輻射空調(diào)系統(tǒng)可利用的幾種節(jié)能技術(shù)分析

楊偉（中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200063）

輻射空調(diào)系統(tǒng)可利用的幾種節(jié)能技術(shù)分析

楊偉
（中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200063）

介紹了幾種可與輻射空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的空調(diào)節(jié)能技術(shù)。輻射末端所需冷水溫度較高，可與高溫冷水機(jī)組、蒸發(fā)冷卻、地源熱泵、冷卻塔免費(fèi)供冷等技術(shù)結(jié)合，承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，降低系統(tǒng)能耗。而冰蓄冷技術(shù)可與新風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合，一方面利用電價(jià)峰谷優(yōu)勢(shì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，另一方面干燥的新風(fēng)有利于輻射空調(diào)系統(tǒng)的啟動(dòng)。同時(shí)也應(yīng)注意各項(xiàng)技術(shù)的適用性。

輻射空調(diào)系統(tǒng)； 土壤源熱泵； 免費(fèi)供冷； 節(jié)能

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.022

0　引言

近年來(lái)，輻射吊頂以其舒適、節(jié)能、美觀等特點(diǎn)，在歐洲地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在上海、廣州、深圳等地也已有了一些應(yīng)用案例。輻射空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性取決于系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的良好運(yùn)行。本文就輻射空調(diào)系統(tǒng)可利用的幾種節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了具體的分析，注重應(yīng)用的同時(shí)也需注意其適用性。

1　可利用的幾種技術(shù)分析

輻射空調(diào)系統(tǒng)一般由兩部分組成，輻射末端的顯熱負(fù)荷和新風(fēng)系統(tǒng)的潛熱及部分顯熱負(fù)荷。輻射末端一般僅承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。由于夏季受室內(nèi)露點(diǎn)溫度影響和冬季受熱輻射不平衡性影響，冷水夏季供回水溫度一般為16/19℃，熱水冬季供回水溫度為32/29℃（具體溫度根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)工況確定）。這就為低溫天然冷源提供了利用的可能，以達(dá)到最佳節(jié)能效果。輻射空調(diào)系統(tǒng)濕度由新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，新風(fēng)除濕可采用冷凝除濕、溶液除濕、轉(zhuǎn)輪除濕、太陽(yáng)能除濕等手段。

1.1高溫冷水機(jī)組

此處的“高溫”是相對(duì)于冷水機(jī)組常規(guī)工況而言。

常規(guī)冷水機(jī)組設(shè)計(jì)工況冷水供回水溫度一般為7/12℃。對(duì)于輻射空調(diào)系統(tǒng)末端而言，如果采用該工況冷水溫度有可能導(dǎo)致末端輻射板表面結(jié)露。如為獲得所需冷水溫度而設(shè)置板換，則會(huì)造成高品位能源的浪費(fèi)。如果常規(guī)冷水機(jī)組用于“高溫”工況運(yùn)行，由于壓縮比較小，有可能會(huì)影響機(jī)組的穩(wěn)定性。所以高溫冷水機(jī)組一般會(huì)在常規(guī)冷水機(jī)組的基礎(chǔ)上對(duì)壓縮機(jī)、蒸發(fā)冷凝換熱器等進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)［1，2］。

表1　高溫離心式冷水機(jī)組測(cè)試結(jié)果［1］

表2　高溫螺桿式冷水機(jī)組測(cè)試結(jié)果［2］

由表1和表2可知，出水溫度為16℃的高溫冷水機(jī)組與出水溫度為7℃常規(guī)冷水機(jī)組相比，COP提高約35%。但目前“真正”的高溫冷水機(jī)組產(chǎn)品很少甚至沒(méi)有，高溫冷水機(jī)組的研究還任重道遠(yuǎn)。

對(duì)于輻射空調(diào)系統(tǒng)而言，采用高溫冷水機(jī)組可降低機(jī)組能耗，但由于冷熱水供回水溫差?。ㄒ话銥?℃），水泵能耗會(huì)增加。系統(tǒng)的節(jié)能性取決于機(jī)組能耗與水泵能耗的比例，也就是說(shuō)，系統(tǒng)中機(jī)組能耗所占比例越大，采用高溫冷水機(jī)組越有利于節(jié)能。而對(duì)于水泵而言，可采取適當(dāng)增大沿程干管管徑等措施以減小該部分的能耗。管徑的增大有可能造成整體工程造價(jià)的上升。因此輻射空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性需總體考慮。

磁懸浮冷水機(jī)組采用無(wú)油潤(rùn)滑磁懸浮技術(shù)，系統(tǒng)無(wú)油，提高了換熱表面的換熱效率；同時(shí)磁懸浮軸承避免了常規(guī)軸承的摩擦損失，機(jī)組效率更高［3］。因此，磁懸浮高溫冷水機(jī)組與輻射空調(diào)末端相結(jié)合，節(jié)能性將會(huì)進(jìn)一步增加。

1.2冰蓄冷

1.2.1冰蓄冷除濕性能分析

與常規(guī)系統(tǒng)相比，由于制冷機(jī)在制冰工況效率較低，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)一般并不節(jié)能，但在一定程度上可緩解城市、地區(qū)的電網(wǎng)供電狀況，緩解電力負(fù)荷峰谷差現(xiàn)象，具有一定的積極作用。通過(guò)工程實(shí)踐，一般認(rèn)為當(dāng)峰谷電價(jià)差較大（最小峰谷電價(jià)比不低于3∶1），回收投資差額的期限不超過(guò)5a時(shí)較為合理可行［4］。

空氣冷卻器的出風(fēng)溫度與冷媒的進(jìn)口溫度一般不宜小于3℃，按常規(guī)冷水機(jī)組冷水工況（7/12℃）可達(dá)到最低送風(fēng)溫度為10℃，這一般也是低溫送風(fēng)的送風(fēng)溫度分界點(diǎn)。冰蓄冷系統(tǒng)進(jìn)入盤(pán)管的冷媒溫度可達(dá)到1～4℃，最低送風(fēng)溫度可達(dá)到7℃或以下。由表3可知，如果新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)所有濕負(fù)荷，當(dāng)室溫低于26℃時(shí)常規(guī)冷凍除濕無(wú)法滿(mǎn)足要求。此時(shí)可采用冰蓄冷技術(shù)、增大新風(fēng)量（不建議）、新風(fēng)系統(tǒng)采用部分回風(fēng)或溶液除濕等措施，以滿(mǎn)足除濕需求。

對(duì)于輻射空調(diào)系統(tǒng)而言，為滿(mǎn)足除濕需求，早晨新風(fēng)系統(tǒng)提前運(yùn)行以防輻射板結(jié)露。當(dāng)新風(fēng)系統(tǒng)與冰蓄冷系統(tǒng)結(jié)合時(shí)，一方面新風(fēng)處理的較為干燥，有利于早晨的啟動(dòng)除濕；另一方面，可利用電價(jià)的峰谷差、大溫差技術(shù)（冷水大溫差、送風(fēng)大溫差）以降低水泵、風(fēng)機(jī)能耗和減小水管、風(fēng)管尺寸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性。但新風(fēng)送風(fēng)溫度較低，新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)荷比例升高，輻射末端承擔(dān)顯熱負(fù)荷比例下降，系統(tǒng)的節(jié)能性可能有限。同時(shí)冰蓄冷裝置的融冰特性也很關(guān)鍵，一般融冰末期供水溫度高，新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)荷和除濕能力均變小，工程中需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)分析。

1.2.2冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)

文獻(xiàn)［5，6］對(duì)冰蓄冷與輻射供冷系統(tǒng)的結(jié)合有一定分析。圖1為文獻(xiàn)［5］的冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)采用主機(jī)上游串聯(lián)、主機(jī)優(yōu)先工作模式，負(fù)荷較小時(shí)采用融冰供冷模式，負(fù)荷較大時(shí)采用制冷機(jī)組、融冰聯(lián)合供冷模式。冰蓄冷系統(tǒng)負(fù)擔(dān)新風(fēng)除濕所需冷量和部分毛細(xì)管輻射供冷所需冷量，同時(shí)可利用地下土壤這一免費(fèi)冷源為毛細(xì)管提供主要的冷量。文獻(xiàn)［5］通過(guò)對(duì)杭州市某一建筑面積為6800m2的辦公室進(jìn)行計(jì)算，得出如下結(jié)論：冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)供冷季節(jié)的能耗減少31.02%。

表3　輻射空調(diào)系統(tǒng)除濕分析

圖1　冰蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)原理圖［5］

1.3地源熱泵

1.3.1土壤源熱泵

由于地下10m以下土壤溫度幾乎保持常年不變，約等于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁兀?］。夏季作為”冷凝器”向土壤放熱，冬季作為”蒸發(fā)器”從土壤吸熱。地源熱泵可與新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合，對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)冷凍除濕；或提供高溫冷水（16/19℃）、低溫?zé)崴?2/29℃）與輻射末端結(jié)合，提高機(jī)組的COP降低系統(tǒng)能耗。同時(shí)，冬季采用地源熱泵供暖，與燃油燃?xì)忮仩t相比，減少了污染物的排放。

輻射末端所需冷水溫度約為16℃，對(duì)于諸如哈爾濱、北京等城市，可利用土壤源免費(fèi)供冷，可直接利用地埋管與土壤換熱，對(duì)輻射板進(jìn)行供冷，參考圖1。但需注意地源熱泵的熱平衡、熱堆積問(wèn)題，應(yīng)盡量保證地源熱泵冬夏季的取放熱量一致，如差別較大時(shí)需考慮增設(shè)輔助冷熱源、控制運(yùn)行時(shí)間等措施。土壤溫度的“恒溫”建立在熱平衡的基礎(chǔ)上。季節(jié)性的一味取熱或放熱，均會(huì)影響機(jī)組的制熱量或制冷量。

1.3.2水源熱泵

水源熱泵應(yīng)用同土壤源熱泵。地下水源熱泵存在回灌問(wèn)題，存在一定隱患。而地表水源熱泵系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致水體熱污染，破壞生態(tài)環(huán)境。文獻(xiàn)［8］對(duì)地表水源熱泵的熱污染有如下分析：當(dāng)湖水水溫升高后水中溶解氧減少，一般當(dāng)水體溶解氧降到1mg/l時(shí)，大部分魚(yú)類(lèi)會(huì)發(fā)生窒息而死亡。即使是暖水種的魚(yú)類(lèi)往往也很難承受30～35℃的高溫水環(huán)境。另有研究表明，表面水溫的升高還會(huì)影響?hù)~(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵以及降低魚(yú)卵存活率；魚(yú)類(lèi)對(duì)水體的溫升非常敏感，即使只有1℃的溫升，都會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)的生存繁殖造成不小的影響。水溫的升高還會(huì)使水中含有的病毒、細(xì)菌大量滋生泛濫或有毒物質(zhì)濃度增加，造成疫病流行；水溫由8℃升至18℃水體中的氰化鉀對(duì)魚(yú)的危害就會(huì)增加1倍。應(yīng)此使用地表水源熱泵時(shí)，應(yīng)校核其釋熱量，建議不超過(guò)《地源熱泵工程技術(shù)指南》中推薦的12～13W/m2的數(shù)值。

表4　我國(guó)主要城市年平均溫度［7］℃

1.4冷卻塔免費(fèi)供冷

當(dāng)室外濕球溫度較低時(shí)，可關(guān)閉冷水機(jī)組，利用冷卻水免費(fèi)供冷。由于輻射空調(diào)末端裝置所需冷水溫度一般為16℃，比常規(guī)7℃冷水溫度要高，因此，冷卻塔運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，有較大節(jié)能潛力。以上海地區(qū)為例進(jìn)行相關(guān)分析。

表5為根據(jù)常規(guī)的辦公時(shí)間（8∶00～18∶00）統(tǒng)計(jì)的上海濕球溫度累計(jì)小時(shí)數(shù)。由表5可知，濕球溫度小于等于16℃共有2066h，約占總小時(shí)數(shù)的51.8%；濕球溫度小于等于7℃共有943h，約占總小時(shí)數(shù)的23.6%。采用輻射空調(diào)技術(shù)，冷卻塔免費(fèi)供冷時(shí)間比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)更長(zhǎng)，有利于節(jié)能。

表5　上海全年8：00～18：00濕球溫度累計(jì)小時(shí)［9］

而文獻(xiàn)［10］針對(duì)某辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層（54m×54m）的模擬結(jié)果顯示：1）當(dāng)采用冷卻塔直接供冷系統(tǒng)時(shí)（供冷溫度13℃），七個(gè)城市（哈爾濱、烏魯木齊、西安、蘭州、北京、上海、廣州）中除廣州外，其余6個(gè)城市中冷卻塔供冷系統(tǒng)與常規(guī)供冷系統(tǒng)相比節(jié)能率可達(dá)12.47%～34.74%，廣州地區(qū)為2.26%。當(dāng)采用冷卻塔間接供冷且供冷溫度13℃時(shí)，除廣州、上海外，其節(jié)能率也在10%以上；供回水溫差2.7℃時(shí)，廣州地區(qū)節(jié)能率為0.59%，上海地區(qū)節(jié)能率為5.60%。2）西北地區(qū)（如廣州、烏魯木齊），采用冷卻塔供冷系統(tǒng)的節(jié)能效果最佳，其次是北方一些城市（如哈爾濱、北京等），南方沿海城市（如廣州）節(jié)能效果最差。

1.5蒸發(fā)冷卻技術(shù)

蒸發(fā)冷卻技術(shù)有其地域性。理想情況下，間接蒸發(fā)冷卻裝置冷水的出口溫度可接近于進(jìn)口空氣的露點(diǎn)溫度。因此，對(duì)于中國(guó)氣候比較干燥的西部、北部等地區(qū)，若采用常規(guī)冷凍除濕方式，可能需降溫加濕。此時(shí)可利用間接蒸發(fā)冷卻方式產(chǎn)生較高溫度的冷水，與輻射空調(diào)末相結(jié)合用。新風(fēng)采用直接蒸發(fā)冷卻或間接+直接蒸發(fā)冷卻方式，滿(mǎn)足除濕需求。

當(dāng)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)為26℃、相對(duì)濕度60%時(shí)，對(duì)于金屬輻射吊頂而言，當(dāng)供回水溫度為20/23℃時(shí)，輻射吊頂?shù)闹评淠芰s44W/m2。當(dāng)供回水溫度為16/19℃時(shí)，輻射吊頂?shù)闹评淠芰s98W/m2，可滿(mǎn)足西北部干燥地區(qū)室內(nèi)顯熱負(fù)荷需求。

文獻(xiàn)［11］對(duì)新疆地區(qū)建筑面積5100m2的一棟辦公樓分析比較，得出如下結(jié)論：蒸發(fā)冷卻-輻射空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行功率為相同情況下常規(guī)機(jī)械制冷-風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)的37%，比蒸發(fā)冷卻-風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)節(jié)約19%的電量。

1.6冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)

冷熱電聯(lián)產(chǎn)（CCHP）系統(tǒng)是指以天然氣為主要燃料在用戶(hù)側(cè)安裝燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，利用燃料高品位的能量進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電力滿(mǎn)足用戶(hù)的電力需求。同時(shí)通過(guò)余熱回收利用設(shè)備（溴化鋰吸收式機(jī)組或余熱鍋爐）回收發(fā)電所產(chǎn)生的煙氣熱量，向用戶(hù)供熱、供冷，滿(mǎn)足用戶(hù)的冷熱需要。對(duì)于小型系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率高，部分負(fù)荷調(diào)節(jié)性能稍好，有一定優(yōu)勢(shì)。

如圖2所示，使用天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的300℃左右的煙氣可直接驅(qū)動(dòng)煙氣型吸收式冷水機(jī)組制取16℃的冷水，而80～90℃的缸套水可作為新風(fēng)溶液除濕系統(tǒng)的再生熱源。而排出的低溫?zé)煔饪蛇M(jìn)一步加熱生活熱水，實(shí)現(xiàn)了能源的階梯利用。

由于電力部門(mén)的規(guī)定，冷熱電聯(lián)供發(fā)電只能自給自足，不能上網(wǎng)。從能源利用的角度來(lái)看，應(yīng)該盡量避免采用“以電定熱”策略。若采用“以熱定電”策略，應(yīng)根據(jù)建筑冷熱電負(fù)荷特性對(duì)機(jī)組配置容量仔細(xì)分析，避免機(jī)組容量過(guò)大滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間短、發(fā)電不能上網(wǎng)等現(xiàn)象。

圖2　能源的階梯利用

冷熱電聯(lián)供技術(shù)一般是犧牲發(fā)電效率為前提，小型發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率低于大型發(fā)電廠。而需說(shuō)明的是，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能與否比較的基準(zhǔn)應(yīng)是天然氣發(fā)電系統(tǒng)而非燃煤發(fā)電系統(tǒng)。與冷熱電分產(chǎn)系統(tǒng)相比，供熱工況內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率一般較高，節(jié)能率一般可高達(dá)14%以上；供冷工況只有發(fā)電效率和總效率很高的情況下才具有節(jié)能性，多數(shù)情況下并不節(jié)能；純發(fā)電工況天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)的效率低于大型的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，不節(jié)能［12］。

2　結(jié)語(yǔ)

本文分析了輻射空調(diào)系統(tǒng)可利用的幾種“節(jié)能”技術(shù)。冰蓄冷技術(shù)和冷熱電聯(lián)供技術(shù)并不一定節(jié)能，輻射空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)可與冰蓄冷技術(shù)結(jié)合，一方面有利于新風(fēng)除濕，另一方面有利于早晨輻射空調(diào)系統(tǒng)的啟動(dòng)。輻射空調(diào)顯熱末端夏季冷水供水溫度較高，可與高溫冷水機(jī)組、冷卻塔免費(fèi)供冷、地源熱泵、水源熱泵、蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合，降低系統(tǒng)能耗。冷卻塔免費(fèi)供冷應(yīng)注意季節(jié)性，蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)注重氣候適宜性。地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)注意熱平衡問(wèn)題。地表水源熱泵需注意水體污染問(wèn)題，向水體的釋熱量盡量控制在12～13W/m2。

任一項(xiàng)技術(shù)均有其適用性，應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)因地制宜。輻射空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)對(duì)其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性具體分析。

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Analysis on Several Energy Saving Techniques for Radiant Ceiling Systems

YANG Wei
（China Shanghai Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200063，China）

Introduce several energy saving techniques for radiant ceiling systems.Because of high chilled water demanded by radiant ceiling，several techniques can be used，such as high water temperature chiller，evaporative cooing technology，soil source heat pump，free cooling of cooling tower etc.Meanwhile ice storage technique can be combined with fresh air system，which is good for economy operation and radiant ceiling start-up.But the adaptability of several techniques should be noticed.

radiant ceiling system； soil source heat pump； free cooling； energy saving

TU831

B

2095-3429（2015）02-0085-05

楊偉（1982-），男，山東人，碩士，工程師，從事機(jī)電設(shè)計(jì)工作。

2015-03-19

2015-04-29