屏式供暖和制冷技術 (上)

周子成

1 引言

屏式供暖和制冷系統是一種應用于房間空調中的專門系統。在北美、歐洲、日本、韓國等已有30余年的使用歷史,在20世紀90年代,西歐國家地板供暖已占20%～50%。近年來,由于地源熱泵和空氣源熱泵的發展,特別是二氧化碳熱泵能提供高溫熱水和制熱性能系數高的優點,以及清潔能源太陽能的應用日益普及,屏式供暖在我國北方寒冷地區地板供暖中的應用日趨廣泛。

屏式供暖和制冷的特點是它與空調房間進行熱交換的換熱器盤管做成一個屏狀,埋在墻內、地板內或天花板內。盤管內流動的可以是熱泵機組的冷水或熱水、制冷劑等,也可以用電熱管等發熱元件做成供暖用換熱器屏。熱量通過輻射、對流和傳導方式傳遞。如果有50%以上的熱量是通過輻射換熱方式在屏和房間內的空氣及物體之間傳遞,這個屏稱為輻射屏,這時的換熱方式稱為輻射換熱。

通常天花板供暖屏表面的溫度限制在不超過150℃。當屏式系統用作制冷時,室內空氣的露點溫度必須保持低于屏的表面溫度,以免屏表面結露。

屏式供暖和制冷系統也可和其他型式房間空調設備聯合使用,如分體掛壁式、柜式、天花吊頂式、單元式、風機盤管等空調機組,這種系統稱為混合空調系統。

屏式供暖和制冷有以下優點:

(1)舒適性好。由于室內空氣溫度和平均輻射溫度都能控制,能更好地滿足人體的熱舒適要求。并且室內空氣是自然對流,通常在供暖時人體腳部較暖、頭部較涼時會感到更舒適,地板輻射供暖的房間溫度分布是地板處較暖,離地板遠處較涼,符合人體舒適要求。另外,由于屏結構、墻、地板、天花的蓄熱作用,房間內溫度升降緩慢,溫度波動小,因此舒適性很好。

(2)節能。在地板供暖時載熱劑水溫較低,與傳統供暖方式相比,熱損失較小,與風管系統相比,消除了空氣的滲入和滲出,傳熱損失小,因此節能。供暖時比常規方式節能20%～30%,制冷時比常規方式節能28%～40%。

(3)清潔。沒有空氣強制流動所夾帶的灰塵。

(4)健康。沒有強制通風,開門和開窗時熱損失較小,可以經常開窗通風。

(5)無噪聲。由于室內空氣自然對流,沒有空氣流動噪聲。房間內十分安靜。

(6)可靠。屏很少需要維修。

(7)房間內空氣的滲漏小。僅是室內換氣需要補充空氣。沒有像強制通風那樣由于傳遞熱量需要的大量空氣循環。

(8)地板空間可以100%利用。沒有空調設備在地板空間,清潔性好。窗可自由安裝在室內任何位置。

(9)地板供暖和制冷時溫度均勻,沒有局部熱點或冷點。

(10)當使用四管系統時,可同時供暖和制冷。不需要季節性轉換。

屏式供暖和制冷的缺點是:

(1)室內熱負荷或冷負荷變化需要調節時,響應速度慢。

(2)當屏的尺寸不合適、盤管安裝空間或容量不足時,屏表面溫度不均勻。

(3)建筑材料選擇、地板覆蓋物、家具的安放等會受一定的限制。

(4)房屋及設備翻新、重新設計時,成本會較高。

2 屏式供暖和制冷系統的種類

2.1 液體屏

(1)液體天花屏

液體天花屏通常是由供暖和制冷系統的換熱盤管和金屬天花屏表面組合在一起。流體可以是水或制冷劑。液體天花屏具有熱阻低和空間調節變化響應速度快的優點。

通常天花屏是一個有許多孔的懸掛金屬板組成吸聲天花板,裝在房間頂面的局部或全部。這些天花屏系統通常設計在建筑物內,懸掛的聲學天花板能聯合屏的供暖或者制冷。屏設計成小單元的模塊去適應建筑物的需要。某些天花安裝要求用屏去覆蓋室內天花中的一部分面積,其余的天花面積設計成吸聲屏。

圖1表示了一個輕金屬鋁屏,通常設計成面積為300mm×600mm的模塊,以適應建筑物的需要,鋁屏與直徑15mm的一組鍍鋅盤管側面相緊貼。鋁天花屏用夾子固定到這些盤管上,盤管與38mm的方形聯管相連接。當作為供暖屏時,管內流過熱水,當作為制冷屏時,管內流過制冷水。盤管上方設有熱覆蓋層,以阻止向上散熱。

圖1 金屬天花屏夾在橫向支管上

圖2表示了用銅管卡緊在一個鋁薄板表面上的模塊化結構。模塊化屏設計用于最大尺寸910mm×1520mm,并可固定在不同形式天花懸掛系統上,典型的是一種標準T條形格柵支撐600mm×1200mm鋁板懸掛系統。

圖2 金屬天花屏與銅管的結合

在金屬天花屏鋁板上通常打有許多孔,在屏背面設置吸聲毛毯材料,使天花屏成為吸聲,同時也起到隔熱作用。

圖3表示了帶銅管的整體鋁擠壓屏。鋁板通過模壓加工成輻射屏,銅管嵌在鋁板背面的槽內。這種擠壓屏幾乎能夠制造成任意需要的形狀和尺寸。通常做成狹長屏,用在靠近外墻并且是獨立的天花屏系統。常用的屏寬在380mm或510mm,長度在6m以下。適用于典型辦公室建筑供暖需要。

圖3 帶銅管的整體鋁擠壓屏

(2)液體墻屏

液體墻屏通常是將供暖和制冷系統的換熱管埋在墻內。管內流動的是熱水 (供暖時)或制冷水(制冷時)。它沒有地板屏和天花屏使用廣泛。

(3)液體地板屏

地板輻射供暖已越來越受到人們的興趣。通常盤管布設在地板中距離中心100mm到300mm的面積中,使用熱塑料、橡膠、含鐵和不含鐵管或合成管 (如鋁熱塑套管)做成連續彎曲的或由集管并聯的盤管,埋在混凝土地板里。管上面通常有40到100mm的覆蓋物。周邊和背面有保溫材料,以便降低熱損失。保溫材料外面有防水層。

圖4表示了埋在水泥或石膏中的管結構。當使用木地板時,埋入材料的厚度通常是25mm到50mm。專門設計用于地板供暖的石膏產品通常可安裝25mm到40mm厚,它的柔韌性和抗破裂性比水泥好。當使用水泥時,應選用優質結構以便降低由于木架移動或收縮造成的裂縫。埋入材料必須具有堅硬的、平整的光滑表面,以便能適應多種地板覆蓋物。

圖4 在薄的板中的埋管

圖5表示了一種盤管安裝在底層地板里面的結構。盤管安裝在底層地板間的桁架上,通過增加金屬傳熱板將熱量傳熱給拋光地板下面,提高了熱擴散和表面溫度的均勻性。

圖5 底層地板下的管

圖6是將盤管安放到底層地板下面的結構,可以帶金屬傳熱板或者不帶金屬傳熱板。

地板供暖或制冷時,盤管可均勻布置在室內地板全部面積上,也可根據需要布置在局部面積上,或在需要的地區布置得密一些。圖7是四種布置的例子。

2.2 空氣屏

空氣屏是由循環流動的空氣流過地板、墻、天花板的傳熱內表面。空氣是在封閉系統內循環,或者是全部或部分空氣從屏流出后再流過室內空間,以便提供進一步的附加加熱和通風。圖8表示了一種常用的結構型式。

圖8 暖空氣地板屏結構

圖9是一種用于多孔金屬地板和透氣地毯的空氣—供暖或空氣—制冷屏結構。一部分空氣通過穿孔的金屬甲板散流進入室內調節空間。另外還可以在地板屏的背面安設附加的液體管或電加熱元件,能獨立控制顯熱和潛熱負荷。

圖9 部分空氣散流進入室內調節空間的流體屏結構

2.3 電熱屏

電熱屏是由電熱元件安裝在天花板、墻或地板里面構成。工作時電能轉換成熱量,用作房間供暖。它的結構和控制相對比較簡單,但耗能較大,能效較低,因此只用在某些特殊需要的場合。

(1)電熱天花屏

預制的電熱天花屏適用于尺寸為 300到1800mm寬、600到3600mm長、13到50mm厚。它們是用金屬、玻璃、或半硬的玻璃纖維板或乙烯樹脂板構成。加熱表面溫度范圍從40℃到150℃,相應的熱流范圍從270到1100W/m2。

埋入電阻絲的灰泥屏可作為天花的一部分或與天花接觸相聯結,熱流不超過240W/m2,表面溫度不超過40℃。

圖10是一種懸掛電熱天花屏的結構。

圖10 電熱天花屏

(2)電熱地板屏

電熱電纜組件有時用于混凝土地板供暖系統,如使用在天花屏那樣。由于在混凝土地板中安裝電纜損壞的可能性比天花屏大,這些組件必需小心安裝。在電纜放置好后,直到混凝土層灌注完和凝固以前,地板上面不能走人和安置或移動物件。

當地板供暖使用PVC-護套電加熱電纜時,鋪設混凝土厚板通常采用兩次澆注。第一次澆注應至少78mm厚,且應采用保溫混凝土以便能降低向下的熱損失。層與層之間應采用合適的粘結,成品混凝土板應在第一次澆注24小時內放置。用一層薄泥漿粘結。最后一層應是40到50mm厚。這一頂層必須不是保溫混凝土。周圍應至少有25mm隔熱,如圖11。

電纜是安裝在澆灌的第一層混凝土頂面上,距離相鄰墻不小于50mm。電纜固定在混凝土里的方法有下面幾種:

1)用木釘固定器將電纜固定在粗糙的混凝土表面。涂抹水泥,再在兩者之間抹上灰泥,或用帶條保持電纜間距。

圖11 在水泥厚板中的電加熱屏

2)在輕的或未固化的水泥中,用手工操作或用打釘機將電纜直接釘在混凝土上。

3)當頂層澆灌時,用專用的扣釘設備將電纜固定到第一層混凝土里,使電纜定位。

在連續澆灌中將預制的墊埋在混凝土中。墊被安放在膨脹和/或結構連接以及電纜聯接到接頭匣的面積中。在最后一層澆灌40到50mm的混凝土。將毛面整平并安放墊,并立即裝上帽蓋。

電熱電纜能用一次澆灌或兩次澆灌埋在混凝土板內。當采用一次澆灌時,開始澆灌前先將電纜固定在鋼筋頂部。當采用兩次澆灌時,電纜是放在底層結構板的頂部,并且埋在最后一層。電纜引線間的合適間距是用預先打孔的銅間隔條釘到下層混凝土板里將其定位。

(下期待續)