毛細(xì)管頂板輻射空調(diào)應(yīng)用中一些問題的探討

吳炳陽 劉光遠(yuǎn) 楊衛(wèi)波

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)普遍采用溫濕度耦合的控制方法，使得本可以利用高溫冷源帶走的熱量與除濕一起共用低溫冷源進(jìn)行處理來滿足舒適度的要求，造成能量利用品質(zhì)的浪費(fèi);另外還存在冷表面滋生霉菌、對(duì)流吹風(fēng)感強(qiáng)、風(fēng)機(jī)盤管的噪聲等問題。毛細(xì)管頂板輻射系統(tǒng) 20世紀(jì)末起源于歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，在提高環(huán)境的舒適性和節(jié)約能源兩方面具有獨(dú)到之處。由于頂板輻射供冷(供暖)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供冷(供暖)與通風(fēng)功能的分離，其室內(nèi)空氣參數(shù)的控制有別于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，從而在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面與傳統(tǒng)空調(diào)有很大差異。下面對(duì)毛細(xì)管頂板輻射系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)注意的一些問題進(jìn)行討論。

1 系統(tǒng)原理及組成

頂板輻射供冷(供暖)加置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)以水作為冷(熱)媒，置換通風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)通風(fēng)換氣的任務(wù)，滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求，并消除室內(nèi)的全部潛熱負(fù)荷和濕負(fù)荷并承擔(dān)部分顯熱負(fù)荷，其余的顯熱負(fù)荷由輻射頂板承擔(dān)。輻射和對(duì)流是頂板輻射的主要換熱方式，以輻射換熱為主導(dǎo)[1]。毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)是以毛細(xì)管為主要傳熱裝置，以水為冷(熱)媒，與冷熱源、水循環(huán)系統(tǒng)、新風(fēng)調(diào)濕系統(tǒng)和自控系統(tǒng)構(gòu)成以冷、熱輻射為主要特征的供冷、供暖空調(diào)系統(tǒng)[2]。

2 設(shè)計(jì)

2.1 室內(nèi)計(jì)算溫度選擇

目前，在我國(guó)暖通空調(diào)工程中，常采用冷負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷。輻射供冷(供暖)系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算仍然沿用傳統(tǒng)空調(diào)的負(fù)荷計(jì)算方法，但應(yīng)注意輻射空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)計(jì)算溫度可以直接選用作用溫度。當(dāng)采用輻射供冷(供暖)時(shí)，室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度可以提高(降低)1℃～2℃。

2.2 新風(fēng)系統(tǒng)

當(dāng)輻射吊頂用于供冷時(shí)，由于冷卻頂板系統(tǒng)不能消除室內(nèi)的潛熱負(fù)荷(濕負(fù)荷)，空調(diào)房間的濕負(fù)荷必須由新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)。另外，根據(jù)室內(nèi)空氣品質(zhì)、正壓及排風(fēng)的要求，必須向室內(nèi)供給新風(fēng)。因此可以利用通風(fēng)系統(tǒng)有組織的送入處理過的新風(fēng)來消除室內(nèi)潛熱負(fù)荷，避免表面結(jié)露，改善室內(nèi)衛(wèi)生條件，進(jìn)一步提高供冷能力。由于只需承擔(dān)部分熱負(fù)荷，所以送風(fēng)量小于全空氣空調(diào)系統(tǒng)，通常采用獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)。

2.2.1 送風(fēng)方式及送風(fēng)量的確定

頂板輻射常與置換通風(fēng)相結(jié)合，置換通風(fēng)的通風(fēng)效率、換氣效率高于混合通風(fēng)，且置換通風(fēng)可以降低輻射頂板造成的溫度梯度提高熱舒適性。新風(fēng)量滿足以下要求:1)滿足室內(nèi)衛(wèi)生條件; 2)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷要求。兩者中的較大者作為最小新風(fēng)量的取值。

2.2.2 送風(fēng)風(fēng)速、送風(fēng)溫度及送風(fēng)口尺寸的確定[3]

為滿足工作區(qū)的熱舒適性要求:-0.5≤PMV≤0.5、吹風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)不滿意率PD≤10%、工作區(qū)的溫度梯度t1.1-t0.1＜3℃，t0.1(min)≥20℃，建議復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)速度不超過 0.3m/s、送風(fēng)溫度不低于 19℃。而在不改變送風(fēng)量的前提下，縮小風(fēng)口尺寸或增大風(fēng)口尺寸對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響很小，風(fēng)口尺寸的選擇應(yīng)主要考慮風(fēng)口的初投資和室內(nèi)安裝布置的方便。

2.2.3 熱濕處理

常見的新風(fēng)系統(tǒng)由全熱交換器、表冷器、顯熱交換器、送風(fēng)風(fēng)機(jī)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)及預(yù)熱裝置組成。室外新風(fēng)先經(jīng)過全熱交換器，與排風(fēng)進(jìn)行全熱交換后進(jìn)入表冷器冷卻除濕，最后經(jīng)過顯熱交換器等濕加熱后滿足送風(fēng)要求送入室內(nèi)。室內(nèi)排風(fēng)經(jīng)過顯熱交換器對(duì)新風(fēng)進(jìn)行等濕加熱后再經(jīng)全熱交換器全熱回收后排向室外。在冬季，若室外新風(fēng)的干球溫度低于 0℃，進(jìn)入全熱交換器后會(huì)發(fā)生結(jié)霜的現(xiàn)象。為了避免這個(gè)問題的產(chǎn)生，系統(tǒng)設(shè)置了預(yù)熱裝置。

國(guó)內(nèi)目前獨(dú)立新風(fēng)處理方式大致還有以下幾種:針對(duì)高溫高濕地區(qū)提出的“全熱回收 +直接膨脹”的新風(fēng)處理方法[4]、新風(fēng)轉(zhuǎn)輪除濕、冷卻加轉(zhuǎn)輪固體吸附除濕、太陽能液體除濕、表冷器加熱管熱回收新風(fēng)處理[5]。

2.3 供水方案的選擇

輻射頂板一般采用 16℃/18℃的高溫冷源，一方面如果使用制冷機(jī)的話，可以將其COP值提高20%左右[6];另一方面使得低品位熱源，深井水，湖泊水及在過渡季節(jié)通過冷卻塔的冷卻水都有成為免費(fèi)冷熱源的可能。由于除濕的需要，獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)供水溫度的要求與傳統(tǒng)空調(diào)相同甚至更低。為此，需要提供兩路冷凍水系統(tǒng)，一路 16℃/18℃供毛細(xì)管輻射板使用，一路 7℃/ 12℃供獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)使用。以下是常見的供水方案。

方案一:并聯(lián)冷水系統(tǒng)(見圖 1)。輻射板與空氣處理機(jī)組共用一套冷水機(jī)組，冷凍水設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)，一路水溫較低(7℃/ 12℃)，供給空氣處理機(jī)組;另一路與毛細(xì)管輻射板的回水相混合，得到相對(duì)較高的供水溫度(16℃/18℃)，滿足毛細(xì)管輻射板的供水要求。這種方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于控制。

方案二:串聯(lián)冷水系統(tǒng)。輻射板與空氣處理機(jī)組共用一套冷水機(jī)組，從冷水機(jī)組出來的冷凍水先供給空氣處理機(jī)組，空氣處理機(jī)組的回水與毛細(xì)管輻射板的回水混合作為毛細(xì)管輻射板的供水。這種方法提高了循環(huán)水泵的輸水系數(shù)，節(jié)省水系統(tǒng)的設(shè)備投資和運(yùn)行能耗，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)較難控制。

克里斯蒂娜和威爾無聊地翻著圖片書，每發(fā)現(xiàn)一張有趣的就用胳膊肘戳一下對(duì)方。他們挨著坐在那里，我才注意到他們兩個(gè)差別有多大：克里斯蒂娜黝黑消瘦，威爾卻白皙結(jié)實(shí)。要非說有什么相同點(diǎn)，那就只有發(fā)自內(nèi)心的笑了。

方案三:通過板換并聯(lián)的冷水系統(tǒng)。在方案一的基礎(chǔ)上再設(shè)置換熱器，一路水溫較低(7℃/12℃)，直接供給空氣處理機(jī)組;另一路通過換熱器使毛細(xì)管輻射板的回水從 18℃下降到 16℃。這種方法系統(tǒng)簡(jiǎn)單、初投資較低，但是冷水機(jī)組的供回水溫差小于其他方案，故運(yùn)行費(fèi)用較高。

方案四:獨(dú)立冷水系統(tǒng)(見圖2)。一套冷水機(jī)組產(chǎn)生7℃/12℃的冷凍水供給空氣處理機(jī)組;另一套冷水機(jī)組產(chǎn)生 16℃/18℃的冷凍水供給毛細(xì)管輻射板。該方案分別設(shè)置冷水機(jī)組充分發(fā)揮了毛細(xì)管輻射板供回水溫度較高的優(yōu)勢(shì)，可以有效降低機(jī)組運(yùn)行能耗，同時(shí)為冷卻頂板系統(tǒng)使用替代冷源提供了可能，但會(huì)增加系統(tǒng)初投資。

從系統(tǒng)能耗的比較，方案一與方案二的能耗大致相等，若以方案一的能耗為100%計(jì)，方案三的能耗為101.42%，方案四的能耗為 93.07%[7]。方案四提高了冷水機(jī)組的供回水溫度，提高了COP值，系統(tǒng)能耗最低，設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮此種方案。

一般認(rèn)為，毛細(xì)管輻射板末端能與地源熱泵冷水機(jī)組很好的結(jié)合。一方面，地源熱泵機(jī)組能夠解決冬天采暖的熱源問題，無需再另外設(shè)置熱源;另一方面，由于毛細(xì)管輻射板冬天供暖工況的供回水溫度為 35℃/31℃，而傳統(tǒng)采暖方式的供回水溫度為60℃/50℃，使得地源熱泵機(jī)組在采暖季節(jié)運(yùn)行時(shí)的COP值較傳統(tǒng)采暖方式有所提高。設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮地源熱泵技術(shù)與方案四相結(jié)合的冷熱源方案。

2.4 毛細(xì)管輻射板的選型

根據(jù)廠家提供的毛細(xì)管供冷(熱)能力參數(shù)曲線，統(tǒng)籌敷設(shè)面積(必須小于可敷設(shè)面積)及毛細(xì)管安裝間距，使毛細(xì)管輻射板的供冷(熱)量大于所承擔(dān)的設(shè)計(jì)冷(熱)負(fù)荷與裕量系數(shù)的乘積。

3 施工

系統(tǒng)的施工安裝工藝與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)無異，但是由于送風(fēng)量的減少，置換通風(fēng)系統(tǒng)施工費(fèi)用要比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的少。毛細(xì)管網(wǎng)與裝飾面層結(jié)合時(shí)可以隨面層形狀安裝，對(duì)裝飾影響很小。安裝了毛細(xì)管網(wǎng)的面層溫差范圍一般在 20℃以內(nèi)，不會(huì)因采暖制冷產(chǎn)生熱脹冷縮變形引起面層開裂，但是需要防止面層空鼓。一般采取聚合物砂漿結(jié)合鋼絲網(wǎng)或玻纖網(wǎng)的裝修做法。施工中應(yīng)防止不良的裝修和使用習(xí)慣，不允許在安裝毛細(xì)管的地板、墻面或吊頂上釘釘、打洞或鉆孔。

4 運(yùn)營(yíng)維護(hù)

運(yùn)營(yíng)方式對(duì)于體現(xiàn)該系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)有著至關(guān)重要的作用。在啟動(dòng)毛細(xì)管輻射板系統(tǒng)前先開啟空氣處理系統(tǒng)，對(duì)房間空氣進(jìn)行除濕和冷卻，當(dāng)室內(nèi)空氣參數(shù)不會(huì)使冷卻頂板結(jié)露時(shí)，再開啟毛細(xì)管輻射板系統(tǒng)。在有可使用的低品位熱源時(shí)，應(yīng)盡量利用低品位熱源。一般毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)的壽命周期超過 50年。損壞時(shí)，維修非常簡(jiǎn)單，只需挖開墻面采用熱熔方式封閉受損毛細(xì)管。

5 結(jié)語

1)傳統(tǒng)空調(diào)方式不斷地受到熱舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)和節(jié)能的三大挑戰(zhàn)，研究開發(fā)新型的潔凈健康并且節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)是今后的重點(diǎn)。毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)以其舒適、節(jié)能、安裝方便、節(jié)約空間、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)會(huì)成為未來高舒適性空調(diào)的主要發(fā)展方向。

2)由于毛細(xì)管輻射板一般采用 16℃/18℃的高溫冷源及31℃/35℃低溫?zé)嵩?，這就要求設(shè)備生產(chǎn)廠家開發(fā)出適合該系統(tǒng)的小溫差大流量的冷水機(jī)組，同時(shí)也要求設(shè)計(jì)人員對(duì)可替代的低品位熱源進(jìn)行應(yīng)用研究。

3)地源熱泵技術(shù)與毛細(xì)管輻射空調(diào)相結(jié)合能進(jìn)一步降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 王子介.低溫輻射供暖與輻射供冷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 馬玉奇，劉學(xué)來.海御國(guó)際公寓輻射頂板系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào)，2008，22(3):98-100.

[3] 袁 鋒.頂板輻射—置換通風(fēng)復(fù)合空調(diào)室內(nèi)熱環(huán)境研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2007.

[4] 嚴(yán)衛(wèi)東，馬 騫，韓 旭.毛細(xì)管輻射式空調(diào)系統(tǒng)在高溫高濕地區(qū)的新風(fēng)處理方案探討[J].制冷與空調(diào)，2009，23(6): 45-48.

[5] 王玉平.地板送風(fēng)與冷卻頂板結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)在高級(jí)辦公建筑中的應(yīng)用[D].上海:上海交通大學(xué)，2008.

[6] 左 濤.獨(dú)立新風(fēng)結(jié)合吊頂冷輻射板空調(diào)系統(tǒng)(DOAC+ CRCP)的應(yīng)用[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2006(5):61-64.

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