毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)的特點及前景

蔣露 李莉

我國一般民用建筑如酒店、辦公樓、醫(yī)院等,空調(diào)能耗已占50%以上。隨著近幾年能源危機的出現(xiàn),以及全球問題的日益嚴重,人們越來越關(guān)心我們賴以生存的地球。

在空調(diào)領(lǐng)域內(nèi),低能耗的供冷技術(shù)成為重要課題,從自然環(huán)境中直接得到冷量、不消耗或少消耗能源的輻射供冷加新風系統(tǒng)在國內(nèi)外科技界得到廣泛研究。輻射供冷系統(tǒng)可以利用自然界中本來就存在的制冷循環(huán),與現(xiàn)有空調(diào)送風技術(shù)相結(jié)合,既節(jié)約能源又沒有污染,符合當今節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的趨勢。

1 毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)

1.1 何謂毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)

毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)由毛細管輻射供冷系統(tǒng)和獨立新風系統(tǒng)組成,獨立新風系統(tǒng)承擔室內(nèi)全部潛熱負荷和部分顯熱負荷,毛細管輻射供冷系統(tǒng)承擔其余顯熱負荷,也就是將室內(nèi)空氣品質(zhì)與熱環(huán)境分開考慮,獨立新風系統(tǒng)保證室內(nèi)的空氣品質(zhì),毛細管輻射供冷系統(tǒng)維持室內(nèi)的熱環(huán)境。

1.2 毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)的組成

1)毛細管。毛細管是由直徑為3 mm～4 mm的塑料管并排組合而成,毛細管兩端接直徑20 mm左右的集、分水管。為了避免毛細管表面結(jié)露,毛細管的進水溫度一般至少比室內(nèi)空氣的露點溫度高1℃～2℃[2]。毛細管平面空調(diào)夏季供回水溫度為18℃/20℃;制冷量為 70 W/m2～90 W/m2。冬季供回水溫度為32℃/28℃;制熱量為 100 W/m2～150 W/m2。2)除濕新風機。為了確保室內(nèi)毛細管工況運行,除濕新風機的出風溫度必須控制在14℃以下。當出風口在頂板或靠近頂板墻面安裝時,能有效提高毛細管表面空氣流動速度,提高對流換熱量,加快制冷速度。3)冷源。由于毛細管要求的供水溫度為18℃,獨立新風系統(tǒng)要求的供水溫度為7℃,從節(jié)能和環(huán)保角度出發(fā),冷源的最佳選擇是土壤熱泵。在夏季供冷時,地下?lián)Q熱系統(tǒng)可以直接向毛細管提供冷水,進行直供,土壤熱泵機組只承擔獨立新風系統(tǒng)負荷,這樣可達到最佳的節(jié)能效果。4)全熱交換器。通過室內(nèi)外雙向換氣,進、排風等量置換,抑制了室溫變化,從而保證室內(nèi)空氣品質(zhì)。使用全熱交換熱回收芯體,可被吸熱和放熱,熱回收率約70%,空調(diào)能量在排風轉(zhuǎn)到新風中回收,實現(xiàn)高效節(jié)能,如圖1所示。5)自動控制系統(tǒng)。毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)必須配置自動控制系統(tǒng),控制的對象有:毛細管和新風機組的進出口溫度、冷水水量,室內(nèi)干球溫度、室內(nèi)露點溫度等。

1.3 毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)由毛細管輻射供冷系統(tǒng)、獨立新風系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。以毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)與土壤熱泵機組相結(jié)合使用為例,其原理圖如圖2所示。

1)毛細管輻射供冷系統(tǒng)工作原理:毛細管輻射供冷系統(tǒng)由土壤熱泵機組1,地下?lián)Q熱器9和毛細管平面末端2組成。土壤熱泵機組1把地下?lián)Q熱器9與土壤換熱后所得的冷水(熱水)送至毛細管平面末端2與室內(nèi)進行熱量交換,再把熱量交換后所得的熱水(冷水)送回地下?lián)Q熱器9,實現(xiàn)夏季供冷、冬季供熱的目的。2)獨立新風系統(tǒng)工作原理:獨立新風系統(tǒng)由送風口5、回風口6、熱回收裝置4和除濕新風機3組成。室內(nèi)回風經(jīng)回風口到熱回收裝置4后,置換出冷量(熱量)排出室外。室外新風經(jīng)由熱回收裝置 4吸收冷量(熱量)后,送至除濕新風機 3進行除濕,由送風口5送入室內(nèi)。3)控制系統(tǒng)工作原理:帶溫度控制系統(tǒng)的熱泵機組,可保證各個房間的供水溫度符合設計值。

2 毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)的特點

2.1 毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點

1)環(huán)境舒適、衛(wèi)生。由于毛細管平面空調(diào)的管道可以敷設于整個房間頂板和壁面,其60%的換熱量通過輻射形式進行傳遞,40%的換熱量通過對流方式進行傳遞,因此室內(nèi)溫度均勻,梯度合理。美國、日本、歐洲的研究測試表明,輻射供冷能在夏季降低圍護結(jié)構(gòu)表面溫度,加強人體輻射散熱份額,所以毛細管平面空調(diào)具有其他空調(diào)末端裝置無法相比的高舒適性。與風機盤管相比,毛細管平面空調(diào)沒有冷凝水排水不暢造成細菌滋生、漏水等問題,室內(nèi)空氣衛(wèi)生,空氣品質(zhì)高;此外,毛細管平面空調(diào)沒有吹冷風的感覺,不存在“空調(diào)病”,以及使用分體式空調(diào)時室內(nèi)機噪聲的問題,是最為靜音的空調(diào)系統(tǒng)。2)節(jié)能。以輻射為主的毛細管平面空調(diào)在設計時,夏季室內(nèi)設計溫度可以比常規(guī)系統(tǒng)高1℃～2℃,冬季室內(nèi)設計溫度可以比常規(guī)系統(tǒng)低1℃～2℃。毛細管平面空調(diào)的夏季供水溫度為18℃,冬季的供水溫度為32℃,而風機盤管系統(tǒng)的夏季供水溫度為7℃,冬季供水溫度為60℃。由此可見,室內(nèi)外設計溫差的減小,以及相對較高的夏季供水溫度和相對較低的冬季供水溫度,都意味著能源消耗的減少,全年運行費用比常規(guī)“風冷冷水機組+電/燃氣鍋爐+風機盤管系統(tǒng)”可節(jié)省60%～70%。毛細管平面空調(diào)可與各種形式的冷、熱源配套使用,尤其是和土壤熱泵系統(tǒng)配套使用,更具有其他系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。3)節(jié)省使用空間。當在100 m2的住宅采用散熱器采暖時,散熱器將占2 m2左右的有效使用面積,且上下立橫管諸多,給建筑裝修、裝飾帶來諸多不便,也影響設備、家具的擺放。毛細管平面空調(diào)和建筑物構(gòu)造相結(jié)合,地面上無任何管道設備,不占用室內(nèi)和地面有效空間,這不僅節(jié)省為裝飾散熱器及管道設備所花的費用,同時增加了1%～3%的居室有效使用面積。而與風機盤管系統(tǒng)相比,毛細管平面空調(diào)無需吊頂,減少了人的空間壓迫感。4)輻射換熱量自動調(diào)節(jié)。當太陽直射輻射量增大時,地板或房間壁面內(nèi)表面溫度升高,室內(nèi)輻射負荷加大,由于輻射熱交換與表面絕對溫度四次方之差成單調(diào)增減的函數(shù)關(guān)系,這就將大幅度提高毛細管輻射空調(diào)與房間圍護結(jié)構(gòu)其余表面的輻射換熱量,實現(xiàn)輻射換熱量的自動調(diào)節(jié)[3]。5)使用壽命長,安全可靠,不易滲漏。毛細管平面空調(diào)使毛細管按一定間距固定在頂板或墻面上,管子無接頭,兩端與集、分水管連接。運行時,管內(nèi)水流速度平穩(wěn),水溫不高,內(nèi)壁光滑不易結(jié)垢,無化學反應,安全可靠。毛細管的正常使用壽命為50年,是普通鋼管使用壽命的1.5倍以上,與一般建筑物的設計使用壽命一樣。6)可利用低溫熱源。由于毛細管平面空調(diào)相對較高的夏季供水溫度和相對較低的冬季供水溫度,可直接或間接利用各種工業(yè)余熱、太陽能、地下水或其他低溫能源,節(jié)約煤、油、氣等有限的不可再生資源,并能減少廢氣、廢物排放,減輕環(huán)境污染。

2.2 毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)的缺點

1)當毛細管敷設在墻體上時,由于室內(nèi)家具及其他物品的布置對墻體的遮擋,會影響毛細管平面空調(diào)的熱量交換,從而影響室內(nèi)熱環(huán)境;而當毛細管只敷設在頂板上就能滿足室內(nèi)換熱量時,則不會出現(xiàn)上述影響。2)毛細管平面空調(diào)的熱反應速度較慢。由于毛細管平面空調(diào)采用輻射和自然對流換熱,因此比風機盤管等系統(tǒng)的強迫對流換熱的熱反應速度慢。3)維修性較差。毛細管平面空調(diào)屬隱蔽性工程,一旦毛細管滲漏,維修難度較大,需要專業(yè)人員用專業(yè)設備查漏和修復。4)由于毛細管本身不能除濕,因此室內(nèi)的濕負荷需配備獨立的除濕設備[4]。

3 毛細管平面空調(diào)系統(tǒng)的應用前景

新型非金屬管材的開發(fā)引進和節(jié)能建筑的出現(xiàn),為毛細管平面空調(diào)技術(shù)的日益完善和迅速發(fā)展創(chuàng)造了條件。這些年,由于各種新型非金屬管材的開發(fā),使毛細管平面空調(diào)技術(shù)的開發(fā)成為可能。又由于節(jié)能建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)相對較小,因此建筑本身的熱量交換相對減少,所以毛細管平面空調(diào)很容易達到所要求的設計工況,這樣就更能顯示出優(yōu)越性,是一種具有發(fā)展前途和推廣價值的空調(diào)系統(tǒng),并已成功在北京可持續(xù)科技促進中心、北京王府家庭農(nóng)場、上海建科院生態(tài)住宅示范樓等建筑中應用。

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[3] 王子介.低溫輻射供暖與輻射供冷[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[4] 周 鵬,李強民.置換通風與冷卻頂板[J].暖通空調(diào),1998(5):1-5.