shí),室內(nèi)溫度波動頻率穩(wěn)定,振幅最小僅2.5 ℃。

        4 結(jié) 論

        提出冬季穩(wěn)定人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的新方法,即空調(diào)為制冷模式聯(lián)合電取暖器控制。主要結(jié)論如下:

        1)在冬季采用新方法控制人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度時(shí),室內(nèi)空氣溫度波動范圍小,頻率穩(wěn)定,控制效果較為理想,而且操作簡單,易于實(shí)現(xiàn)。

        2)在6組對比試驗(yàn)中,采用新方法時(shí),當(dāng)空調(diào)為制冷模式、溫度設(shè)定16 ℃,電取暖器功率1 600 W時(shí),人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣溫度波動頻率穩(wěn)定,振幅最小僅為2.5 ℃。

        3)空調(diào)制冷量Q1、測試房間熱負(fù)荷Q2、電取暖器功率Q3和測試房間其他設(shè)備功率Q4存在匹配關(guān)系,當(dāng)空調(diào)設(shè)定溫度相同時(shí),| Q1+Q2-Q3-Q4|值越小,人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度波動頻率越穩(wěn)定,振幅越小。

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        (編輯 胡英奎)

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