節能生態型蒸發冷卻——輻射空調系統在住宅建筑應用探討

鄭小麗,黃 翔,殷清海

(西安工程大學,環境與化學工程學院,陜西,西安,710048)

0 引言

中國目前30%左右的能耗來自建筑,而就其量而言,住宅建筑占據的比例最大。因此要減少建筑能耗,首先應先考慮住宅建筑中的節能問題。首先住宅建筑能耗包含諸多方面,其中最主要的是建筑的空調能耗。據有關資料,在我國建筑能耗中,供暖和空調的能耗所占的比例均在60%以上。因此,解決我國能源消耗大的問題,首先應減少住宅建筑中的空調能耗。

蒸發冷卻結合輻射空調這一空調系統形式完全符合我國節能減排的要求。蒸發冷卻作為一項綠色環保的制冷技術,充分利用西北地區干空氣這一可再生清潔能源,廣泛應用在我國新疆、西藏、青海、寧夏、甘肅、內蒙古、陜西、云南等氣候干燥地區,從而達到節能的目的。輻射空調通過降低或升高圍護結構一個或多個內表面的溫度,依靠其與人體、家具及其余圍護結構表面的輻射熱交換進行供冷或供暖[1],是一種節能的空調方式。本文主要介紹兩者結合所能達到的效果。

其次,根據住宅建筑空調系統另一重要特點——人體舒適性要求,必須考慮空調系統對人體舒適性要求的適用情況。

蒸發冷卻——輻射空調系統同樣可以提高人體舒適性。近年來輻射作為一種新型的控制顯熱的空調方式已經得到了廣泛的應用,具有傳統空調方式無法比擬的優點(1)。輻射空調滿足人體熱需求,但無法給出新風。蒸發冷卻技術則克服這一缺點,一方面制取輻射空調所需的高溫冷水,另一方面,把室外的新風經過熱濕處理后送到室內,滿足人體對新風的需求。

本文將著重介紹蒸發冷卻—輻射空調系統在住宅建筑的必要性及特殊優點。

1 住宅建筑的特點

住宅建筑包括住宅、公寓、老年人住宅、底商住宅等,主要活動對象是人。據資料知,人在住宅中活動的時間最長,一般人在住宅中度過三分之二的時光。居住環境的質量與人的生活息息相關(2)。

基于此,民用建筑空調系統的設計,首先要考慮人體的舒適性要求。人體熱平衡是達到人體熱舒適的必要條件。據研究,當人體達到熱平衡狀態時,對流換熱量占總散熱量的25%～30%,輻射換熱量占45%～50%,呼吸和有感覺的蒸發散熱量占25%～30%[2],能滿足這種適宜換熱比例的環境則是達到人體熱舒適的充分條件。

其次,結合國家關于建筑節能的條例,應盡量減少住宅建筑的能耗。住宅建筑是建筑數量最多的建筑類型,其能耗的數量直接關系到整個建筑的能源消耗多少。

目前國家對建筑節能的要求相當迫切,要求2010年所有城鎮建筑要有50%的節能率,特大城市和部分城市率先達到65%;2020年時城鎮建筑節能全部要達到65%。因此,在住宅建筑中,找出節能環保的空調系統迫在眉睫。

考慮住宅建筑的人體舒適性要求和節能性要求,找出同時滿足這兩項要求的空調系統更加必要。

2 蒸發冷卻技術

蒸發冷卻空調以水作為制冷劑,是一項綠色環保的制冷技術,堪稱 “零費用制冷技術”。其單級直接蒸發冷卻、間接加直接的兩級蒸發冷卻以及兩級間接加直接的三級蒸發冷卻空調形式完全滿足西北等干熱地區舒適性空調要求[3],可實現等濕降溫和等焓降溫兩個過程。如圖1、2所示。

現場實測和實驗結果表明,與一般的傳統空調相比,間接蒸發冷卻在炎熱干燥地區可節能80%～90%,在炎熱潮濕地區可節能20%～25%,在中濕度地區可節能40%,大大減低了空調制冷能耗。采用蒸發冷卻空調具備以下優點:

1)蒸發冷卻空調以水作為制冷劑,能減少溫室氣體和CFCs的排放量。

2)蒸發冷卻空調借助于環境空氣中的干球溫度與露點溫度差,通過水與空氣之間的熱濕交換來獲取冷量,取代了壓縮機,能大幅度降低用電量和用電高峰期對電能功率的要求。

3)可以采用全新風,大大提高室內空氣品質。

4)初投資低 (約為傳統機械制冷空調的1/2),運行能耗小 (約為傳統機械制冷空調的1/5)。

由此可以看出,蒸發冷卻空調符合國家節能減排的政策,因此,蒸發冷卻技術可廣泛應用于居住建筑和公共建筑。

3 輻射空調的優缺點

目前,輻射空調技術在我國得到快速的發展。由于其舒適性強、無噪音、無吹風感、熱濕單獨處理以及節能的特點,這一形式得到較快推廣。

輻射空調具有諸多優點。首先,舒適性強。輻射空調在夏季通過降低/提高維護結構的表面溫度,增加了人體輻射換熱量,提高了舒適性。同時,輻射空調無噪音,無吹風感,給人以安靜舒適的室內環境。

其次,能夠有效的節約能耗,通常認為輻射空調比常規空調系統節能28%～40%。同時,由于冷媒溫度高,可利用低品質的能源,如地能、太陽能和蒸發冷卻技術,進行能源的梯級合理利用,節能效果明顯。并且在滿足人體同等舒適感的條件下,采用輻射空調比傳統空調方式能耗減少10%～20%,甚至更多。

然后,避免風道占地空間大,有效地節約室內占用面積。有的可用于改造項目中,簡單、易安裝、美觀。埋管式地板輻射系統和毛細管輻射系統的輻射板單位面積換熱量更適合居住建筑,特別是節能型高檔居住建筑。并且輻射空調結合新風機組送的干燥新風,改善室內環境衛生,提高降溫效果。

然而,輻射空調同樣存在以下弊端:

第一,當表面溫度低于空氣的露點溫度時。會產生結露,影響室內衛生條件,同時露點溫度的限制,會影響人體的舒適感,限制了供冷能力;

第二,在潮濕地區,室外空氣進入室內有可能會結露,因此要關緊門窗,影響通風;

第三,不同時使用風系統時,室內空氣流速太低,如果溫度達不到要求,更增加產生悶熱感[4]。

針對以上缺點,輻射空調應結合某種送風形式來克服這些缺點。

4 置換通風

置換通風在北歐國家應用廣泛,它最早使用在工業廠房來解決室內污染物控制問題,近年來,隨著民用建筑室內空氣品質問題的日益突出,置換通風方式的應用轉向民用建筑[5]。

置換通風是基于空氣的密度差形成的熱氣流上升而冷氣流下降的原理,目的是保持人員活動區的溫度和濃度符合設計要求。具有以下顯著特點:1)有效改善環境舒適性。2)能夠有效的節能,夏季的送風溫度比常規方式的高,過渡季節能利用新風供冷的時間較常規方式要長,使機組運行時間相對短。當用于典型辦公建筑中,可進一步節約能源。3)在室內的布置位置比較靈活,且減小風道所需空間,建筑面積使用率提高。

5 三種節能技術的集成

5.1 可行性

1)西北地區特殊的氣候條件,為蒸發冷卻技術的使用提供了優越的條件。與太陽能、風能一樣,干燥空氣作為一種可再生的清潔無污染制冷空調能源,在我國廣闊的西北等干旱地區,取之不盡、用之不竭。蒸發冷卻正是利用這一 “干空氣能”進行空氣調節,并且有一定發展,得到專業認可,認為蒸發冷卻空調應該成為全球40%的地區空調的主導方式,是這些地區空調的未來。

2)置換通風的送風溫度一般較傳統混合通風的送風溫度高,而蒸發冷卻空調處理后的空氣溫度剛好能滿足這一范圍。同時,置換通風對所提供的空氣品質要求較高,而蒸發冷卻技術恰恰可滿足“全新風”和高品質新風的需要,這些都為置換通風與蒸發冷卻技術的結合創造了 “天然的”條件。

3)輻射空調與置換通風結合的形式充分發揮各自功能,滿足住宅建筑中人體對熱環境及新風量的需求。歐洲就大量使用輻射空調—置換通風。

綜上,正是由于蒸發冷卻、輻射空調、置換通風各自的特點,以及與西北地區特殊天然環境的結合,為其在西北地區住宅建筑中的應用提供條件。

5.2 必要性

5.2.1 三者各自存在著不可避免的缺陷

(1)蒸發冷卻一般情況下實現等濕降溫和等焓降溫兩個過程,被處理空氣最大降溫到空氣的露點溫度,從而決定蒸發冷卻的溫降是有限的。當空調區需要大溫差送風時,蒸發冷卻的節能優勢就會削弱。另一方面,有限的溫降會引起風量的增加,導致 “巨形”風管的出現,從而不適合層高有限的建筑空調采用集中式蒸發冷卻空調系統。并且由于集中式蒸發冷卻空調系統風道占地空間大、無法實現空調區分室、分時控制、在層高較低的高層建筑中使用受限等缺點。單獨蒸發冷卻空調的應用受到限制,效果不佳。

(2)單獨采用輻射空調往往存在系列問題。首先當單獨采用輻射空調時,在供水溫度過低或室內濕度過大時,易結露。為了避免結露,冷輻射板的溫度必須大于室內空氣的露點溫度,此時冷輻射板承擔室內冷負荷的能力將受到削弱,在一定程度上限制了供冷能力,不能滿足室內冷負荷的要求。其次,單獨采用輻射空調室內沒有新風進入,影響室內空氣環境質量,影響人體舒適性,在住宅建筑的應用受限制。

(3)單一的置換通風形式雖然在高大建筑應用中,能夠充分發揮其室內熱力分層帶來的節能效益,但是在住宅建筑中,由于層高較低,排風與送風的溫度差值不是很大,使得這一特點并不明顯。其次,置換通風能夠消除的最大冷負荷為 30～40W/m2,在當前智能化大樓日益普及的情況下,隨著各種辦公設備如計算機、復印機、打印機以及照明設備的增多,室內冷負荷有越來越大的趨勢,單純的置換通風已經無法滿足負荷要求。

5.2.2 住宅建筑的舒適性要求 近年來,隨著人們生活水平的提高,人們對住宅建筑的舒適性要求也逐漸苛刻?，F在,人們關注的不再僅僅只是熱感受,還要求室內空氣品質高。

目前,室內空氣污染也極為嚴重,據有關資料介紹,室內污染程度約為室外污染的5～10倍。采用傳統的空調,室內空氣不斷循環,有害人身體健康。另外,傳統空調造成的新風量不足,由此引發的 “病態建筑綜合癥” (俗稱空調病)及 “建筑相關疾病”(如軍團病等)對人的健康影響是慢性的、潛在的和可能發生的,已引起人們的關注。正是由于傳統空調形式對室內空氣品質的不利影響,人們迫切需要一種新型的環保的空調系統。而蒸發冷卻—輻射空調系統剛好是這樣一種空調。

利用西北地區得天獨厚的干燥氣候條件[5],以蒸發冷卻為天然冷源的蒸發冷卻與地板輻射空調相結合技術尤其適合在西北炎熱干燥的氣候中使用,其應用前景十分廣闊[6]。

蒸發冷卻機組制取新風,通過置換通風裝置送到室內,輻射空調通過對流和輻射方式來消除顯熱負荷,其盤管中通常通16～18℃的冷水來冷卻,承擔室內顯熱負荷,蒸發冷卻機組制取的新風承擔室內潛熱負荷和部分顯熱負荷。

在這個系統中,完全采用室外新風,經過熱濕處理后,通過置換通風裝置通入室內,滿足人體對新鮮空氣的需求。輻射空調則主要消除室內顯熱負荷,滿足人體熱平衡的需要。這種復合空調系統室內溫度場比較均勻[7]。結果表明,在中濕度地區,當供水溫度19℃,置換通風溫度17℃時,0.1～1.1m高度最大溫差小于2℃,1.1m高度室內溫度26～26.5℃,0.1～1.1m高度室內溫度梯度小于2℃/m,1.1～2.7m高度室內溫度梯度小于1℃/m,室內空氣相對濕度為53.3%～65.4%,溫、濕度均滿足熱舒適性要求[7]。

5.2.3 住宅建筑節能性要求 目前,國家對建筑節能的要求日益迫切,住宅建筑必須實現低能耗標準。同時,國家還提出2020年單位GDP碳排放比2005年減少40%到45%,這就要求住宅建筑必須采用環保高效的空調系統。

蒸發冷卻—輻射空調系統恰好相應這一政策。首先蒸發冷卻技術堪稱 “零費用制冷技術”、“綠色空調”和 “仿生空調”,這是一種真正意義上的節能、環保、能夠提高室內空氣品質的一種可持續發展的制冷空調技術。其次,當采用輻射空調時,比傳統空調系統室內作用溫度可降低/升高1～2℃,那么室內空氣設計溫度可以提高/降低1～2℃,夏季室內設計溫度可為26～28℃,冬季可為 16～18℃,從而達到節能的要求。再者,置換通風利用室內空氣密度差形成的熱氣流上升而冷氣流下降的原理進行流動,不需外動力,節省電力。

三者結合,更能達到節約能源的目的。首先輻射空調是一種節能,高效的形式,輻射吊頂與除濕冷卻相結合的空調系統節能可達44%;使用輻射吊頂供冷后,風機耗電量可減少36%～40%不等。頂板輻射加自然通風的空調能耗最低,比風機盤管系統與VAV系統節能31.6%～39.6%。輻射空調/置換通風以傳統制冷方式為輻射空調系統和新風系統提供冷水時,是蒸發冷卻制冷的5.5和4.3倍[8]。

6 三者結合的優點

由于蒸發冷卻,輻射空調,置換通風各自存在著不可避免的缺陷,將三者結合起來可互相克服缺點,滿足住宅建筑的需求。

將三者結合起來,存在諸多優點:

1)蒸發冷卻作為輻射空調的冷源,制取出高溫冷水,直接通到輻射末端裝置中。比傳統機械制冷節約能耗,在中濕度地區,配合以機械制冷作為冷源,在滿足相同送風溫度要求條件下,這種形式較傳統機械制冷系統節約冷水量0.67kg/s[9]。

2)采用蒸發冷卻組合式空調機組為建筑物輸送新風,承擔室內的潛熱負荷;采用金屬(毛細管)輻射吊頂、毛細管輻射墻、地埋輻射管等輻射末端,承擔室內的顯熱負荷。其中地埋輻射管方式可與地板輻射供熱相結合,實現一套系統冬、夏全年性應用。

3)由于該系統的新風及輻射末端中的高溫冷水均充分利用西北等地區的干燥空氣可再生能源制冷方式,因此,省去了除濕及人工制冷獲得冷水所需的初投資和運行費用且可避免輻射供冷在南方地區易出現結露等缺點。另外,該系統在機械制冷的配合下,可成功應用于中濕度地區。

4)輻射空調結合置換通風復合系統又同時具有以下優點:避免發生結露,置換通風系統可以承擔部分室內顯熱負荷,彌補單一輻射空調系統供冷能力不足的缺陷,同時降低室內空氣濕度,提高熱舒適性,結合引入全新風或部分新風,又可滿足室內衛生要求。通過置換通風系統送入的冷風可上升或擾動加大冷板的對流換熱量,從而提高了系統的供冷能力。另外置換通風與輻射空調系統聯合使用后,冷負荷的承擔主要由輻射末端實現,從而可減小置換通風系統送入的風量,提高了排風與送風的溫度差,繼續發揮其室內熱力分層帶來的節能效益。

7 結論

住宅建筑空調系統,主要考慮人體舒適性要求,輻射空調的特點恰好滿足這種要求。另外,由于輻射空調所需的冷媒溫度高,采用蒸發冷卻技術通過直接或間接蒸發冷卻器制取18℃的高溫冷水,既能滿足要求,又能達到節能的效果。同時蒸發冷卻利用西北地區特殊的氣候條件,利用干空氣制取新風通過置換通風進入室內,滿足人體對新鮮空氣的需要。這樣蒸發冷卻不僅作為輻射空調的冷源,同時也是置換通風的新風處理裝置,三者有機結合,克服單獨使用時的缺點,達到節能的目的。

蒸發冷卻、輻射空調、置換通風三者結合起來,既保證良好的室內環境,同時符合國家要求節能減排的政策,在西北地區應大力推廣使用。

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