CN112524720A - 一种辐射对流结合的微环境控制装置及控制方法 - Google Patents

一种辐射对流结合的微环境控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种辐射对流结合的微环境控制装置及控制方法，属于通风方式、气流组织、人体舒适性研究领域。该装置依次包括辐射盘管、风机、风管、水平送风格栅、活性炭过滤器、二氧化碳过滤器、电加热装置、个性化送风末端等部件，上述部件依次连接为一个整体构成微环境控制装置；本发明的微环境控制装置，利用辐射盘管避免吹风感，并利用人造新风提高了人体吸入的空气品质，能满足不同人体热舒适的需求。

Description

一种辐射对流结合的微环境控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于通风方式、气流组织、人体舒适性研究技术领域，具体属于一种辐射对流结合的微环境控制装置及控制方法。
背景技术
对于仅采用对流方式的空调系统，在传统混合送风系统中，空调能耗大且难以满足每个人的人体热舒适；在分层通风系统中，温度相对较低的冷风出现在房间下部，人体脚踝易产生吹风感。
对于仅采用辐射或辐射与对流结合的空调系统，在冬季，采用地暖或散热器进行辐射供暖，房间内温度近似均匀，由于系统本身没有引入室外新风，房间内的空气品质较差。在中国，人们常采用开外窗的方式引进新风，一方面，室外流场复杂，由于风向和风力等级的不确定性，开外窗未必能有效引入室外新风；另一方面，直接引入室外新风会造成不必要的能源浪费。在夏季，辐射冷却系统的冷表面通常为地面或天花板，再与其他对流系统相结合，系统设计难度大且难以保证人体热舒适。
目前常用的辐射与对流结合的系统普遍采用分散布置，系统复杂，占用空间大，尚未有研究将辐射与对流集中到同一设备。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种辐射对流结合的微环境控制装置及控制方法，使用者可以通过该装置按照自身的热感觉和对空调的需要程度调整送风温度、风量和风速，以满足人体热舒适，解决了将整个房间作为调节对象空调能耗大，且无法满足不同个体热舒适需求以及易造成吹风感的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种辐射对流结合的微环境控制装置，包括辐射盘管、风机和风管，其中所述辐射盘管固定设置在固定板下，所述风管包括第一风管和第二风管，所述第一风管设置在所述辐射盘管和固定板之间，所述第二风管设置在固定板上方，所述第二风管与所述第一风管连通，所述第一风管和所述第二风管进风口均设置有风机。
进一步的，所述辐射盘管固定在固定板下的隔板上，所述辐射盘管的进口与冷源或热源连接。
进一步的，所述第一风管包括竖直矩形风管和水平矩形风管，所述竖直矩形风管固定设置在所述辐射盘管正上方的隔板上，所述竖直矩形风管出风口与所述水平矩形风管进风口连通，所述水平矩形风管固定设置在所述固定板下表面，所述水平矩形风管用于为人员腹部位置送风。
进一步的，所述竖直矩形风管的进风口与所述辐射盘管顶部齐平，所述竖直矩形风管进风口处安装第一抽吸式轴流风机，所述水平矩形风管的出风口设置有水平送风格栅。
进一步的，所述辐射盘管为镀锌铜管，所述第一风管采用镀锌钢板，所述第一风管内部设置保温棉。
进一步的，所述第二风管包括竖直圆风管和水平圆风管，所述竖直圆风管进风口与所述第一风管出风口连通，所述竖直圆风管进风口处设置有第二抽吸式轴流风机，所述竖直圆风管出风口与所述水平圆风管的进风口连通，所述水平圆风管的出风口设置个性化送风末端，所述个性化送风末端用于为人员呼吸区送风。
进一步的，所述竖直圆风管中还设置有活性炭过滤器、二氧化碳过滤器和电加热器；所述水平圆风管与所述个性化送风末端活动连接，所述个性化送风末端采用镀锌钢板并且内置保温棉，所述个性化送风末端为渐扩管。
进一步的，所述风机的转速可调，所述风机用于控制风管的送风量。
本发明还提供一种辐射对流结合的微环境控制装置的控制方法，具体步骤如下：
夏天时，冷源通过进口进入辐射盘管，所述辐射盘管与人体下半身进行辐射换热；风机将辐射盘管附近的冷空气吸入第一风管中，一部分冷空气从第一风管中流出冷却人员腹部区域，另一部分冷空气被风机吸入第二风管中，冷空气从第二风管中流出冷却人员头部区域；
冬天时，热源通过进口进入辐射盘管，所述辐射盘管与人员下半身进行辐射换热；风机将辐射盘管附近的热空气吸入第一风管中，一部分热空气从第一风管中流出加热人员腹部区域；另一部分热空气被风机吸入第二风管中，第一风管中的热空气流出加热人员头部区域。
进一步的，当第一风管和第二风管流出的冷空气使人员感觉不适时，调节风机的转速降低风速；当第二风管中还设置有电加热设备，第二风管流出的冷空气的温度使人员感觉不适时，通过电加热设备为冷空气加热。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种辐射对流结合的微环境控制装置，通过辐射盘管与风管的有机结合，充分利用办公桌下面的空余空间，使人体上半身及下半身都满足舒适性要求，在背景送风系统为分层通风的情况下，可提高送风温度配和本装置使用，减小脚踝吹风感，同时能实现对个体微环境控制，满足每个人的热舒适，在夏季可以适当提高空调设计温度，在冬季可以适当降低空调设计温度，节约空调运行能耗同时提高制冷机组的能效比COP，与之前的目标控制系统相比，例如，夏季的风扇、个性化送风设备等；冬季的加热座椅，脚部加热器等，本发明的微环境控制装置可以实现对人体大部分区域进行热舒适调节，不局限于头部、脚部等局部区域，具有广泛的调节范围。
本发明中采用辐射盘管对人体下半身进行辐射换热，在冬季，人的脚是最容易冷的，对脚部或下半身进行加热，能最有效的满足人体整体热舒适；在夏季，若房间背景送风方式为分层通风，脚踝易有吹风感，抬高房间背景温度，而采用辐射换热，当对下半身进行冷却时，可以尽可能的减小吹风感；冬季将房间设计温度降低，夏季将房间温度升高时，用辐射盘管对下半身进行辐射换热可提高使用者的热舒适性。
本发明采用在固定板下采用矩形风管，占用桌下空间少，并且在相同的风量条件下，长×宽更加容易安装设置；在固定板上采用圆形风管，更加美观方便，更加便于使用者使用。
本发明提供的个性化送风末端利用风机转速调节旋钮调节送风量，电加热装置调节送风温度，尽可能的满足个体热需求；本发明的个性化送风末端与水平圆风管活动连接，实现个性化送风末端风向的调节，满足不同使用人员对风向的不同要求；
本发明采用二氧化碳过滤器净化室内空气再送入人体呼吸区域，使人体吸入空气的二氧化碳浓度降低，提高吸入空气品质。
本发明的微环境控制装置可以与任何形式的送风系统、辐射系统结合，不受背景送风、辐射系统的影响，适用于各种背景系统。
附图说明
图1为本发明专利整体结构示意图。
图2为本发明内部结构图。
图3为本发明第一风管内风机示意图。
图4为本发明专利整体结构中线剖面图。
图5为本发明在冬季使用时人体中截面处的温度分布云图。
图6为本发明在夏季使用时人体中截面处的温度分布云图。
附图中：1为进口、2为出口、3为辐射盘管、4为第一抽吸式轴流风机、5为风管、51为第一风管、52为第二风管、6为第一风机转速开关、7为第二风机转速开关、8为水平送风格栅、9为第二抽吸式轴流风机、10为活性炭过滤器、11为二氧化碳过滤器、12为电加热器、13为个性化送风末端、14为固定板、15为隔板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明的微环境控制装置可以与其他任何形式的送风系统结合，当两者结合使用时，本发明的微环境控制装置为目标控制系统，其余的送风方式均为背景送风系统。
如图1所示，本发明提供一种辐射对流结合的微环境控制装置，该装置包括进口1、出口2、辐射盘管3、第一抽吸式轴流风机4、风管5、第一风管51、第二风管52、第一风机转速开关6、第二风机转速开关7、水平送风格栅8、第二抽吸式轴流风机9、活性炭过滤器10、二氧化碳过滤器11、电加热器12、个性化送风末端13，所有部件用铆钉或螺纹连接为一个整体，连接处使用密封垫和玻璃胶防止漏气。
优选的，辐射盘管3用支架固定到固定板14下段的隔板15上，隔板15与固定板14垂直，并且隔板15与固定板14固定连接，辐射盘管3设置有进口1和出口2，夏季时进口1与冷源连通为辐射盘管3通入冷水，冬季时进口1与热源连通为辐射盘管3通入热水；辐射盘管3通过盘管外表面与人体下半身进行辐射换热，加热/冷却人体下半身。
优选的，辐射盘管3为镀锌铜管。
如图1至4所示，风管5分为第一风管51和第二风管52，第一风管51固定在固定板14下段的隔板15上，并设置在固定板14和辐射盘管3之间，第一风管51又包括竖直矩形风管和水平矩形风管，竖直矩形风管进风口设置辐射盘管3正上方并与隔板15固定连接，竖直矩形风管的出风口与水平矩形风管的进风口连通，水平矩形风管的出风口设置水平桌送风栅格8，水平矩形风管固定在固定板14的下表面。
优选的，竖直矩形风管的进风口与辐射盘管3最上部齐平，竖直矩形风管进风口的宽度大于或等于所述辐射盘管3的宽度。
优选的，竖直矩形风管出风口还连接第二风管52的进风口，第二风管52包括竖直圆风管和水平圆风管，竖直圆风管进风口与竖直矩形风管出风口连通，竖直圆风管进风口处设置有第二抽吸式轴流风机9，竖直圆风管出风口与水平圆风管的进风口连通，水平圆风管的出风口设置个性化送风末端13。
优选的，水平圆风管与所述个性化送风末端13活动连接，实现个性化送风末端13可调节风吹的方向。
优选的，个性化送风末端13采用镀锌钢板并且内置保温棉，个性化送风末端13为渐扩管，个性化送风末端13用于为人员呼吸区送风。
优选的，竖直圆风管内从下到上依次设置有活性炭过滤器10、二氧化碳过滤器11和电加热器12，活性炭过滤器10可对空气中的灰尘与杂质进行过滤，二氧化碳过滤器11可减少通入空气中的二氧化，进一步提高送到人体面部的空气质量，电加热器12可对竖直圆风管内的空气进行加热，进一步提高使用人员头部的热舒适度。
优选的，竖直圆风管与固定板14垂直，竖直圆风管的长度为40cm，本实施例的竖直圆风管通过固定板14上开设的孔洞，实现与固定板14下竖直矩形风管的连接，竖直圆风管和竖直矩形风管采用焊接，并在焊接处打上密封胶，保证不漏风，水平圆风管的长度以具体固定板14的尺寸决定，水平圆风管出风口离人体面部的距离一般在30-45cm。
优选的，竖直矩形风管的进风口处并排设置有3个第一抽吸式轴流风机4，竖直圆风管进风口设置有1个第二抽吸式轴流风机9，第一抽吸式轴流风机4吸入辐射盘管3周围的室内空气，竖直矩形风管内的空气一部分通过水平送风格栅8送入人体腹部区域，另一部分被第二抽吸式轴流风机9吸竖直圆风管内，经过活性炭过滤器10过滤空气中的粉尘并吸附异味，再经过CO2洗涤器11过滤空气中的CO2，进入水平圆风管，最后通过与水平圆风管连接的个性化送风末端13送入人体呼吸区域。
优选的，本发明中辐射盘管3内的热源或冷源与人体周围微环境之间的换热主要包含两个部分，一是通过辐射盘管3外表面与人体下半身进行辐射换热；二是通过第一风管51内的第一抽吸式轴流风机4抽吸辐射盘管3周围空气，通过对流换热降低/提高空气温度，分别送至水平送风格栅8及个性化送风末端13。
优选的，所述风机采用选择符合噪音标准的风机，例如SUNON建准的SF5025AT风机或在风管5内设置消声器，实现风机的无噪化处理。
优选的，在ASHRAE规范中，规定风速大于0.8m/s以上，允许人员自行可以调控风速，本发明中的第一抽吸式轴流风机4和第二抽吸式轴流风机9的转速可调；本发明在固定板14的右侧还设置有第一风机转速开关6和第二风机转速开关7，第一风机转速开关6控制第一风管51内的第一抽吸式轴流风机4的转速，第二风机转速开关7控制圆形风管内第二抽吸式轴流风机9的转速。
优选的，固定板14可为水平固定板，固定板14可为办公桌桌面、书桌桌面、餐桌桌面等；
优选的，风管5采用镀锌钢板，风管5内部设置保温棉；
本发明提供的微环境控制装置的具体控制方法如下：
在夏季，由冷水机组产生的冷冻水由进口1进入辐射盘管3内，由出口2流出辐射盘管3形成冷水循环，辐射盘管3的表面温度降低与人体下半身进行冷辐射换热，竖直矩形风管进风口处安装的第一抽吸式轴流风机4可将辐射盘管3附近的空气吸入竖直矩形风管内，空气在进入竖直矩形风管之前和辐射盘管3发生对流换热，空气温度降低，冷空气进入竖直矩形风管后，一部分进入水平矩形风管并从水平送风格栅8处流出对人体腹部区域进行对流冷却，另一部分被第二抽吸式轴流风机9吸入第二风管52中的竖直圆风管中，依次经过活性炭过滤器10、二氧化碳过滤器11和电加热器12，并进入水平圆风管中最终由个性化送风末端13处流出，由个性化送风末端13流出的风对人体头部区域进行对流冷却，从而对人体周围的微环境进行控制。
在冬季，热水由进口1进入辐射盘管3内，由出口2流出辐射盘管3形成热水循环，辐射盘管3表面温度升高与人体下半身进行热辐射换热，保障人体下半身的热舒适，竖直矩形风管进风口处安装的第一抽吸式轴流风机4可将辐射盘管3附近的空气吸入竖直矩形风管内，空气在进入竖直矩形风管之前和辐射盘管3发生对流换热，空气温度升高，热空气进入竖直矩形风管后，一部分进入水平矩形风管并从水平送风格栅8处流出对人体腹部区域进行对流加热，另一部分被第二抽吸式轴流风机9吸入第二风管52中依次经过活性炭过滤器10、二氧化碳过滤器11和电加热器12，并进入水平圆风管中最终个性化送风末端13处流出，由个性化送风末端13流出的风对人体头部区域进行对流加热，从而对人体周围的微环境进行控制。
优选的，在夏季，若人体头部感觉到过冷，则可打开电加热设备12，对冷风进行升温；当人体头部感觉风速过高时，可通过固定板14上的第二风机转速开关7调节第二抽吸式轴流风机9的转速，降低风速。当人感觉腹部区域风速过大时，通过固定板14上第一风机转速开关6调节第一抽吸式轴流风机4的转速来降低风速。
在冬季，若人体头部由于吹热风感到不适，可以通过固定板14上的风机转速开关7调节个性化送风末端13的送风量来减小不舒适感。同时，可通过控制固定板14上风机转速开关6控制第一抽吸式轴流风机4的转速来控制水平送风格栅8的送风量。
本发明在日常运行时不仅背景空调能耗有所降低，同时最大可能提高不同个体对其微环境的满意程度，提高吸入空气品质，节能健康。
实施例1
根据具体情况在Ansys ICEM软件中建立几何尺寸为长×宽×高的数值计算模型。房间内无外窗，室内有一个发热量为100W的人员，其余负荷均匀设置在六面墙上总热负荷为350W。辐射盘管内径为16mm，外径为20mm，热水进口温度323K，竖直矩形风管长×宽×高，水平矩形风管长×宽×高，第二风管直径8cm，水平送风格栅大小为30cm×8cm。第一风管51出口风速2m/s，第二风管出口风速2.5m/s。
将上述Ansys ICEM软件中完成的建模导入Ansys fluent中进行求解计算，具体如下：采用双方程的Realizable K-epsilon模型对控制方程进行求解，为了更好的模拟热源边界上的产热及气流分布，采用增强壁面函数处理热源边界，不可压缩理想气体模型来考虑浮升力的作用。采用有限体积法对控制方程进行离散，对于离散格式，压力项采用PRESTO！，动量、能量、湍流动能、湍流耗散率采用二阶迎风格式。引入边界条件后采用SIMPLE算法对离散方程进行求解，速度项、压力项小于10-3，能量项小于10-6，控制方程组收敛，从而得到室内温度、风速分布。
图5为本发明在冬季工况使用时人体中截面处的温度分布云图，由云图可以看出，房间温度控制在293K，辐射盘管进口热水温度为323K时，由水平送风格栅送出的风温为298.5K，由个性化送风末端送出的风温为298K。由此可见，采用本发明的微环境控制装置可有效对室内空气进行加热，能保证人体周围的空气温度高于房间的平均温度，对人体周围微环境进行有效的加热，从而保证人体热舒适。本发明在冬季工况使用时，可以降低空调设计温度，采用本发明保证人体周围的热舒适，从而节省空调运行能耗。
实施例2
根据具体情况在Ansys ICEM软件中建立几何尺寸为长×宽×高的数值计算模型。房间内无外窗，室内有一个发热量为100W的人员，其余负荷均匀设置在六面墙上总冷负荷为350W。盘管内径为16mm，外径为20mm，冷水进口温度280K，竖直矩形风管长×宽×高，水平矩形风管长×宽×高，第二风管直径8cm，水平送风格栅为长×高为30cm×8cm。第一风管51出口风速为2m/s，第二风管出口风速为2.5m/s。
将上述Ansys ICEM软件中完成的建模导入Ansys fluent中进行求解计算，具体如下：采用双方程的Realizable K-epsilon模型对控制方程进行求解，为了更好的模拟热源边界上的产热及气流分布，采用增强壁面函数处理热源边界，不可压缩理想气体模型来考虑浮升力的作用。采用有限体积法对控制方程进行离散，对于离散格式，压力项采用PRESTO！，动量、能量、湍流动能、湍流耗散率采用二阶迎风格式。引入边界条件后采用SIMPLE算法对离散方程进行求解，速度项、压力项小于10-3，能量项小于10-6，控制方程组收敛，从而得到室内温度、风速分布。
图6为本发明在夏季工况使用时人体中截面处的温度分布云图，由云图可以看出，房间温度控制在297K左右，辐射盘管进口温度为280K时，水平送风格栅出口及个性化送风末端出口的温度为294K，表明采用本发明可对房间内的空气进行有效的降温，保证人体周围微环境的温度低于房间设计温度。因此，本发明应用于夏季工况时，可以提高房间的设计温度，再配合本发明使用时，能保证人体的热舒适性，达到节约空调运行能耗的目的，同时下部冷盘管和人体下半身主要进行的是辐射换热，没有吹风感。

Claims (10)

1.一种辐射对流结合的微环境控制装置，其特征在于，包括辐射盘管(3)、风机和风管(5)，其中所述辐射盘管(3)固定设置在固定板(14)下，所述风管(5)包括第一风管(51)和第二风管(52)，所述第一风管(51)设置在所述辐射盘管(3)和固定板(14)之间，所述第二风管(52)设置在固定板(14)上方，所述第二风管(52)与所述第一风管(51)连通，所述第一风管(51)和所述第二风管(52)进风口均设置有风机，所述辐射盘管(3)的进口(1)与冷源或热源连接。
2.根据权利要求1所述的一种辐射对流结合的微环境控制装置，其特征在于，所述辐射盘管(3)固定在固定板(14)下的隔板(15)上，所述隔板(15)与所述固定板(14)垂直并固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种辐射对流结合的微环境控制装置，其特征在于，所述第一风管(51)包括竖直矩形风管和水平矩形风管，所述竖直矩形风管固定设置在所述辐射盘管(3)正上方，所述竖直矩形风管出风口与所述水平矩形风管进风口连通，所述水平矩形风管固定设置在所述固定板(14)下表面，所述水平矩形风管用于为人员腹部位置送风。
4.根据权利要求3所述的一种辐射对流结合的微环境控制装置，其特征在于，所述竖直矩形风管的进风口与所述辐射盘管(3)顶部齐平，所述竖直矩形风管进风口处安装第一抽吸式轴流风机(4)，所述水平矩形风管的出风口设置有水平送风格栅(8)。
5.根据权利要求1所述的一种辐射对流结合的微环境控制装置，其特征在于，所述辐射盘管(3)为镀锌铜管，所述第一风管(51)采用镀锌钢板，所述第一风管(51)内部设置保温棉。
6.根据权利要求1所述的一种辐射对流结合的微环境控制装置，其特征在于，所述第二风管(52)包括竖直圆风管和水平圆风管，所述竖直圆风管进风口与所述第一风管(51)出风口连通，所述竖直圆风管进风口处设置有第二抽吸式轴流风机(9)，所述竖直圆风管出风口与所述水平圆风管的进风口连通，所述水平圆风管的出风口设置个性化送风末端(13)，所述个性化送风末端(13)用于为人员呼吸区送风。
7.根据权利要求6所述的一种辐射对流结合的微环境控制装置，其特征在于，所述竖直圆风管中从下到上依次设置有活性炭过滤器(10)、二氧化碳过滤器(11)和电加热器(12)；所述水平圆风管与所述个性化送风末端(13)活动连接，所述个性化送风末端(13)采用镀锌钢板并且内置保温棉，所述个性化送风末端(13)为渐扩管。
8.根据权利要求1所述的一种辐射对流结合的微环境控制装置，其特征在于，所述风机的转速可调，所述风机用于控制风管的送风量。
9.一种辐射对流结合的微环境控制装置的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
夏天时，冷源通过进口(1)进入辐射盘管(3)，所述辐射盘管(3)与人体下半身进行辐射换热；风机将辐射盘管(3)附近的冷空气吸入第一风管(51)中，一部分冷空气从第一风管(51)中流出冷却人员腹部区域，另一部分冷空气被风机吸入第二风管(52)中，冷空气从第二风管(52)中流出冷却人员头部区域；
冬天时，热源通过进口(1)进入辐射盘管(3)，所述辐射盘管(3)与人员下半身进行辐射换热；风机将辐射盘管(3)附近的热空气吸入第一风管(51)中，一部分热空气从第一风管(51)中流出加热人员腹部区域；另一部分热空气被风机吸入第二风管(52)中，第一风管(51)中的热空气流出加热人员头部区域。
10.根据权利要求9所述的一种辐射对流结合的微环境控制装置的控制方法，其特征在于，当第一风管(51)和第二风管(52)流出的冷空气使人员感觉不适时，调节风机的转速降低风速；当第二风管(52)中还设置有电加热设备，第二风管(52)流出的冷空气的温度使人员感觉不适时，通过电加热设备为冷空气加热。
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