毛細管平面空調系統(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,空調能耗已占50%以上。隨著近幾年能源危機的出現,以及全球問題的日益嚴重,人們越來越關心我們賴以生存的地球。

在空調領域內,低能耗的供冷技術成為重要課題,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),與現有空調送風技術相結合,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 毛細管平面空調系統(tǒng)

1.1 何謂毛細管平面空調系統(tǒng)

毛細管平面空調系統(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,也就是將室內空氣品質與熱環(huán)境分開考慮,獨立新風系統(tǒng)保證室內的空氣品質,毛細管輻射供冷系統(tǒng)維持室內的熱環(huán)境。

1.2 毛細管平面空調系統(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露,毛細管的進水溫度一般至少比室內空氣的露點溫度高1℃～2℃[2]。毛細管平面空調夏季供回水溫度為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,地下換熱系統(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,從而保證室內空氣品質。使用全熱交換熱回收芯體,可被吸熱和放熱,熱回收率約70%,空調能量在排風轉到新風中回收,實現高效節(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,室內干球溫度、室內露點溫度等。

1.3 毛細管平面空調系統(tǒng)的工作原理

毛細管平面空調系統(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。以毛細管平面空調系統(tǒng)與土壤熱泵機組相結合使用為例,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,地下換熱器9和毛細管平面末端2組成。土壤熱泵機組1把地下換熱器9與土壤換熱后所得的冷水(熱水)送至毛細管平面末端2與室內進行熱量交換,再把熱量交換后所得的熱水(冷水)送回地下換熱器9,實現夏季供冷、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。室內回風經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。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 毛細管平面空調系統(tǒng)的特點

2.1 毛細管平面空調系統(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構表面溫度,加強人體輻射散熱份額,所以毛細管平面空調具有其他空調末端裝置無法相比的高舒適性。與風機盤管相比,毛細管平面空調沒有冷凝水排水不暢造成細菌滋生、漏水等問題,室內空氣衛(wèi)生,空氣品質高;此外,毛細管平面空調沒有吹冷風的感覺,不存在“空調病”,以及使用分體式空調時室內機噪聲的問題,是最為靜音的空調系統(tǒng)。2)節(jié)能。以輻射為主的毛細管平面空調在設計時,夏季室內設計溫度可以比常規(guī)系統(tǒng)高1℃～2℃,冬季室內設計溫度可以比常規(guī)系統(tǒng)低1℃～2℃。毛細管平面空調的夏季供水溫度為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。毛細管平面空調和建筑物構造相結合,地面上無任何管道設備,不占用室內和地面有效空間,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,毛細管平面空調無需吊頂,減少了人的空間壓迫感。4)輻射換熱量自動調節(jié)。當太陽直射輻射量增大時,地板或房間壁面內表面溫度升高,室內輻射負荷加大,由于輻射熱交換與表面絕對溫度四次方之差成單調增減的函數關系,這就將大幅度提高毛細管輻射空調與房間圍護結構其余表面的輻射換熱量,實現輻射換熱量的自動調節(jié)[3]。5)使用壽命長,安全可靠,不易滲漏。毛細管平面空調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,管內水流速度平穩(wěn),水溫不高,內壁光滑不易結垢,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 毛細管平面空調系統(tǒng)的缺點

1)當毛細管敷設在墻體上時,由于室內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的熱量交換,從而影響室內熱環(huán)境;而當毛細管只敷設在頂板上就能滿足室內換熱量時,則不會出現上述影響。2)毛細管平面空調的熱反應速度較慢。由于毛細管平面空調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,因此室內的濕負荷需配備獨立的除濕設備[4]。

3 毛細管平面空調系統(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,為毛細管平面空調技術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),使毛細管平面空調技術的開發(fā)成為可能。又由于節(jié)能建筑圍護結構的傳熱系數相對較小,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、北京王府家庭農場、上海建科院生態(tài)住宅示范樓等建筑中應用。

[1] 殷 平.獨立新風系統(tǒng)DOAS研究1綜述[J].暖通空調,2003(6):44-49.

[2] 蘇 奪,陸瓊文.輻射空調方式及其發(fā)展方向[J].制冷空調與電力機械,2003(5):26-30.

[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,1998(5):1-5.