一種作為輔助冷源的太空輻射制冷器及傳熱建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種作為輔助冷源的太空輻射制冷器及傳熱建模方法，包括一個金屬框架，在所述的金屬框架上設(shè)有一個或多個輻射制冷器模塊，所述的輻射制冷器模塊包括為兩個鍍鋅鋼板，且兩個鍍鋅鋼板之間形成供冷卻水流動的間隙；所述的兩個鍍鋅鋼板長度方向的兩端分別連通冷卻水分水器和冷卻水集水器，所述的冷卻水分水器與冷卻水入口連通，冷卻水集水器與冷卻水出口連通；寬度方向兩端連接。該種太空輻射制冷器可在最佳氣象條件下與水源熱泵系統(tǒng)的其它穩(wěn)定冷源串聯(lián)或并聯(lián)連接使用，共同為熱泵系統(tǒng)提供冷量。
【專利說明】 一種作為輔助冷源的太空輻射制冷器及傳熱建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種作為輔助冷源的太空輻射制冷器及傳熱建模方法，屬于建筑環(huán)境與設(shè)備工程、建筑熱環(huán)境及制冷工程【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，利用可再生的淺層地?zé)崮艿牡卦礋岜眉夹g(shù)在建筑空調(diào)領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。其中的地埋管地源熱泵技術(shù)通過循環(huán)液在封閉的地下埋管中流動，在實現(xiàn)高效換熱的同時保護了寶貴的地下水資源。目前許多國際機構(gòu)及政府均把推廣應(yīng)用地埋管地源熱泵技術(shù)作為節(jié)約能源、減少CO2排放和改善環(huán)境問題的重要手段。地埋管地源熱泵技術(shù)利用大地?zé)崛萘烤薮蠹暗叵峦寥罍囟认鄬Ψ€(wěn)定的特性，通過閉環(huán)式地埋管換熱器夏季向土壤釋放熱量、冬季從土壤吸收熱量，通過熱泵實現(xiàn)對建筑物供冷供熱。
[0003]然而，以節(jié)能環(huán)保著稱的地埋管地源熱泵技術(shù)在推廣應(yīng)用中遇到了建筑物冷熱負(fù)荷平衡性方面的障礙。我國橫跨暖溫帶和亞熱帶，大量建筑物尤其是商用建筑屬于冷負(fù)荷占優(yōu)型建筑物，即其全年冷負(fù)荷之和大于全年熱負(fù)荷之和。在冷負(fù)荷占優(yōu)型建筑物中使用地埋管地源熱泵技術(shù)時，單一的地埋管換熱器作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源將使夏季向土壤的排熱量大于冬季從土壤的吸熱量，長期運行后會使多余熱量在地埋管換熱器周圍土壤中積聚，造成土壤溫度的升高，進而使熱泵夏季進水溫度升高，導(dǎo)致整個系統(tǒng)運行效率降低，甚至使系統(tǒng)失效。解決問題并掃清障礙的關(guān)鍵在于使地埋管換熱器所承擔(dān)的全年冷熱負(fù)荷平衡，使用其他輔助制冷方式來排除建筑物不平衡的冷負(fù)荷。
[0004]現(xiàn)存的地埋管地源熱泵技術(shù)的輔助制冷方式集中于使用冷卻塔向空氣中排除不平衡的建筑物冷負(fù)荷。但在實際運行中，一些建筑物由于所處地段、外觀要求、節(jié)水要求、噪音控制等條件限制不適合使用冷卻塔，要在這些冷負(fù)荷占優(yōu)型建筑物內(nèi)使用節(jié)能環(huán)保的地埋管地源熱泵技術(shù)，必須尋求更合適、更節(jié)能的輔助制冷方式。
[0005]太空夜間輻射制冷現(xiàn)象得益于地表平面與太空(接近于絕對零度)之間的紅外電磁輻射熱交換。地球表面的大氣層對于波長在8?13μπι之間的紅外輻射是接近完全透過的。因此，對于在此波長范圍內(nèi)表面發(fā)射率高的物體，可有效利用夜間太空作為免費冷源以釋放自身熱量。作為一種有效、廉價的被動式自然冷卻方式，太空夜間輻射制冷技術(shù)得到了各界研究者越來越多的關(guān)注；
[0006]關(guān)于太空輻射制冷器的研究為數(shù)不多，且都應(yīng)用于建筑物的被動式制冷。一種形式是采用普通的平板式太陽能集熱器夜間運行兼作輻射制冷器，其制冷效率很低；另一種形式是專門設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制冷器進行夜間長波輻射，其制冷效率有所提高但加工制作費用較高。由于存在著固有的局限性，現(xiàn)有太空輻射制冷器不適合作為建筑物的主動式制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定冷源。首先，太空輻射制冷器的制冷效能與建筑物冷負(fù)荷不匹配，建筑物冷負(fù)荷的峰值出現(xiàn)在夏季午后，然而太空輻射制冷器的制冷性能在冬季夜間最好。其次，太空輻射制冷器的制冷效率受室外空氣相對濕度、天空云層厚度、和空氣潔凈度的影響較大，制冷量不太穩(wěn)定。再次，太空輻射制冷器的能流密度不高，單位面積的制冷功率不大，因此需要占用較大的建筑物屋頂面積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的局限性，利用被動式太空輻射制冷的有效方式是將其作為主動式制冷系統(tǒng)的輔助冷源。因此，本發(fā)明針對“水源熱泵系統(tǒng)”這種最常用的建筑物主動式制冷形式，設(shè)計了在熱泵機組冷卻水溫度范圍內(nèi)輻射制冷效率較高、加工簡單、且制造維修費用低廉的一種作為輔助冷源的太空輻射制冷器。該種太空輻射制冷器可在最佳氣象條件下與水源熱泵系統(tǒng)的其它穩(wěn)定冷源串聯(lián)或并聯(lián)連接使用，共同為熱泵系統(tǒng)提供冷量。為了方便該種太空輻射制冷器的設(shè)計計算，本發(fā)明提出了相應(yīng)的傳熱建模方法。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0009]一種作為輔助冷源的太空輻射制冷器，包括一個框架，在所述的框架上設(shè)有一個或多個輻射制冷器模塊，所述的輻射制冷器模塊包括兩個用于導(dǎo)熱的金屬板；且兩個金屬板之間形成供冷卻水流動的間隙；所述的兩個金屬板長度方向的兩端分別連通冷卻水分水器和冷卻水集水器，金屬板寬度方向兩端直接連接；且所述的冷卻水分水器與冷卻水入口連通，冷卻水集水器與冷卻水出口連通。
[0010]所述的金屬板為鍍鋅鋼板；金屬板寬度方向兩端采用無鉚釘壓鉚加膠粘劑連接。
[0011]所述的輻射制冷器模塊為多塊時，輻射制冷器模塊之間并聯(lián)連接。
[0012]所述的框架為金屬 框架，在金屬框架與輻射制冷器模塊相平行的面之間設(shè)有保溫材料。
[0013]所述的兩個鍍鋅鋼板之間的間距為5mm。
[0014]在所述的鍍鋅鋼板上設(shè)有規(guī)則分布的點狀凹陷，交叉排列，間距5cm。
[0015]為了進一步增強夜間紅外發(fā)射率和白天太陽輻射反射率，在位于上層面的鍍鋅鋼板外涂白色二氧化鈦。
[0016]所述的太空輻射制冷器的最佳安裝方式是平鋪于建筑物屋頂上。
[0017]所述的太空輻射制冷器的散熱量的傳熱建模方法，包括以下步驟:
[0018]步驟(1)開始；
[0019]步驟(2)獲取室外氣象數(shù)據(jù)，包括空氣溫度Ta、空氣相對濕度RH、大氣壓力P、風(fēng)速Ua、太空紅外輻射強度Ris，使用插值法計算出空氣的導(dǎo)熱系數(shù)匕、運動粘度Va和普朗特數(shù)Pra,并根據(jù)斯蒂芬-玻爾茨曼定律計算出太空等效溫度Ts ；

f η
[0020]Ts=式中O =5.67X 10_8W/(m2.K4)為斯蒂芬_玻爾茨曼常量；
Ko-J
[0021]步驟(3)獲取太空輻射制冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括太空輻射制冷器的長度L和寬度W，所采用鍍鋅鋼板的厚度δ和導(dǎo)熱系數(shù)ks，以及鍍鋅鋼板外側(cè)二氧化鈦涂層的紅外發(fā)射率
ε ;
[0022]步驟(4)獲取太空輻射制冷器的冷卻水流量m ；
[0023]步驟(5)根據(jù)連續(xù)性方程計算冷卻器內(nèi)的冷卻水流速Uf，
[0024]uf = m/ (L.W)；
[0025]步驟(6)獲取太空輻射散熱器的冷卻水入口水溫Tfi ；
[0026]步驟(7)假設(shè)太空輻射制冷器的冷卻水出口水溫為TfM ；[0027]步驟(8)設(shè)置迭代次數(shù)IT=O ；
[0028]步驟(9)計算太空輻射散熱器內(nèi)冷卻水平均溫度Tm，
[0029]Tffl=0.5*(Tfi+Tfoa)；
[0030]步驟(10 )使用插值法計算水溫Tm對應(yīng)的冷卻水的物理性質(zhì)，包括冷卻水的比熱容cp、導(dǎo)熱系數(shù)kf、運動粘度vf和普朗特數(shù)Prf;
[0031 ] 步驟(11)計算太空輻射制冷器上層鍍鋅鋼板外壁面與周圍空氣間的對流換熱系數(shù)hi ；
【權(quán)利要求】
1.一種作為輔助冷源的太空輻射制冷器，其特征在于:包括一個框架，在所述的框架上設(shè)有一個或多個輻射制冷器模塊，所述的輻射制冷器模塊包括兩個用于導(dǎo)熱的金屬板；且兩個金屬板之間形成供冷卻水流動的間隙；所述的兩個金屬板長度方向的兩端分別連通冷卻水分水器和冷卻水集水器，所述的冷卻水分水器與冷卻水入口連通，冷卻水集水器與冷卻水出口連通；寬度方向兩端連接。
2.如權(quán)利要求1所述的太空輻射制冷器，其特征在于:所述的寬度方向兩端采用無鉚釘壓鉚加膠粘劑連接。
3.如權(quán)利要求1所述的太空輻射制冷器，其特征在于:所述的輻射制冷器模塊為多塊時，輻射制冷器模塊之間并聯(lián)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的太空輻射制冷器，其特征在于:在金屬框架與輻射制冷器模塊相平行的面之間設(shè)有保溫材料。
5.如權(quán)利要求1所述的太空輻射制冷器，其特征在于:所述的金屬板為鍍鋅鋼板，所述的兩個鍍鋅鋼板之間的間距為5mm。
6.如權(quán)利要求5所述的太空輻射制冷器，其特征在于:在所述的鍍鋅鋼板上設(shè)有規(guī)則分布的點狀凹陷。
7.如權(quán)利要求5所述的太空輻射制冷器，其特征在于:在位于上層面的鍍鋅鋼板外涂 白色二氧化鈦。
8.如權(quán)利要求1所述的太空輻射制冷器，其特征在于:所述的太空輻射制冷器的最佳安裝方式是平鋪于建筑物屋頂上。
9.如權(quán)利要求1所述的太空輻射制冷器的傳熱建模方法，其特征在于，如下: 步驟(1)開始； 步驟(2)獲取室外氣象數(shù)據(jù)，包括空氣溫度Ta、空氣相對濕度RH、大氣壓力P、風(fēng)速ua、太空紅外輻射強度Ris，使用插值法計算出空氣的導(dǎo)熱系數(shù)匕、運動粘度va和普朗特數(shù)Pra,并根據(jù)斯蒂芬-玻爾茨曼定律計算出太空等效溫度Ts ； Ts=式中σ =5.67X 10_8W/(m2.K4)為斯蒂芬-玻爾茨曼常量；
V σ ； 步驟(3)獲取太空輻射制冷器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括太空輻射制冷器的長度L和寬度W，所采用鍍鋅鋼板的厚度δ和導(dǎo)熱系數(shù)ks，以及鍍鋅鋼板外側(cè)二氧化鈦涂層的紅外發(fā)射率ε ；步驟(4)獲取太空輻射制冷器的冷卻水流量m ； 步驟(5)根據(jù)連續(xù)性方程計算冷卻器內(nèi)的冷卻水流速Uf， uf = m/ (L.W)； 步驟(6)獲取太空輻射散熱器的冷卻水入口水溫Tfi ； 步驟(7)假設(shè)太空輻射制冷器的冷卻水出口水溫為Tfoa ； 步驟(8)設(shè)置迭代次數(shù)IT=O; 步驟(9)計算太空輻射散熱器內(nèi)冷卻水平均溫度Tm，
Tm=0.5* (Tfi+Tfoa)； 步驟(10)使用插值法計算水溫Tm對應(yīng)的冷卻水的物理性質(zhì)，包括冷卻水的比熱容cp、導(dǎo)熱系數(shù)卜、運動粘度vf和普朗特數(shù)Prf;步驟(11)計算太空輻射制冷器上層鍍鋅鋼板外壁面與周圍空氣間的對流換熱系數(shù)hi ;
10.如權(quán)利要求9所述的太空輻射制冷器的傳熱建模方法，其特征在于，如下: 所述的步驟13的詳細(xì)過程如下: 根據(jù)能量平衡可得四次方程:
【文檔編號】F24F5/00GK103884064SQ201410123592
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】滿意, 楊文斐, 王順付, 方肇洪 申請人:山東中瑞新能源科技有限公司