毛细管平面辐射空调系统的设计研究及展望

聂　鑫，朱晓涵，刘益才

（中南大学 能源科学与工程学院，长沙　410083）

毛细管平面辐射空调系统的设计研究及展望

聂鑫，朱晓涵，刘益才

（中南大学 能源科学与工程学院，长沙410083）

毛细管平面辐射空调系统是打破传统的新型空调系统，在详细研究了毛细管平面辐射空调的原理、特点、基本结构的基础上，指出了毛细管平面辐射空调系统可能出现的结露、系统控制等不足，并给出了合理化的设计思路及未来研究发展方向。

毛细管平面辐射空调；节能；设计；展望

0　引言

我国作为能源消费大国，能源问题一直得到国家重视，而其中建筑能耗占全部能耗的40%～50%，尤其用于暖通空调的则要占到一半以上，是建筑能耗的主体［1-2］。空调也是造成电力紧张局势的重要原因，2008年年底，空调耗电占全国城镇用电的20%以上，而在夏季用电高峰期，空调用电负荷占全国城镇总耗电负荷的44%［3］。同时我国中南部一些冬冷夏热地区夏季需要制冷，冬季需要供热，这些地区所用的采暖降温设备多是分散在各用户的电暖器和空调，耗电量相当大，同时污染问题、城市热岛问题、室内空气品质问题、PM2.5以及大气雾霾等问题迅速加剧。因此，推广使用具有高能效比、舒适性好、寿命长和适合冬夏两季使用的毛细管平面辐射空调势在必行。毛细管平面辐射空调流行于欧洲各国，是一种隐形辐射空调系统，一般装在墙体或天花板内，与室温温差小，换热面积大，集供冷暖于一体［4］。其不但可以利用在新建筑物内，同时可以应用于现有建筑的改造，具有良好的可施行性。毛细管平面辐射空调有望成为未来空调系统发展的新选择。

1　系统简介

1.1系统结构原理

1987年德国多纳蒂-赫博斯特基于仿生学发明了毛细管平面辐射空调系统，并于1986年首次应用于实际工程，此后这种空调系统在欧洲开始得到广泛应用［5］。该空调系统有舒适、节能、健康的空调末端形式，可以设置单独的除湿系统，独立控制［6］。毛细管末端能够灵活地安装在地面、墙体、天花板内，通过这些围护结构形成的冷热辐射表面进行换热。这些辐射表面可以除去室内的显热负荷，同时为保证室内空气的流通和除去室内潜热负荷，系统设置有新风系统。冷热源由水循环完成，其温度要求可以由地源热泵等环保可再生的能源提供。具体结构和系统原理如下图1所示。

图1　模块化平面辐射空调系统示意图

以夏季工况为例，原理图分为水系统、新风系统和控制系统。水系统中1可再生能源机组（或高温蒸发机组）指的是如地源热泵冷水机组或是可以提供温度较高冷水的冷水机组以及生活废水等，由于新能源技术或高温蒸发温度的冷水机组的应用，可以大大提高能效比，减少成本。从1生产的温度大约在16～18℃的冷水被送入2平板辐射末端，末端在房间空间内进行与室内空气的辐射换热后，末端出口水温有小幅度上升，温度较高的水再送入9回热器换热，这样末端中的水为自身回水和机组冷水的混合，得到16～18℃的水，水系统循环完成。新风系统中，为避免板面结露，新风要承担较大湿负荷，3新风机的冷水也由1提供，但水温要比末端供水低，大约为5～7℃。环境空气经过4热回收装置送入新风处理机处理后经5送风口送入室内，经回风口6进入4换热后排出。控制系统主要通过7结露控制传感器和8温度传感器检测末端入口水温以及室内温度，观察末端入口温度是否低于室内露点温度，调节回水阀的开度控制末端入口水温，防止末端结露同时进行室内温度调节控制。

1.2毛细管末端

空调毛细管辐射末端采用模块化设计，在毛细管内充满水进行流动循环换热，其网栅采用并联分集水式结构，两根主水管之间连接有一定数量的毛细管，形成封闭的网栅［7］。模块由外径3.5～5.0 mm的毛细管（壁厚0.9 mm）和外径20 mm的供回水管（壁厚2 mm）组成，其尺寸大小根据实际安装要求确定［8］。毛细管的材料用PP-R，使用寿命可达50年左右［9］。由于末端的极大表面积使散热温度分布更加均匀，更加舒适，克服了传统空调的温度分布不均匀、温差大的问题。具体毛细管实物如图2所示。

图2　毛细管辐射末端示意图

1.3.系统优缺点

1.3.1节能高效率

毛细管平面辐射末端具有极大的散热表面积，以辐射的换热方式为室内提供冷量或热量，换热效率高。辐射板供冷时一般采用温度较高的冷水（16～18℃），以防止板表面结露，冬季供暖时，辐射末端供水一般采用较低的热水温度（28～32℃）。这样的温度要求可以使机组COP达到6左右，系统性能大大提高［10］。相对于其他空调系统，毛细管辐射空调系统可以有效利用低品位能源，可再生能源，如太阳能、地源水、工业废热和生活废水等。相同状况下毛细管辐射空调供冷比传统空调节能约28%～40%；而如果将毛细管辐射末端和地源热泵或空气源热泵结合，通过合理的控制可以达到70%的节能效果［10］；若配合太阳能系统和冷热蓄能系统，节能效果将更佳，可达90%左右［8］。

1.3.2高舒适度

采用辐射的传热方式供热或供冷，没有传统空调的吹风感；热惰性小，温度变化快，且分布均匀，无流动噪声，干净健康。新风系统可改善室内空气质量，降低CO2浓度。

1.3.3绿色环保

整个系统属于封闭系统，运行过程不产生废气、废水。所用原料可以回收利用，毛细管材料是只含有碳氢两种原子的聚丙烯，材料无毒可循环利用。

1.3.4安装方便

毛细管末端一般厚度不超过5 mm，充满水的质量在600～900 g/m2左右，其材质柔软，可以灵活安装在各种围护结构的表面［11］。相比较现有的传统空调，若采用毛细管辐射空调，可以节省出可观的空间供利用。

1.3.5使用寿命长

毛细管平面辐射空调系统运行在低温低压状态下，管路不会因高温高压而损坏。毛细管材料采用环保的防腐材料，通过合金钢换热器与主循环隔开，氧气渗透不会产生腐蚀或郁积堵塞现象。资料显示优质的PP-R材料管网在常温常压下使用50年保持如新［12］。

1.3.6结露问题

当室内湿空气碰到低于露点温度的表面时，水蒸气就会凝结附在表面上。对于毛细管末端，当进水温度过低会使板面温度低于空气露点温度，从而发生结露现象。结露现象产生的水滴会使细菌滋生，结露严重时甚至会使水滴落在房间，影响室内卫生环境和美观［13］。毛细管平面辐射末端只能承担室内部分显热负荷，故需单独配置除湿系统，除湿并结合新风系统除去室内多余显热负荷和潜热负荷。同时必须配置合理的水系统、温度控制系统防止板面温度低于湿空气露点温度。

1.3.7自动控制系统问题

毛细管平面辐射空调系统相比较传统的空调系统，自动控制系统必须保证有防止末端结露的功能，若在扰动存在情况下，室内的湿度增大，除湿系统除湿量不满足时，自动控制系统可以自动启动防结露保护措施。开发可靠的露点自动控制系统也是推广和使用毛细管平面辐射空调的关键问题所在。

2　毛细管平面辐射空调的设计

2.1设计计算案例

假设某一建筑面积为15 000 m2的办公楼，若设计参数，即要求设计的温度tn，湿度ψn分别为26℃和60%。可查得dN=12.636 g/kg，hn=58.47 kJ/kg。

取83 W/m2冷负荷估算，计算得到室内冷负荷Q=1 246 kW，湿负荷W取150.0 kg/h，按卫生要求取新风量Gw=12.25 kg/s；室外空气参数tw=35.8℃，hw=88.05 kJ/kg。（以夏季工况为例计算，大气压为101 325 Pa。）

首先可以确定新风系统处理的再热前的状态点L，室内湿负荷由新风承担，可得到新风处理后终状态点的含湿量：

从焓湿图可查，dL线与机器露点线交点即L点，即得到新风再热前的状态参数：tL=14.46℃，hL=37.96 kJ/kg。

L点空气再经过热处理到达图3的S点，再热采取等含湿量加热到温度tS=17℃，

则S点参数：tS=17℃，hS=40.56 kJ/kg。

图3　新风空气处理过程示意图

从图1看出新风进入表冷器处理之前，新风在4回热装置中回热，即到图3的C点，假设回热器焓回收率为60%，则由（hw-hc）/（hw-hn）=60%，求得hc= 70.302 kJ/kg。假设温度回收率为70%，即（tw-tc）/（tw-tn）=70%，求得tc=28.9℃。

新风机表冷器冷量即新风从回热后的C点到再热前的L点之间所需的冷量。故：Qw=Gw（hw-hc）= 613.60 kW；

新风所承担的室内冷负荷即再热后的新风S（tS=17℃，hS=40.56 kJ/kg）与室内空气的换热。则：

要求冷板承担的室内冷负荷：

2.2辐射板的换热能力与辐射板选择

辐射板表面的实际辐射换热性能可以用式（4）计算：

式中：tps为辐射板表面平均温度，℃；tN为室内空气温度，℃；a、b为根据各种产品试验确定的系数。

一般在两者温差不大于10℃时，换热量小于100 W/m2［15］。

根据式（3）计算得到的毛细管辐射冷板承担冷量Qpc=1 026.60 kW，如果按建筑面积铺满计算，则毛细管辐射板面单位面积冷量为：

式中：A指冷板铺设总面积。

根据qpc可以选取厂商提供的不同类型的毛细管末端［15］。

2.3冷热源系统选择

由上述负荷计算得到新风冷水机的冷负荷为613 kW，辐射板承担冷负荷为1 026.6 kW，则总的冷负荷为1 640.2 kW。根据负荷选择新风供水的冷水机组和毛细管平面辐射末端供水配套的冷热源，实现夏季供冷、冬季供暖。考虑到夏季新风系统空气处理有较大的湿度要求，则盘管需求的供水温度应较低（5～7℃），而毛细管末端供水温度应高于室内露点温度1～2℃（16～18℃），可选择如图1由同一工况的两台带回热的1 000 kW制冷量离心机组制冷机分路供水，毛细管末端供水通过由自身回水混合得到。冬季则利用废热废水等向毛细管末端供水。同时为了提高系统性能和充分利用可再生资源，应使毛细管辐射末端与高效的冷热源配套使用，新风系统也独立供水，可选取一台500 kW的螺杆机供新风系统使用，而毛细管末端可基于地源热泵的冷热源与毛细管末端的结合使用，节能效果更加显著，研究发现采用合理的换热装置，可使冷水机组比传统机组节水40%［14］。

2.4新风系统设计

新风采用温度较低的冷水处理。相比传统空调系统，由于大部分显热负荷由辐射末端承担，新风系统的风量比较小，所以管段截面积较小，所占室内空间也较小。为提高能源利用率，采用如图1所示进入室内的新风空气与排出空气进行热回收。同时新风系统必须带有相对湿度控制系统，满足相对湿度控制范围和防止结露［17］。送风口以及回风口的布置会影响室内气流分布的性能，故应先采用CFD技术对气流组织进行评价，通过对冬夏两季辐射板不同敷设位置、不同敷设面积和不同风口位置模拟的温度场、速度场、相对湿度场和PMVPPD、ADPI、EUC指标进行分析，得到合理的辐射板敷设方式和风口布置方式。

2.5水系统设计

首先由设计要求可以选取毛细管辐射末端的结构尺寸，新风供水系统和末端供水如果来自同一冷水机组，因为前后两者的供水温度不同，则供水系统分为两个回路供水，末端供水通过回热得到。而采取不同来源时，各自供给水路相互独立。相比全空气空调系统毛细管末端供水的辐射模式水管截面更小，能量传递更有效。此外水系统中也必须带有温度控制系统。

2.6露点监控系统

毛细管平面辐射空调系统中，独立的新风系统承担了房间内全部的潜热，只要控制辐射板的供水温度高于室内湿空气的露点温度，这样便可以防止结露。因此对水系统温度的监控是防结露的重要途径。若末端供水温度恒定不变，通过放置于室内的露点温度检测反馈，当供水温度低于露点温度时，可立即停止辐射表面工作；若供水温度可以调节，当出现供水温度低于露点温度时，可以增大供水温度，防止结露，但这会使末端效率下降。此外，还可以设置吸湿材料对室内湿度进行自动控制［18］。美国研究学者Mumma［19-21］发现即使在打开所有窗户条件下，处理结露仍比较容易，显然结露过程缓慢，随控制系统的研发，结露问题最终会被解决［22］。

3　研究现状及发展展望

目前在我国针对辐射空调的研究仍处于初步阶段，国内天津地热研究培训中心、哈尔滨建筑大学、湖南大学、中南大学、西安建筑科技大学、华南理工大学、浙江大学、山东建筑工程学院、青岛建筑工程学院、中科院广州能源研究所等众多研究单位均开展了相关技术的研究，取得了一些优益的成果，但目前国内对毛细管平面空调系统的研究和应用尚属起步阶段，很有必要对露点监控、多项节能技术结合使用、地板表面最高温度、室内实感温度、热流密度、预热期等参数以及可再生能源的利用、蓄能采暖除湿系统的研究应用、高密度能量输送管网材料等问题进行系统研究，这些研究将会为我国辐射采暖和供冷系统的发展起到促进和指导作用。

4　结语

毛细管平面辐射空调是新型的空调系统，其具有高效节能、绿色环保、节省空间、高舒适性和使用寿命长等特点，具有良好的市场前景。在德国、英国等地已大量应用，国内也有一些楼宇使用了这一技术，效果良好。目前这项技术中有些问题仍需继续研究改进，如结露问题，如何将可再生资源利用产生更高的效率等。但由于其自身的多项优点，必将成为未来空调研究的重要方向。

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特此公告。

（本刊编辑部）

THE DESIGN ANALYSIS AND PROSPECTS OF CAPILLARY PLANE RADIATION AIRCONDITIONING SYSTEM

NIE Xin，ZHU Xiao-han，LIU Yi-cai
（School of Energy science and Engineering，Central South University，Changsha410083，China）

Capillary plane radiation air-conditioning system is a new air-conditioning system that has broken the traditional air-conditioning system.Based on a detailed study of capillary plane radiation air-conditioning principles，characteristics and the basic structure，this paper pointed out several defects of the capillary plane radiation air-conditioning system such as the condensation phenomenon，the defect of control system ect.In addition，some reasonable design suggestions and future research directions were given in this article.

capillary plane radiantion air-conditioning system；energy-saving；design；prospect

TB657.2

A

1006-7086（2015）01-0051-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.012

2014-12-06

中南大学2014年大学生国家级创新实验项目（201410533024）

聂鑫（1993-），男，甘肃天水人，本科生，从事制冷及低温工程研究。E-mail：happyznzn@csu.edu.cn。