节能生态型蒸发冷却——辐射空调系统在住宅建筑应用探讨

郑小丽,黄 翔,殷清海

(西安工程大学,环境与化学工程学院,陕西,西安,710048)

0 引言

中国目前30%左右的能耗来自建筑,而就其量而言,住宅建筑占据的比例最大。因此要减少建筑能耗,首先应先考虑住宅建筑中的节能问题。首先住宅建筑能耗包含诸多方面,其中最主要的是建筑的空调能耗。据有关资料,在我国建筑能耗中,供暖和空调的能耗所占的比例均在60%以上。因此,解决我国能源消耗大的问题,首先应减少住宅建筑中的空调能耗。

蒸发冷却结合辐射空调这一空调系统形式完全符合我国节能减排的要求。蒸发冷却作为一项绿色环保的制冷技术,充分利用西北地区干空气这一可再生清洁能源,广泛应用在我国新疆、西藏、青海、宁夏、甘肃、内蒙古、陕西、云南等气候干燥地区,从而达到节能的目的。辐射空调通过降低或升高围护结构一个或多个内表面的温度,依靠其与人体、家具及其余围护结构表面的辐射热交换进行供冷或供暖[1],是一种节能的空调方式。本文主要介绍两者结合所能达到的效果。

其次,根据住宅建筑空调系统另一重要特点——人体舒适性要求,必须考虑空调系统对人体舒适性要求的适用情况。

蒸发冷却——辐射空调系统同样可以提高人体舒适性。近年来辐射作为一种新型的控制显热的空调方式已经得到了广泛的应用,具有传统空调方式无法比拟的优点(1)。辐射空调满足人体热需求,但无法给出新风。蒸发冷却技术则克服这一缺点,一方面制取辐射空调所需的高温冷水,另一方面,把室外的新风经过热湿处理后送到室内,满足人体对新风的需求。

本文将着重介绍蒸发冷却—辐射空调系统在住宅建筑的必要性及特殊优点。

1 住宅建筑的特点

住宅建筑包括住宅、公寓、老年人住宅、底商住宅等,主要活动对象是人。据资料知,人在住宅中活动的时间最长,一般人在住宅中度过三分之二的时光。居住环境的质量与人的生活息息相关(2)。

基于此,民用建筑空调系统的设计,首先要考虑人体的舒适性要求。人体热平衡是达到人体热舒适的必要条件。据研究,当人体达到热平衡状态时,对流换热量占总散热量的25%～30%,辐射换热量占45%～50%,呼吸和有感觉的蒸发散热量占25%～30%[2],能满足这种适宜换热比例的环境则是达到人体热舒适的充分条件。

其次,结合国家关于建筑节能的条例,应尽量减少住宅建筑的能耗。住宅建筑是建筑数量最多的建筑类型,其能耗的数量直接关系到整个建筑的能源消耗多少。

目前国家对建筑节能的要求相当迫切,要求2010年所有城镇建筑要有50%的节能率,特大城市和部分城市率先达到65%;2020年时城镇建筑节能全部要达到65%。因此,在住宅建筑中,找出节能环保的空调系统迫在眉睫。

考虑住宅建筑的人体舒适性要求和节能性要求,找出同时满足这两项要求的空调系统更加必要。

2 蒸发冷却技术

蒸发冷却空调以水作为制冷剂,是一项绿色环保的制冷技术,堪称 “零费用制冷技术”。其单级直接蒸发冷却、间接加直接的两级蒸发冷却以及两级间接加直接的三级蒸发冷却空调形式完全满足西北等干热地区舒适性空调要求[3],可实现等湿降温和等焓降温两个过程。如图1、2所示。

现场实测和实验结果表明,与一般的传统空调相比,间接蒸发冷却在炎热干燥地区可节能80%～90%,在炎热潮湿地区可节能20%～25%,在中湿度地区可节能40%,大大减低了空调制冷能耗。采用蒸发冷却空调具备以下优点:

1)蒸发冷却空调以水作为制冷剂,能减少温室气体和CFCs的排放量。

2)蒸发冷却空调借助于环境空气中的干球温度与露点温度差,通过水与空气之间的热湿交换来获取冷量,取代了压缩机,能大幅度降低用电量和用电高峰期对电能功率的要求。

3)可以采用全新风,大大提高室内空气品质。

4)初投资低 (约为传统机械制冷空调的1/2),运行能耗小 (约为传统机械制冷空调的1/5)。

由此可以看出,蒸发冷却空调符合国家节能减排的政策,因此,蒸发冷却技术可广泛应用于居住建筑和公共建筑。

3 辐射空调的优缺点

目前,辐射空调技术在我国得到快速的发展。由于其舒适性强、无噪音、无吹风感、热湿单独处理以及节能的特点,这一形式得到较快推广。

辐射空调具有诸多优点。首先,舒适性强。辐射空调在夏季通过降低/提高维护结构的表面温度,增加了人体辐射换热量,提高了舒适性。同时,辐射空调无噪音,无吹风感,给人以安静舒适的室内环境。

其次,能够有效的节约能耗,通常认为辐射空调比常规空调系统节能28%～40%。同时,由于冷媒温度高,可利用低品质的能源,如地能、太阳能和蒸发冷却技术,进行能源的梯级合理利用,节能效果明显。并且在满足人体同等舒适感的条件下,采用辐射空调比传统空调方式能耗减少10%～20%,甚至更多。

然后,避免风道占地空间大,有效地节约室内占用面积。有的可用于改造项目中,简单、易安装、美观。埋管式地板辐射系统和毛细管辐射系统的辐射板单位面积换热量更适合居住建筑,特别是节能型高档居住建筑。并且辐射空调结合新风机组送的干燥新风,改善室内环境卫生,提高降温效果。

然而,辐射空调同样存在以下弊端:

第一,当表面温度低于空气的露点温度时。会产生结露,影响室内卫生条件,同时露点温度的限制,会影响人体的舒适感,限制了供冷能力;

第二,在潮湿地区,室外空气进入室内有可能会结露,因此要关紧门窗,影响通风;

第三,不同时使用风系统时,室内空气流速太低,如果温度达不到要求,更增加产生闷热感[4]。

针对以上缺点,辐射空调应结合某种送风形式来克服这些缺点。

4 置换通风

置换通风在北欧国家应用广泛,它最早使用在工业厂房来解决室内污染物控制问题,近年来,随着民用建筑室内空气品质问题的日益突出,置换通风方式的应用转向民用建筑[5]。

置换通风是基于空气的密度差形成的热气流上升而冷气流下降的原理,目的是保持人员活动区的温度和浓度符合设计要求。具有以下显著特点:1)有效改善环境舒适性。2)能够有效的节能,夏季的送风温度比常规方式的高,过渡季节能利用新风供冷的时间较常规方式要长,使机组运行时间相对短。当用于典型办公建筑中,可进一步节约能源。3)在室内的布置位置比较灵活,且减小风道所需空间,建筑面积使用率提高。

5 三种节能技术的集成

5.1 可行性

1)西北地区特殊的气候条件,为蒸发冷却技术的使用提供了优越的条件。与太阳能、风能一样,干燥空气作为一种可再生的清洁无污染制冷空调能源,在我国广阔的西北等干旱地区,取之不尽、用之不竭。蒸发冷却正是利用这一 “干空气能”进行空气调节,并且有一定发展,得到专业认可,认为蒸发冷却空调应该成为全球40%的地区空调的主导方式,是这些地区空调的未来。

2)置换通风的送风温度一般较传统混合通风的送风温度高,而蒸发冷却空调处理后的空气温度刚好能满足这一范围。同时,置换通风对所提供的空气品质要求较高,而蒸发冷却技术恰恰可满足“全新风”和高品质新风的需要,这些都为置换通风与蒸发冷却技术的结合创造了 “天然的”条件。

3)辐射空调与置换通风结合的形式充分发挥各自功能,满足住宅建筑中人体对热环境及新风量的需求。欧洲就大量使用辐射空调—置换通风。

综上,正是由于蒸发冷却、辐射空调、置换通风各自的特点,以及与西北地区特殊天然环境的结合,为其在西北地区住宅建筑中的应用提供条件。

5.2 必要性

5.2.1 三者各自存在着不可避免的缺陷

(1)蒸发冷却一般情况下实现等湿降温和等焓降温两个过程,被处理空气最大降温到空气的露点温度,从而决定蒸发冷却的温降是有限的。当空调区需要大温差送风时,蒸发冷却的节能优势就会削弱。另一方面,有限的温降会引起风量的增加,导致 “巨形”风管的出现,从而不适合层高有限的建筑空调采用集中式蒸发冷却空调系统。并且由于集中式蒸发冷却空调系统风道占地空间大、无法实现空调区分室、分时控制、在层高较低的高层建筑中使用受限等缺点。单独蒸发冷却空调的应用受到限制,效果不佳。

(2)单独采用辐射空调往往存在系列问题。首先当单独采用辐射空调时,在供水温度过低或室内湿度过大时,易结露。为了避免结露,冷辐射板的温度必须大于室内空气的露点温度,此时冷辐射板承担室内冷负荷的能力将受到削弱,在一定程度上限制了供冷能力,不能满足室内冷负荷的要求。其次,单独采用辐射空调室内没有新风进入,影响室内空气环境质量,影响人体舒适性,在住宅建筑的应用受限制。

(3)单一的置换通风形式虽然在高大建筑应用中,能够充分发挥其室内热力分层带来的节能效益,但是在住宅建筑中,由于层高较低,排风与送风的温度差值不是很大,使得这一特点并不明显。其次,置换通风能够消除的最大冷负荷为 30～40W/m2,在当前智能化大楼日益普及的情况下,随着各种办公设备如计算机、复印机、打印机以及照明设备的增多,室内冷负荷有越来越大的趋势,单纯的置换通风已经无法满足负荷要求。

5.2.2 住宅建筑的舒适性要求 近年来,随着人们生活水平的提高,人们对住宅建筑的舒适性要求也逐渐苛刻。现在,人们关注的不再仅仅只是热感受,还要求室内空气品质高。

目前,室内空气污染也极为严重,据有关资料介绍,室内污染程度约为室外污染的5～10倍。采用传统的空调,室内空气不断循环,有害人身体健康。另外,传统空调造成的新风量不足,由此引发的 “病态建筑综合症” (俗称空调病)及 “建筑相关疾病”(如军团病等)对人的健康影响是慢性的、潜在的和可能发生的,已引起人们的关注。正是由于传统空调形式对室内空气品质的不利影响,人们迫切需要一种新型的环保的空调系统。而蒸发冷却—辐射空调系统刚好是这样一种空调。

利用西北地区得天独厚的干燥气候条件[5],以蒸发冷却为天然冷源的蒸发冷却与地板辐射空调相结合技术尤其适合在西北炎热干燥的气候中使用,其应用前景十分广阔[6]。

蒸发冷却机组制取新风,通过置换通风装置送到室内,辐射空调通过对流和辐射方式来消除显热负荷,其盘管中通常通16～18℃的冷水来冷却,承担室内显热负荷,蒸发冷却机组制取的新风承担室内潜热负荷和部分显热负荷。

在这个系统中,完全采用室外新风,经过热湿处理后,通过置换通风装置通入室内,满足人体对新鲜空气的需求。辐射空调则主要消除室内显热负荷,满足人体热平衡的需要。这种复合空调系统室内温度场比较均匀[7]。结果表明,在中湿度地区,当供水温度19℃,置换通风温度17℃时,0.1～1.1m高度最大温差小于2℃,1.1m高度室内温度26～26.5℃,0.1～1.1m高度室内温度梯度小于2℃/m,1.1～2.7m高度室内温度梯度小于1℃/m,室内空气相对湿度为53.3%～65.4%,温、湿度均满足热舒适性要求[7]。

5.2.3 住宅建筑节能性要求 目前,国家对建筑节能的要求日益迫切,住宅建筑必须实现低能耗标准。同时,国家还提出2020年单位GDP碳排放比2005年减少40%到45%,这就要求住宅建筑必须采用环保高效的空调系统。

蒸发冷却—辐射空调系统恰好相应这一政策。首先蒸发冷却技术堪称 “零费用制冷技术”、“绿色空调”和 “仿生空调”,这是一种真正意义上的节能、环保、能够提高室内空气品质的一种可持续发展的制冷空调技术。其次,当采用辐射空调时,比传统空调系统室内作用温度可降低/升高1～2℃,那么室内空气设计温度可以提高/降低1～2℃,夏季室内设计温度可为26～28℃,冬季可为 16～18℃,从而达到节能的要求。再者,置换通风利用室内空气密度差形成的热气流上升而冷气流下降的原理进行流动,不需外动力,节省电力。

三者结合,更能达到节约能源的目的。首先辐射空调是一种节能,高效的形式,辐射吊顶与除湿冷却相结合的空调系统节能可达44%;使用辐射吊顶供冷后,风机耗电量可减少36%～40%不等。顶板辐射加自然通风的空调能耗最低,比风机盘管系统与VAV系统节能31.6%～39.6%。辐射空调/置换通风以传统制冷方式为辐射空调系统和新风系统提供冷水时,是蒸发冷却制冷的5.5和4.3倍[8]。

6 三者结合的优点

由于蒸发冷却,辐射空调,置换通风各自存在着不可避免的缺陷,将三者结合起来可互相克服缺点,满足住宅建筑的需求。

将三者结合起来,存在诸多优点:

1)蒸发冷却作为辐射空调的冷源,制取出高温冷水,直接通到辐射末端装置中。比传统机械制冷节约能耗,在中湿度地区,配合以机械制冷作为冷源,在满足相同送风温度要求条件下,这种形式较传统机械制冷系统节约冷水量0.67kg/s[9]。

2)采用蒸发冷却组合式空调机组为建筑物输送新风,承担室内的潜热负荷;采用金属(毛细管)辐射吊顶、毛细管辐射墙、地埋辐射管等辐射末端,承担室内的显热负荷。其中地埋辐射管方式可与地板辐射供热相结合,实现一套系统冬、夏全年性应用。

3)由于该系统的新风及辐射末端中的高温冷水均充分利用西北等地区的干燥空气可再生能源制冷方式,因此,省去了除湿及人工制冷获得冷水所需的初投资和运行费用且可避免辐射供冷在南方地区易出现结露等缺点。另外,该系统在机械制冷的配合下,可成功应用于中湿度地区。

4)辐射空调结合置换通风复合系统又同时具有以下优点:避免发生结露,置换通风系统可以承担部分室内显热负荷,弥补单一辐射空调系统供冷能力不足的缺陷,同时降低室内空气湿度,提高热舒适性,结合引入全新风或部分新风,又可满足室内卫生要求。通过置换通风系统送入的冷风可上升或扰动加大冷板的对流换热量,从而提高了系统的供冷能力。另外置换通风与辐射空调系统联合使用后,冷负荷的承担主要由辐射末端实现,从而可减小置换通风系统送入的风量,提高了排风与送风的温度差,继续发挥其室内热力分层带来的节能效益。

7 结论

住宅建筑空调系统,主要考虑人体舒适性要求,辐射空调的特点恰好满足这种要求。另外,由于辐射空调所需的冷媒温度高,采用蒸发冷却技术通过直接或间接蒸发冷却器制取18℃的高温冷水,既能满足要求,又能达到节能的效果。同时蒸发冷却利用西北地区特殊的气候条件,利用干空气制取新风通过置换通风进入室内,满足人体对新鲜空气的需要。这样蒸发冷却不仅作为辐射空调的冷源,同时也是置换通风的新风处理装置,三者有机结合,克服单独使用时的缺点,达到节能的目的。

蒸发冷却、辐射空调、置换通风三者结合起来,既保证良好的室内环境,同时符合国家要求节能减排的政策,在西北地区应大力推广使用。

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