一种作为辅助冷源的太空辐射制冷器及传热建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种作为辅助冷源的太空辐射制冷器及传热建模方法，包括一个金属框架，在所述的金属框架上设有一个或多个辐射制冷器模块，所述的辐射制冷器模块包括为两个镀锌钢板，且两个镀锌钢板之间形成供冷却水流动的间隙；所述的两个镀锌钢板长度方向的两端分别连通冷却水分水器和冷却水集水器，所述的冷却水分水器与冷却水入口连通，冷却水集水器与冷却水出口连通；宽度方向两端连接。该种太空辐射制冷器可在最佳气象条件下与水源热泵系统的其它稳定冷源串联或并联连接使用，共同为热泵系统提供冷量。
【专利说明】 一种作为辅助冷源的太空辐射制冷器及传热建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种作为辅助冷源的太空辐射制冷器及传热建模方法，属于建筑环境与设备工程、建筑热环境及制冷工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来，利用可再生的浅层地热能的地源热泵技术在建筑空调领域得到了迅速发展。其中的地埋管地源热泵技术通过循环液在封闭的地下埋管中流动，在实现高效换热的同时保护了宝贵的地下水资源。目前许多国际机构及政府均把推广应用地埋管地源热泵技术作为节约能源、减少CO2排放和改善环境问题的重要手段。地埋管地源热泵技术利用大地热容量巨大及地下土壤温度相对稳定的特性，通过闭环式地埋管换热器夏季向土壤释放热量、冬季从土壤吸收热量，通过热泵实现对建筑物供冷供热。
[0003]然而，以节能环保著称的地埋管地源热泵技术在推广应用中遇到了建筑物冷热负荷平衡性方面的障碍。我国横跨暖温带和亚热带，大量建筑物尤其是商用建筑属于冷负荷占优型建筑物，即其全年冷负荷之和大于全年热负荷之和。在冷负荷占优型建筑物中使用地埋管地源热泵技术时，单一的地埋管换热器作为热泵系统的冷热源将使夏季向土壤的排热量大于冬季从土壤的吸热量，长期运行后会使多余热量在地埋管换热器周围土壤中积聚，造成土壤温度的升高，进而使热泵夏季进水温度升高，导致整个系统运行效率降低，甚至使系统失效。解决问题并扫清障碍的关键在于使地埋管换热器所承担的全年冷热负荷平衡，使用其他辅助制冷方式来排除建筑物不平衡的冷负荷。
[0004]现存的地埋管地源热泵技术的辅助制冷方式集中于使用冷却塔向空气中排除不平衡的建筑物冷负荷。但在实际运行中，一些建筑物由于所处地段、外观要求、节水要求、噪音控制等条件限制不适合使用冷却塔，要在这些冷负荷占优型建筑物内使用节能环保的地埋管地源热泵技术，必须寻求更合适、更节能的辅助制冷方式。
[0005]太空夜间辐射制冷现象得益于地表平面与太空(接近于绝对零度)之间的红外电磁辐射热交换。地球表面的大气层对于波长在8?13μπι之间的红外辐射是接近完全透过的。因此，对于在此波长范围内表面发射率高的物体，可有效利用夜间太空作为免费冷源以释放自身热量。作为一种有效、廉价的被动式自然冷却方式，太空夜间辐射制冷技术得到了各界研究者越来越多的关注；
[0006]关于太空辐射制冷器的研究为数不多，且都应用于建筑物的被动式制冷。一种形式是采用普通的平板式太阳能集热器夜间运行兼作辐射制冷器，其制冷效率很低；另一种形式是专门设计结构复杂的制冷器进行夜间长波辐射，其制冷效率有所提高但加工制作费用较高。由于存在着固有的局限性，现有太空辐射制冷器不适合作为建筑物的主动式制冷系统的稳定冷源。首先，太空辐射制冷器的制冷效能与建筑物冷负荷不匹配，建筑物冷负荷的峰值出现在夏季午后，然而太空辐射制冷器的制冷性能在冬季夜间最好。其次，太空辐射制冷器的制冷效率受室外空气相对湿度、天空云层厚度、和空气洁净度的影响较大，制冷量不太稳定。再次，太空辐射制冷器的能流密度不高，单位面积的制冷功率不大，因此需要占用较大的建筑物屋顶面积。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术存在的局限性，利用被动式太空辐射制冷的有效方式是将其作为主动式制冷系统的辅助冷源。因此，本发明针对“水源热泵系统”这种最常用的建筑物主动式制冷形式，设计了在热泵机组冷却水温度范围内辐射制冷效率较高、加工简单、且制造维修费用低廉的一种作为辅助冷源的太空辐射制冷器。该种太空辐射制冷器可在最佳气象条件下与水源热泵系统的其它稳定冷源串联或并联连接使用，共同为热泵系统提供冷量。为了方便该种太空辐射制冷器的设计计算，本发明提出了相应的传热建模方法。
[0008]本发明采用的技术方案如下:
[0009]一种作为辅助冷源的太空辐射制冷器，包括一个框架，在所述的框架上设有一个或多个辐射制冷器模块，所述的辐射制冷器模块包括两个用于导热的金属板；且两个金属板之间形成供冷却水流动的间隙；所述的两个金属板长度方向的两端分别连通冷却水分水器和冷却水集水器，金属板宽度方向两端直接连接；且所述的冷却水分水器与冷却水入口连通，冷却水集水器与冷却水出口连通。
[0010]所述的金属板为镀锌钢板；金属板宽度方向两端采用无铆钉压铆加胶粘剂连接。
[0011]所述的辐射制冷器模块为多块时，辐射制冷器模块之间并联连接。
[0012]所述的框架为金属 框架，在金属框架与辐射制冷器模块相平行的面之间设有保温材料。
[0013]所述的两个镀锌钢板之间的间距为5mm。
[0014]在所述的镀锌钢板上设有规则分布的点状凹陷，交叉排列，间距5cm。
[0015]为了进一步增强夜间红外发射率和白天太阳辐射反射率，在位于上层面的镀锌钢板外涂白色二氧化钛。
[0016]所述的太空辐射制冷器的最佳安装方式是平铺于建筑物屋顶上。
[0017]所述的太空辐射制冷器的散热量的传热建模方法，包括以下步骤:
[0018]步骤(1)开始；
[0019]步骤(2)获取室外气象数据，包括空气温度Ta、空气相对湿度RH、大气压力P、风速Ua、太空红外辐射强度Ris，使用插值法计算出空气的导热系数匕、运动粘度Va和普朗特数Pra,并根据斯蒂芬-玻尔茨曼定律计算出太空等效温度Ts ；
f η
[0020]Ts=式中O =5.67X 10_8W/(m2.K4)为斯蒂芬_玻尔茨曼常量；
Ko-J
[0021]步骤(3)获取太空辐射制冷器的结构参数，包括太空辐射制冷器的长度L和宽度W，所采用镀锌钢板的厚度δ和导热系数ks，以及镀锌钢板外侧二氧化钛涂层的红外发射率
ε ;
[0022]步骤(4)获取太空辐射制冷器的冷却水流量m ；
[0023]步骤(5)根据连续性方程计算冷却器内的冷却水流速Uf，
[0024]uf = m/ (L.W)；
[0025]步骤(6)获取太空辐射散热器的冷却水入口水温Tfi ；
[0026]步骤(7)假设太空辐射制冷器的冷却水出口水温为TfM ；[0027]步骤(8)设置迭代次数IT=O ；
[0028]步骤(9)计算太空辐射散热器内冷却水平均温度Tm，
[0029]Tffl=0.5*(Tfi+Tfoa)；
[0030]步骤(10 )使用插值法计算水温Tm对应的冷却水的物理性质，包括冷却水的比热容cp、导热系数kf、运动粘度vf和普朗特数Prf;
[0031 ] 步骤(11)计算太空辐射制冷器上层镀锌钢板外壁面与周围空气间的对流换热系数hi ；
【权利要求】
1.一种作为辅助冷源的太空辐射制冷器，其特征在于:包括一个框架，在所述的框架上设有一个或多个辐射制冷器模块，所述的辐射制冷器模块包括两个用于导热的金属板；且两个金属板之间形成供冷却水流动的间隙；所述的两个金属板长度方向的两端分别连通冷却水分水器和冷却水集水器，所述的冷却水分水器与冷却水入口连通，冷却水集水器与冷却水出口连通；宽度方向两端连接。
2.如权利要求1所述的太空辐射制冷器，其特征在于:所述的宽度方向两端采用无铆钉压铆加胶粘剂连接。
3.如权利要求1所述的太空辐射制冷器，其特征在于:所述的辐射制冷器模块为多块时，辐射制冷器模块之间并联连接。
4.如权利要求1所述的太空辐射制冷器，其特征在于:在金属框架与辐射制冷器模块相平行的面之间设有保温材料。
5.如权利要求1所述的太空辐射制冷器，其特征在于:所述的金属板为镀锌钢板，所述的两个镀锌钢板之间的间距为5mm。
6.如权利要求5所述的太空辐射制冷器，其特征在于:在所述的镀锌钢板上设有规则分布的点状凹陷。
7.如权利要求5所述的太空辐射制冷器，其特征在于:在位于上层面的镀锌钢板外涂 白色二氧化钛。
8.如权利要求1所述的太空辐射制冷器，其特征在于:所述的太空辐射制冷器的最佳安装方式是平铺于建筑物屋顶上。
9.如权利要求1所述的太空辐射制冷器的传热建模方法，其特征在于，如下: 步骤(1)开始； 步骤(2)获取室外气象数据，包括空气温度Ta、空气相对湿度RH、大气压力P、风速ua、太空红外辐射强度Ris，使用插值法计算出空气的导热系数匕、运动粘度va和普朗特数Pra,并根据斯蒂芬-玻尔茨曼定律计算出太空等效温度Ts ； Ts=式中σ =5.67X 10_8W/(m2.K4)为斯蒂芬-玻尔茨曼常量；
V σ ； 步骤(3)获取太空辐射制冷器的结构参数，包括太空辐射制冷器的长度L和宽度W，所采用镀锌钢板的厚度δ和导热系数ks，以及镀锌钢板外侧二氧化钛涂层的红外发射率ε ；步骤(4)获取太空辐射制冷器的冷却水流量m ； 步骤(5)根据连续性方程计算冷却器内的冷却水流速Uf， uf = m/ (L.W)； 步骤(6)获取太空辐射散热器的冷却水入口水温Tfi ； 步骤(7)假设太空辐射制冷器的冷却水出口水温为Tfoa ； 步骤(8)设置迭代次数IT=O; 步骤(9)计算太空辐射散热器内冷却水平均温度Tm，
Tm=0.5* (Tfi+Tfoa)； 步骤(10)使用插值法计算水温Tm对应的冷却水的物理性质，包括冷却水的比热容cp、导热系数卜、运动粘度vf和普朗特数Prf;步骤(11)计算太空辐射制冷器上层镀锌钢板外壁面与周围空气间的对流换热系数hi ;
10.如权利要求9所述的太空辐射制冷器的传热建模方法，其特征在于，如下: 所述的步骤13的详细过程如下: 根据能量平衡可得四次方程:
【文档编号】F24F5/00GK103884064SQ201410123592
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】满意, 杨文斐, 王顺付, 方肇洪 申请人:山东中瑞新能源科技有限公司