广东省东莞市冷却塔烟囱参数研究调查
作者：晶杰冷却塔 时间：2021-05-18 16:04 阅读：
集成新冷却塔的太阳能烟囱的参数研究，该新冷却塔集成在一个新房间中，为广东省东莞市提供气候信息。概要：
广东的房屋设计时常常没有充分考虑到气候。因此，新房子的室内气候通常很差，这会影响舒适度，健康状况和建筑效率。在炎热和干旱的气候中，被动冷却系统采用非机械程序来维持合适的室内温度。因此，他们一直在使用新技术来增加传统冷却概念的影响。因此，这些条件鼓励了这样一种概念，即通过蒸发冷却来增强自然通风并节省新阿西乌特市的能源。在本研究中，作为新集成模型的第二阶段，对太阳烟囱参数对风塔参数的影响进行了数值研究。第一阶段介绍了所有详细的数学方程式和系统描述。在瞬态系统仿真程序-多区域渗透专家程序软件的结合中实现了数值模拟。在第二阶段对集成系统的参数研究进行了研究，目的是通过新型紧凑的小型设计实现高性能，尤其是在夏季最热的日子。考虑到区域压力和蒸发冷却器组件中的压降，反复预测温度和气流速率。结果表明，根据供热，制冷和空调工程师学会的适应性舒适标准，该系统在最热的一天达到了至少接近80％的可接受舒适度范围，最佳通风速率为414 m3 / h。研究结果表明，与第一阶段的参数研究之前的拟议系统相比，该系统在最热的一天中具有较高的性能，且太阳能烟囱尺寸较小，并且易于集成到建筑围护结构中。
介绍
建筑物的运行消耗大量能量[1]。随着建筑师和工程师继续寻找更好的方法来改善建筑物的室内环境质量和能源效率，使用自然通风为建筑物降温仍然是提供空气流动和冷却的方法。增加建筑物中空气流动的一种方法是在设计中实施太阳能烟囱[2]。带有蒸发冷却塔的太阳能烟囱的应用由于其独特的优势而引起了广泛的关注[3]。被动式蒸发冷却是在干热气候中最有效的方法，可在最有效的方式上提高热舒适度。从历史上看，蒸发冷却在全世界炎热的干旱国家中广泛用于传统建筑中[4-6]。关于使用自然通风和蒸发冷却策略来产生冷空气以及使用太阳能烟囱对建筑物中的热诱导通风的影响，已经进行了许多研究； Maerefat和Haghigi提出了一种新的太阳能系统，该系统采用了带有烟囱和蒸发冷却腔的太阳能烟囱。数值计算表明，即使在200 W / m2的低太阳强度和40°C的高环境温度下，具有正确配置的集成系统也能够在白天的起居室内提供良好的室内条件[7]。 。 Alemu等。开发了将被动气流组件纳入多区域通风和建筑物热力耦合模型的集成模型。该模型可以在设计阶段评估自然通风系统和混合通风系统等被动功能的组合，例如太阳烟囱和风诱导的土-空气隧道[8]。全球范围内对太阳能利用的认识不断提高[9]。正在进行一些研究人员，研究采用被动冷却的太阳烟囱的优化和参数研究。 [10]研究了一些几何参数，例如烟囱入口的大小和宽度，以预测房间以及烟囱中的流动模式。可以得出结论，将进气口尺寸增加三倍只会使每小时换气速度（ACH）提高近11％。但是，将烟囱宽度增加三倍，可使ACH改善了近25％，从而保持了入口尺寸不变。 [11]通过实验研究了使用垂直烟囱（带或不带湿屋顶）来增强室内通风的效果。他们报告说，根据环境温度和太阳能强度，太阳能烟囱可将室内温度降低1–3.5°C。此外，在屋顶上洒水以及使用太阳能烟囱可以使室内温度进一步降低2–6.2°C。 [12]研究了一个透明的屋顶，该屋顶与下面的一个阁楼室一起使用，以产生可驱动建筑物自然通风的驱动力。他们研究了两层建筑的不同烟囱倾斜角度和高度。他们分析了空间内部以及阁楼房间和垂直烟囱中的流动流线。结果表明，将屋顶的倾斜角度从15°增大到60°可以改善ACH。哈里斯等。 [13]通过计算分析了倾斜角度对通风率的影响。他们报告说，最大流速的最佳角度是与水平方向成67.58°。与垂直烟囱相比，通风率提高了近11％。
最后，研究了单室屋顶太阳能烟囱倾斜角度对自然通风的影响。作者发现，最佳吸收体倾斜度在40°至60°之间变化，纬度在20°至30°范围内变化。此外，他们报告说，与30°和60°相比，在45°角处的空气流量高出10％。在他们的结果中，他们引用了在空气间隙为0.3 m，入口高度为0.3 m的情况下，正午时45°倾斜角可获得最高流量（190 kg / h）。此外，取决于纬度，在任何地方的最佳倾斜度都在40°至60°之间变化[14]。结果，对于研究不同太阳烟囱参数对风塔参数的影响的过去文献存在局限性。两种系统集成的优势尚未优化。
因此，本文的主要目的是对所提出的系统进行参数研究，以提高系统性能并实现小型紧凑型设计，尤其是在炎热时期，其具有较高的热舒适性。通过使用多区域渗透专家程序（COMIS）-瞬态系统仿真程序（TRNSYS）软件的结合，了解稳态条件下太阳能烟囱和风塔各个参数对系统性能敏感性的影响，从而完成了此任务。该开发系统在单个区域的房间中使用，以结合使用不同参数的组合来研究集成系统的性能和优势，从而实现紧凑而高性能的系统。
被动系统的描述
在广东东莞市夏季，在第一阶段研究了集成有蒸发冷却风塔的太阳能烟囱的性能。该提议的系统在夏季最热的日子中达到了舒适度，其中95％的室内温度低于80％可接受的舒适度范围的上限[15，16]。这项研究基于对室内环境的建筑物测量案例研究，并就广东房屋中的当前气候问题进行了回顾[17，18]。该系统的性能是要提供所需的舒适条件和合适的通风速率，具体取决于几个参数，例如环境条件（温度，太阳辐射，相对湿度，风速和风压系数）。该模型适用以下尺寸和规格：该系统位于新阿西尤特市，北纬27.30°，东经31.15°。太阳烟囱朝南。对尺寸为4.0 m×4.0 m×3.125 m（L×W×H）的单个区域进行计算。但是，对于新提议的系统，烟囱的倾斜长度在倾斜角上为2 m，而冷却塔的高度为1 m，以便根据广东建筑法规不将垂直高度延伸到建筑物上方。同样，假设塔和烟囱的最大宽度等于1 m。这有助于轻松地将其应用于广东建筑外墙。因此，参数研究是在这些范围和条件下进行的。
带有蒸发冷却器风塔的太阳能烟囱示意图
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该系统正在开发中，它带有一个太阳能烟囱和一个小的蒸发冷却风塔。蒸发垫提供较大的水表面，并且通过从上述水源滴下水来润湿垫。 EC由同心浮球阀工作，当集水格栅中的水位低时，该浮球阀会打开，从而允许更多的水进入。当水位回到满水位时，阀门自动关闭。开发的模型在COMIS-TRNSYS仿真软件中实现。该直接蒸发式冷却塔使用的部件号为1。 TRNSYS 16（TESS）库的506d-热能系统专家库在顶部使用湿介质，并且该组件由美国热能系统专家组装和验证，并于2004年进行了修改。本模型包括特殊的气流组件需要同时预测温度和气流速率。在已开发的多区域通风模型中，建筑物被理想化为通过离散气流路径连接在一起的区域，开口和管道系统。区域由节点表示。烟囱和蒸发冷却通道由用于阻力和压降计算的管道表示。假定区域中存在流体静压条件，并且每个连接中的流速被定义为区域压力的函数，这将导致一个非线性方程求解器系统，该系统由每个区域的质量守恒定义[19]。在已发表的论文[16]中详细讨论了集成系统的数学方程，并对该系统进行了全面描述。
方法
通过了解第一阶段和第二阶段稳态条件下太阳能烟囱和风塔各个参数对系统性能敏感性的影响，开始进行系统研究。图2显示了参数研究过程的流程图。
参数研究程序流程图
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参数研究使用了夏季的关键室外条件来研究稳态期间的参数研究，因此室外输入温度为38°C，相对湿度为17％，太阳辐射为600 W / m2。在下一阶段（第三阶段）中，使用模型[20，21]中的广东东莞市的真实天气数据选择有助于实现室内热舒适性的稳态阶段的重要参数，以便对其进行研究。第三阶段旨在研究实现紧凑和高性能系统的不同参数。真实天气数据来自典型的气象年（TMY）数据集，这些数据集源自1961–1990年国家太阳辐射数据库[20]。
然后，根据自适应舒适标准（ACS）的舒适范围和供热，制冷和空调工程师协会（ASHRAE）的温度计量学，对参数研究最后阶段的结果进行分析并与拟议系统进行参数研究之前进行比较图表。因此，对太阳能烟囱和风塔的重要尺寸参数进行了研究，而其他性能参数（例如吸收器的吸收率-透射率，排放系数，进出口之间的长度，传热系数等）保持恒定。在这个模型中。
使用程序将通风模型集成到常规热模型中，以对系统性能产生重大影响。热量和通风模型的详细信息基于数学计算[15]。
参数研究
预测了由于烟囱倾角变化而引起的内部流动模式，并在图3中以不同的角度呈现：10°，20°，30°，40°，50°，60°和70°。从图3可以看出，烟囱倾角对空间气流模式有明显的影响。空气流速的这些变化取决于太阳辐射的强度，烟囱的表面方位角以及水平的表面标题。 10°的小倾斜角显示出高的流动阻力和突然流动且对太阳能的吸收低。一旦烟囱倾斜角增加到40°，室内和烟囱的流速就会增加。对于40°的倾斜角，可以看到最佳的流型。另一方面，当烟囱倾斜角增加到70°时，室内空气流量又减少了一次。这是由于较少吸收太阳能。
倾斜角的参数研究及其结果
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图4显示了烟囱气隙随室内温度和换气率的变化。结果表明，随着空气间隙厚度的增加，室内空气变化率从0.1 m增加到0.4 m。相反，0.4 m后气隙的增加对室内冷却温度和换气率没有影响。这是因为，当气隙增加时，对流传热系数降低。根据太阳烟囱中温度预测的计算，对流传热系数与气隙厚度成反比。气隙为0.1 m时，烟囱的阻力较大，从而降低了流量。因此，需要使用实际天气数据研究气隙的参数为0.2、0.3和0.4 m。
气隙结构及其结果的参数研究
显示了由于不同的烟囱宽度和气隙的组合而导致的室内温度和空气变化率的变化。根据已开发的系统得出的结论是，根据ASHRAE标准，烟囱宽度为1 m的烟囱在白天可实现良好的室内空气流量和二氧化碳浓度，而随着增加，超过1 m的烟囱可实现超过室内空气流通需求的烟囱在室内温度下。需要具有不同气隙宽度的烟囱宽度1、0.75和0.5 m的不同组合。显然，在不同的气隙尺寸下，当烟囱宽度等于0.5 m时，室内温度会升高。另外，由于室内温度的升高，烟囱宽度为0.5 m不能支持室内的热舒适性。因此，使用实际天气数据研究烟囱宽度1 m和0.75 m非常重要。
烟囱宽度和气隙组合结构的参数研究及其结果
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图6显示了不同塔深度和宽度对室内温度的影响。当塔的尺寸减小时，较少的空气从外部进入塔，几层空气与湿垫表面接触，这导致空气的蒸发速率降低，而烟囱的出口冷却能量较低。因此，室内温度升高，尤其是对于塔的深度和宽度等于0.5 m时。同时，系统的性能随着尺寸等于1 m（塔深度为0.7 m，塔宽度为1 m）而提高。这会导致室内温度降低，并获得更多的制冷效果。因此，最好选择塔架深度为1和0.7 m，塔架宽度为1 m，以模拟真实的天气数据。
稳态条件下塔架尺寸结构及其结果的参数研究
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在研究第一，第二阶段太阳能烟囱和风塔的室内温度和空气变化率的各个参数的基础上，选择重要的参数进行仿真，以实现紧凑，高性能的设计。这些参数分别为：烟囱宽度1和0.75 m，气隙0.2、0.3和0.4 m，深度1和0.7 m，塔架宽度1 m。因此，需要使用6月19日至6月23日夏季夏季最热天的真实天气数据（典型）来模拟11个案例。
结果与讨论
显示了参数研究之前的拟议系统以及参数研究之后的11个案例。结果表明，只有一个最佳情况，太阳能烟囱的尺寸为0.75 m×0.4 m，风塔的尺寸为1 m×1 m，才能达到接近可接受舒适度范围上限80％的最小值。通过选择最热的一天（6月20日）并比较参数研究前后的模拟结果，参数研究前后的差值接近1.5°C（图8）。
不同系统尺寸的室内温度与室外温度的关系
在最热的一天中进行参数研究之前和之后拟议系统之间的差异
显示了参数研究后系统的有效通风率。显然，增加室内通风量（> 414 m3 / h）会导致室内空气温度升高。同样，低通风率（<414 m3 / h）会导致室内空气温度升高。因此，最佳通风速率为414 m3 / h，从而实现了最佳室内空气温度。
系统中的有效通风率
通过基于数学方程[22]从产生的空气变化率计算房间中的二氧化碳浓度，尤其是在白天，根据ASHRAE舒适标准[23]，室内浓度<1,000 ppm，室内空气变化率比室内空气变化率高。参量研究之前的系统如图10所示。很明显，参量研究前后的CO2浓度最大差异（％）为7.8％，平均为3.1％。
在6月19日，20日，21日和22日进行参数研究之前和之后，拟议系统的CO2浓度和ACH
假设最多四人入住该房间，且与其他房间没有空气交换。该浓度是根据房间中的流速，根据广东人体表面积（1.84 m2）[24]，代谢率= 1.2和室外CO2浓度（380 ppm）的人均CO2产生率（23.8）计算的。在假定最大乘员负载的情况下，这有助于了解单个区域上集成系统的性能。
结论
本研究旨在调查太阳能烟囱和风塔参数对室内通风速率和温度模式的影响。然后，对重要参数进行优化，以实现紧凑和高性能的设计。从系统的数值运算得出重要结论：
该系统在最热的日子达到了可接受范围的80％的上限，有效通风率等于414立方米/小时50立方米。
该系统实现了紧凑的设计，太阳能烟囱的尺寸为0.75 m×0.4 m，风塔的尺寸为1 m×1 m。
根据标准，优化的系统可达到可接受的CO2浓度（不超过1,000 ppm），尤其是在白天。
该系统的优先级是在夏季的炎热季节应用。因此，该系统可以在夏季的白天使用。同时，可以在夜间室内温度变得非常低（小于可接受范围的80％的下限）时进行控制。
在炎热和干燥的气候下，这种拟议的紧凑型系统可以是传统空调系统的经济实用的被动替代方案，且不会释放任何污染或消耗任何能源。最后，这些结果适用于顶层客厅中的集成系统。如果没有进一步的模拟，它们将不会扩展到另一个阶段。这项研究的结果有助于在广东建立一个真实的模型，以便在内部负载下的广东省东莞市夏季条件下，对真实模型的性能进行研究。