毛细管平面空调系统的特点及前景

蒋露 李莉

我国一般民用建筑如酒店、办公楼、医院等,空调能耗已占50%以上。随着近几年能源危机的出现,以及全球问题的日益严重,人们越来越关心我们赖以生存的地球。

在空调领域内,低能耗的供冷技术成为重要课题,从自然环境中直接得到冷量、不消耗或少消耗能源的辐射供冷加新风系统在国内外科技界得到广泛研究。辐射供冷系统可以利用自然界中本来就存在的制冷循环,与现有空调送风技术相结合,既节约能源又没有污染,符合当今节能、环保、可持续发展的趋势。

1 毛细管平面空调系统

1.1 何谓毛细管平面空调系统

毛细管平面空调系统由毛细管辐射供冷系统和独立新风系统组成,独立新风系统承担室内全部潜热负荷和部分显热负荷,毛细管辐射供冷系统承担其余显热负荷,也就是将室内空气品质与热环境分开考虑,独立新风系统保证室内的空气品质,毛细管辐射供冷系统维持室内的热环境。

1.2 毛细管平面空调系统的组成

1)毛细管。毛细管是由直径为3 mm～4 mm的塑料管并排组合而成,毛细管两端接直径20 mm左右的集、分水管。为了避免毛细管表面结露,毛细管的进水温度一般至少比室内空气的露点温度高1℃～2℃[2]。毛细管平面空调夏季供回水温度为18℃/20℃;制冷量为 70 W/m2～90 W/m2。冬季供回水温度为32℃/28℃;制热量为 100 W/m2～150 W/m2。2)除湿新风机。为了确保室内毛细管工况运行,除湿新风机的出风温度必须控制在14℃以下。当出风口在顶板或靠近顶板墙面安装时,能有效提高毛细管表面空气流动速度,提高对流换热量,加快制冷速度。3)冷源。由于毛细管要求的供水温度为18℃,独立新风系统要求的供水温度为7℃,从节能和环保角度出发,冷源的最佳选择是土壤热泵。在夏季供冷时,地下换热系统可以直接向毛细管提供冷水,进行直供,土壤热泵机组只承担独立新风系统负荷,这样可达到最佳的节能效果。4)全热交换器。通过室内外双向换气,进、排风等量置换,抑制了室温变化,从而保证室内空气品质。使用全热交换热回收芯体,可被吸热和放热,热回收率约70%,空调能量在排风转到新风中回收,实现高效节能,如图1所示。5)自动控制系统。毛细管平面空调系统必须配置自动控制系统,控制的对象有:毛细管和新风机组的进出口温度、冷水水量,室内干球温度、室内露点温度等。

1.3 毛细管平面空调系统的工作原理

毛细管平面空调系统由毛细管辐射供冷系统、独立新风系统和控制系统组成。以毛细管平面空调系统与土壤热泵机组相结合使用为例,其原理图如图2所示。

1)毛细管辐射供冷系统工作原理:毛细管辐射供冷系统由土壤热泵机组1,地下换热器9和毛细管平面末端2组成。土壤热泵机组1把地下换热器9与土壤换热后所得的冷水(热水)送至毛细管平面末端2与室内进行热量交换,再把热量交换后所得的热水(冷水)送回地下换热器9,实现夏季供冷、冬季供热的目的。2)独立新风系统工作原理:独立新风系统由送风口5、回风口6、热回收装置4和除湿新风机3组成。室内回风经回风口到热回收装置4后,置换出冷量(热量)排出室外。室外新风经由热回收装置 4吸收冷量(热量)后,送至除湿新风机 3进行除湿,由送风口5送入室内。3)控制系统工作原理:带温度控制系统的热泵机组,可保证各个房间的供水温度符合设计值。

2 毛细管平面空调系统的特点

2.1 毛细管平面空调系统的优点

1)环境舒适、卫生。由于毛细管平面空调的管道可以敷设于整个房间顶板和壁面,其60%的换热量通过辐射形式进行传递,40%的换热量通过对流方式进行传递,因此室内温度均匀,梯度合理。美国、日本、欧洲的研究测试表明,辐射供冷能在夏季降低围护结构表面温度,加强人体辐射散热份额,所以毛细管平面空调具有其他空调末端装置无法相比的高舒适性。与风机盘管相比,毛细管平面空调没有冷凝水排水不畅造成细菌滋生、漏水等问题,室内空气卫生,空气品质高;此外,毛细管平面空调没有吹冷风的感觉,不存在“空调病”,以及使用分体式空调时室内机噪声的问题,是最为静音的空调系统。2)节能。以辐射为主的毛细管平面空调在设计时,夏季室内设计温度可以比常规系统高1℃～2℃,冬季室内设计温度可以比常规系统低1℃～2℃。毛细管平面空调的夏季供水温度为18℃,冬季的供水温度为32℃,而风机盘管系统的夏季供水温度为7℃,冬季供水温度为60℃。由此可见,室内外设计温差的减小,以及相对较高的夏季供水温度和相对较低的冬季供水温度,都意味着能源消耗的减少,全年运行费用比常规“风冷冷水机组+电/燃气锅炉+风机盘管系统”可节省60%～70%。毛细管平面空调可与各种形式的冷、热源配套使用,尤其是和土壤热泵系统配套使用,更具有其他系统无法比拟的优势。3)节省使用空间。当在100 m2的住宅采用散热器采暖时,散热器将占2 m2左右的有效使用面积,且上下立横管诸多,给建筑装修、装饰带来诸多不便,也影响设备、家具的摆放。毛细管平面空调和建筑物构造相结合,地面上无任何管道设备,不占用室内和地面有效空间,这不仅节省为装饰散热器及管道设备所花的费用,同时增加了1%～3%的居室有效使用面积。而与风机盘管系统相比,毛细管平面空调无需吊顶,减少了人的空间压迫感。4)辐射换热量自动调节。当太阳直射辐射量增大时,地板或房间壁面内表面温度升高,室内辐射负荷加大,由于辐射热交换与表面绝对温度四次方之差成单调增减的函数关系,这就将大幅度提高毛细管辐射空调与房间围护结构其余表面的辐射换热量,实现辐射换热量的自动调节[3]。5)使用寿命长,安全可靠,不易渗漏。毛细管平面空调使毛细管按一定间距固定在顶板或墙面上,管子无接头,两端与集、分水管连接。运行时,管内水流速度平稳,水温不高,内壁光滑不易结垢,无化学反应,安全可靠。毛细管的正常使用寿命为50年,是普通钢管使用寿命的1.5倍以上,与一般建筑物的设计使用寿命一样。6)可利用低温热源。由于毛细管平面空调相对较高的夏季供水温度和相对较低的冬季供水温度,可直接或间接利用各种工业余热、太阳能、地下水或其他低温能源,节约煤、油、气等有限的不可再生资源,并能减少废气、废物排放,减轻环境污染。

2.2 毛细管平面空调系统的缺点

1)当毛细管敷设在墙体上时,由于室内家具及其他物品的布置对墙体的遮挡,会影响毛细管平面空调的热量交换,从而影响室内热环境;而当毛细管只敷设在顶板上就能满足室内换热量时,则不会出现上述影响。2)毛细管平面空调的热反应速度较慢。由于毛细管平面空调采用辐射和自然对流换热,因此比风机盘管等系统的强迫对流换热的热反应速度慢。3)维修性较差。毛细管平面空调属隐蔽性工程,一旦毛细管渗漏,维修难度较大,需要专业人员用专业设备查漏和修复。4)由于毛细管本身不能除湿,因此室内的湿负荷需配备独立的除湿设备[4]。

3 毛细管平面空调系统的应用前景

新型非金属管材的开发引进和节能建筑的出现,为毛细管平面空调技术的日益完善和迅速发展创造了条件。这些年,由于各种新型非金属管材的开发,使毛细管平面空调技术的开发成为可能。又由于节能建筑围护结构的传热系数相对较小,因此建筑本身的热量交换相对减少,所以毛细管平面空调很容易达到所要求的设计工况,这样就更能显示出优越性,是一种具有发展前途和推广价值的空调系统,并已成功在北京可持续科技促进中心、北京王府家庭农场、上海建科院生态住宅示范楼等建筑中应用。

[1] 殷 平.独立新风系统DOAS研究1综述[J].暖通空调,2003(6):44-49.

[2] 苏 夺,陆琼文.辐射空调方式及其发展方向[J].制冷空调与电力机械,2003(5):26-30.

[3] 王子介.低温辐射供暖与辐射供冷[M].北京:机械工业出版社,2004.

[4] 周 鹏,李强民.置换通风与冷却顶板[J].暖通空调,1998(5):1-5.