(輻射供冷系統(tǒng)簡析-云南專業(yè)地暖新風空調)
節(jié)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針,也是當前一項極為緊迫的任務。其中空調能耗占整個建筑能耗的一半以上。因此,應采取一切可行的方案以降低建筑能耗,緩解電力緊張局面,成為迫在眉睫的大事。建設低能耗的建筑和使用節(jié)能綠色空調系統(tǒng)便是其中最有效的解決方案。
輻射空調系統(tǒng),作為一種節(jié)能空調系統(tǒng),可以很好地與低能耗或綠色建筑結合,有著良好的應用前景。
1輻射供冷的原理與現(xiàn)狀
輻射供冷是指降低圍護結構內表面中一個或多個表面的溫度,形成冷輻射面,依靠輻射面與人體、家具及圍護結構其余表面的輻射熱交換進行降溫的技術方法。由于輻射供冷系統(tǒng)中輻射傳熱所占份額在50%以上,當采用輻射供冷時室內作用溫度可比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)降低1~2℃。輻射供冷具有節(jié)能、舒適性強、污染性小等優(yōu)點,本文將對輻射供冷進行分析。
輻射供冷的主要優(yōu)點:
(1)節(jié)能:由于傳統(tǒng)空調中熱量的介質主要是空氣,但是空氣的比熱容較低,而輻射供冷的介質不采用空氣,因此它在輸配傳熱介質上的耗能要比傳統(tǒng)空調小得多,節(jié)能可達到28%~40%;
(2)舒適性強:一般認為,舒適條件下人體產(chǎn)生的熱量,大致以如下比例散發(fā):對流30%、輻射45%、蒸發(fā)25%。輻射供冷在夏季降低圍護結構表面溫度,加強人體輻射散熱份額,提高了舒適性。另外,傳統(tǒng)的空調如果要想實現(xiàn)溫、濕度的同步控制,一般需要對新風再熱,導致能耗增加,唯一和解決途徑就是犧牲溫濕度中的其中一項,這樣就相當于犧牲了室內的熱舒適性;而輻射供冷可以實現(xiàn)溫濕度分開控制,且輻射供冷在室內形成的溫度梯度很小,風速極小,達到良好的室內舒適性。
(3)提供一種新的末端形式,有利于系統(tǒng)及布置方式的優(yōu)化空調送風系統(tǒng),特別是采用全新風的空調系統(tǒng),其風管截面大、占用建筑空間大、有時還會與建筑的梁相碰,難于布置。采用地板或頂板供冷,有利于系統(tǒng)和布置方式進一步優(yōu)化,減少建筑層高的增加幅度。
輻射供冷20世紀70年起代源于歐洲,早在上個世紀90年代就在歐洲一些發(fā)達國家的的民用建筑中得到具體應用。到目前為止,在歐洲已廣泛應用于商場、超市、銀行等場所,特別在德國和瑞士。
輻射供熱系統(tǒng),在我國已經(jīng)有了多年的應用歷史,其舒適性和節(jié)能效益得到了業(yè)內同行的一致好評。輻射供冷有著與傳統(tǒng)空調無法比擬的優(yōu)勢,但輻射供冷在我國起步較晚,至今還未有實際場所大面積的應用,僅僅停留在理論研究和實驗室論證的階段。隨著國家提倡節(jié)能減排的政策越來越強烈,低碳建筑不斷被廣泛應用,再加上人們對室內空調的舒適性要求越來越高,因此,輻射供冷是相當有前景的。
2供冷系統(tǒng)的組成
一般輻射供冷系統(tǒng)結合相關空調系統(tǒng)進行合理配置,由冷熱源、輻射供冷供熱末端系統(tǒng)及獨立除濕新風系統(tǒng)三部分組成。
2.1空調冷熱源部分
空調冷熱源采用高效率、低污染、使用可再生能源的主機。如利用地熱、地(下)表水等可再生資源作為冷熱源的空調系統(tǒng),或者高效率的制冷制熱空調系統(tǒng)。
2.1.1土壤源熱泵(地源熱泵)
土壤熱泵系統(tǒng)采用垂直(埋管深度在地下100m以內,也可利用建筑混凝土樁基埋管)或水平埋管形式,利用地下淺層土壤溫度常年保持在10~20℃左右的特點,通過地下埋管管內的介質循環(huán)與土壤進行閉式熱交換以達到供冷供熱的目的。夏季通過熱泵將建筑物內的熱量轉移到地下,對建筑進行降溫;冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高品位對建筑物供暖。同時還可提供衛(wèi)生熱水。土壤源為可再生性能源,由于地下?lián)Q熱器為閉式系統(tǒng),不會污染地下水資源,對環(huán)境零污染。
為保證土壤源熱泵長期穩(wěn)定運行的關鍵技術,就是地下?lián)Q熱器系統(tǒng)的精確設計與良好的安裝工藝。
2.1.2水源熱泵
水源熱泵,直接利用地下水或者江河湖泊水塘作為空調系統(tǒng)的冷熱源,夏季吸收建筑物余熱量,冬季向建筑物輸送熱量。分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩類。
(1)開式系統(tǒng):直接采用地下水作為空調系統(tǒng)的冷熱源時,如果處理不當,有可能污染地下水,或者取水與回灌量的不平衡,從而造成系統(tǒng)不能安全穩(wěn)定地長期運行。所以此方式,雖然能源具有可再生性,但是由于設計要求較高,并且受地質條件和當?shù)卣叩南拗疲瑧鶕?jù)實際情況慎重選用。
(2)閉式系統(tǒng):采用江河、湖泊、水塘等地表水作為冷熱源時,由于通常采用閉式系統(tǒng),對環(huán)境無污染,且安裝方便,在地表水資源豐富的地區(qū)采用較好。
2.1.3風冷熱泵機組
風冷熱泵機組主要應用在冬冷夏熱(冬季非采暖)地區(qū)。由于其安裝方便、維護簡單,對于家庭等分散用戶是一個有效的選擇。
2.2空調末端部分
供冷輻射與環(huán)境的熱交換一般有兩種形式,即對流和輻射,因此根據(jù)這兩種熱交換的形式,其末端也對應兩種設備,即對流式和輻射式。對流式供冷還可以分
為,主動式冷梁和被動式冷梁。
2.2.1輻射式
輻射式可以分為吊頂式和樓板式兩種。樓板式又可以分為毛細管式和混凝土式。毛細管式一般使用內徑很小的塑料管,供冷能力有限,一般為40~65W/m2。對室內負荷變化的反應快,而在輻射能力相當?shù)那闆r下造價低、安裝簡捷、節(jié)約建筑空間。可以根據(jù)客戶要求定制尺寸、干濕式建筑施工要求均可。混凝土式是把冷水管直接進入樓板混凝土中,與建筑圍護結構形成一體,它的供冷能力更小,只有30W/m2,一般滿足建筑的基礎冷負荷。吊頂式在閉式平滑表面,它一般直接懸吊在天花板下方。吊頂式在房間垂直方向上溫度波動極小,提供的冷量不超過100W/m2。總體來說,輻射式供冷引起的室內空氣對流風速很小,室內人員沒有
吹風感,一般應用于冷負荷不太大的場所,如辦公室、學校、銀行等。其優(yōu)點為:
(1)節(jié)能和舒適。夏季不需低溫冷水,供水溫度為16℃時,空調系統(tǒng)的運行效率可達到10.0。空調末端系統(tǒng)可以和任何形式的冷熱源結合使用,尤其是與土壤源熱泵、閉式地表水水源熱泵配套使用,由于夏季可以直供,不需要開啟機組制冷,節(jié)能效果更明顯。同時具有舒適性高的優(yōu)點。
(2)空氣品質好。輻射空調系統(tǒng)采用獨立新風形式,不存在和回風的混合,因而空調品質好。
(3)節(jié)省建筑空間。基本不占用吊頂空間,因而可降低房間層高要求,從而大大節(jié)省建筑投資。而且安裝方便、快捷,經(jīng)濟性好。
缺點:供冷能力不強,局限性小。
2.2.2對流式
(1)吊頂式。對流式吊頂一般有強化空氣流動的縫隙,加強對流換熱,其所占換熱比例超過50%。對流式系統(tǒng)的房間垂直方向溫度波動也較小,一般在2K以內,比輻射式略高。提供的供冷量也不超過。風速比輻射式高,但也不會超過0.15m/s。這種供冷方式適合冷負荷較大的場所,如商場、超市等。
(2)冷梁。冷梁與環(huán)境之間的熱交換絕大部分是通過對流進行,對流比例達90%~95%。冷梁按有無新風通入可分為主動式冷梁(如圖1所示)和被動式冷梁(如圖2所示)。
主動式冷梁有新風通入,新風以極高的速度進入冷梁,從而產(chǎn)生負壓,誘導周圍空氣進入冷梁,并通過冷梁內的盤管進行對流換熱,從而降低室內空氣溫度。
由于主動式冷梁的出風流速較高,不能直接布置在人員活動的正上方。主動式冷梁又可分為單側送風和雙側送風。單側送風主要敷設在房間天花的邊緣處;雙側
送風布置在天花中間。其供冷系統(tǒng)能力很大,可達620W/m2適用于冷負荷非常高的場所。
被動式冷梁與主動式的最大區(qū)別就是它沒有新風參與室內的對流換熱,只是一個封閉循環(huán)。被動式冷梁下方的氣流速度也比較大,同樣不能直接布置在工作人員的上方,它的供冷負荷可以達到400W/m2。
2.3獨立除濕新風系統(tǒng)
輻射供冷不能去除室內的潛熱負荷,因此,可以利用獨立的新風系統(tǒng)來承擔潛熱負荷。另外,為避免輻射表面出現(xiàn)結露的現(xiàn)象,新風系統(tǒng)也要進行除濕處理。
2.3.1用冷卻方式除濕
此方式運行可靠、技術成熟、能效較高。但冷卻除濕的原理必須將要處理的空氣冷卻到機器露點以下,然后對空氣再熱,對能源的使用效率受到制約,而且不能利用低位能源(包括可再生能源)。
2.3.2液體除濕新風系統(tǒng)
液體除濕系統(tǒng)利用溶液的吸濕能力去除空氣中的水分,溶液通過加熱再生然后循環(huán)使用。除濕后的空氣再由表冷器除去顯熱,構成一除濕新風系統(tǒng)。液體除濕可以使用低品位能源(如太陽能、地熱、余熱等)。由于液體除濕系統(tǒng)的可獨立除濕(處理潛熱)的能力,在空調系統(tǒng)中的應用將有廣泛的領域。目前由于其體積大,溶液有腐蝕性等弱點,尚未得到大量的使用。隨著研發(fā)的進一步深入,液體除濕系統(tǒng)會有更大的突破。
3輻射供冷的其它設計特點
3.1送風方式的選擇
為保證室內的良好熱舒適性,避免產(chǎn)生吹風感,達到節(jié)能的要求,因此一般選用天花板頂送風和置換通風。
(1)天花板頂送風方式技術比較成熟,獨立新風系統(tǒng)可以直接選用和全空氣系統(tǒng)相似的空調機組,再配合高吸入性的旋流風口,這樣新風(經(jīng)冷卻除濕)可以不需要再加熱,而直接送入房間,而且人員不會有吹風感,另外,頂送風可以加強空氣的擾動,提高換熱效果,從而提高供冷量。
(2)置換通風的換氣效率、能量利用效率都高于天花板頂送風系統(tǒng)。但由于置換通風要求的送風溫差不宜大(低于3K),須對新風進行再加熱,因此造成了能源浪費。
3.2輻射供冷水系統(tǒng)
由于輻射供冷水系統(tǒng)比較復雜,需要提供兩組不同溫度的冷水,一組為輻射供冷,一組為獨立新風系統(tǒng)。輻射供冷系統(tǒng)的水溫一般在15~20℃之間,有3種方案實施:
(1)方案一(如圖3所示):輻射供冷和獨立新風共用一套水系統(tǒng)。獨立新風系統(tǒng)采用一次冷水,水溫較低;輻射供冷采用二次冷水,通過板式換熱器進行熱交換的,則水溫略高。此方案設計簡單,控制容易。
(2)方案二(如圖4所示):冷水機出來的冷水先對獨立的新風系統(tǒng)進行處理,再處理輻射供冷。一般冷回水(已處理好新風系統(tǒng))的水溫為12℃,滿足輻射供冷對冷凍水溫的要求。另外可以在輻射供冷回水處加裝三通,以調節(jié)輻射供冷的水溫,這樣冷水就兩次利用,降低了冷量損失。
(3)方案三:為獨立新風和輻射供冷各設一套冷水系統(tǒng),此設計有很強的針對性,可以降低系統(tǒng)能耗,但初投資比較大。
4結語
輻射供冷具有節(jié)能、舒適性好、節(jié)省建筑空間等優(yōu)點,在應用過程中,應注意以下幾點:
(1)輻射供冷系統(tǒng)應該與置換通風、天花板頂送風相結合,互相取長補短。特別是蒸發(fā)冷卻與輻射供冷相結合的半集中式空調系統(tǒng)由于采用了零費用的蒸發(fā)冷卻技術,符合國家節(jié)能減排的政策,有著廣闊的市場前景。因此,目前蒸發(fā)冷卻與輻射末端相結合的半集中式空調系統(tǒng)已成為業(yè)內關注的研究熱點。
(2)采用輻射供冷與置換通風系統(tǒng)相結合時,輻射供冷承擔室內顯熱復合;置換通風承擔新風的潛熱負荷和濕負荷。但是冷負荷分配是個關鍵的問題,有待于繼續(xù)研究討論。
(3)采用輻射供冷系統(tǒng)時,除濕是個關鍵問題。隨著除濕技術的發(fā)展,輻射供冷將呈現(xiàn)更多的形式,其供冷能力也將大幅度的提高。
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