毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究及展望

聶　鑫，朱曉涵，劉益才

（中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙　410083）

毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究及展望

聶鑫，朱曉涵，劉益才

（中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083）

毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)是打破傳統(tǒng)的新型空調(diào)系統(tǒng)，在詳細(xì)研究了毛細(xì)管平面輻射空調(diào)的原理、特點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，指出了毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的結(jié)露、系統(tǒng)控制等不足，并給出了合理化的設(shè)計(jì)思路及未來研究發(fā)展方向。

毛細(xì)管平面輻射空調(diào)；節(jié)能；設(shè)計(jì)；展望

0　引言

我國作為能源消費(fèi)大國，能源問題一直得到國家重視，而其中建筑能耗占全部能耗的40%～50%，尤其用于暖通空調(diào)的則要占到一半以上，是建筑能耗的主體［1-2］?？照{(diào)也是造成電力緊張局勢的重要原因，2008年年底，空調(diào)耗電占全國城鎮(zhèn)用電的20%以上，而在夏季用電高峰期，空調(diào)用電負(fù)荷占全國城鎮(zhèn)總耗電負(fù)荷的44%［3］。同時(shí)我國中南部一些冬冷夏熱地區(qū)夏季需要制冷，冬季需要供熱，這些地區(qū)所用的采暖降溫設(shè)備多是分散在各用戶的電暖器和空調(diào)，耗電量相當(dāng)大，同時(shí)污染問題、城市熱島問題、室內(nèi)空氣品質(zhì)問題、PM2.5以及大氣霧霾等問題迅速加劇。因此，推廣使用具有高能效比、舒適性好、壽命長和適合冬夏兩季使用的毛細(xì)管平面輻射空調(diào)勢在必行。毛細(xì)管平面輻射空調(diào)流行于歐洲各國，是一種隱形輻射空調(diào)系統(tǒng)，一般裝在墻體或天花板內(nèi)，與室溫溫差小，換熱面積大，集供冷暖于一體［4］。其不但可以利用在新建筑物內(nèi)，同時(shí)可以應(yīng)用于現(xiàn)有建筑的改造，具有良好的可施行性。毛細(xì)管平面輻射空調(diào)有望成為未來空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的新選擇。

1　系統(tǒng)簡介

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1987年德國多納蒂-赫博斯特基于仿生學(xué)發(fā)明了毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)，并于1986年首次應(yīng)用于實(shí)際工程，此后這種空調(diào)系統(tǒng)在歐洲開始得到廣泛應(yīng)用［5］。該空調(diào)系統(tǒng)有舒適、節(jié)能、健康的空調(diào)末端形式，可以設(shè)置單獨(dú)的除濕系統(tǒng)，獨(dú)立控制［6］。毛細(xì)管末端能夠靈活地安裝在地面、墻體、天花板內(nèi)，通過這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成的冷熱輻射表面進(jìn)行換熱。這些輻射表面可以除去室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，同時(shí)為保證室內(nèi)空氣的流通和除去室內(nèi)潛熱負(fù)荷，系統(tǒng)設(shè)置有新風(fēng)系統(tǒng)。冷熱源由水循環(huán)完成，其溫度要求可以由地源熱泵等環(huán)保可再生的能源提供。具體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)原理如下圖1所示。

圖1　模塊化平面輻射空調(diào)系統(tǒng)示意圖

以夏季工況為例，原理圖分為水系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。水系統(tǒng)中1可再生能源機(jī)組（或高溫蒸發(fā)機(jī)組）指的是如地源熱泵冷水機(jī)組或是可以提供溫度較高冷水的冷水機(jī)組以及生活廢水等，由于新能源技術(shù)或高溫蒸發(fā)溫度的冷水機(jī)組的應(yīng)用，可以大大提高能效比，減少成本。從1生產(chǎn)的溫度大約在16～18℃的冷水被送入2平板輻射末端，末端在房間空間內(nèi)進(jìn)行與室內(nèi)空氣的輻射換熱后，末端出口水溫有小幅度上升，溫度較高的水再送入9回?zé)崞鲹Q熱，這樣末端中的水為自身回水和機(jī)組冷水的混合，得到16～18℃的水，水系統(tǒng)循環(huán)完成。新風(fēng)系統(tǒng)中，為避免板面結(jié)露，新風(fēng)要承擔(dān)較大濕負(fù)荷，3新風(fēng)機(jī)的冷水也由1提供，但水溫要比末端供水低，大約為5～7℃。環(huán)境空氣經(jīng)過4熱回收裝置送入新風(fēng)處理機(jī)處理后經(jīng)5送風(fēng)口送入室內(nèi)，經(jīng)回風(fēng)口6進(jìn)入4換熱后排出?？刂葡到y(tǒng)主要通過7結(jié)露控制傳感器和8溫度傳感器檢測末端入口水溫以及室內(nèi)溫度，觀察末端入口溫度是否低于室內(nèi)露點(diǎn)溫度，調(diào)節(jié)回水閥的開度控制末端入口水溫，防止末端結(jié)露同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)控制。

1.2毛細(xì)管末端

空調(diào)毛細(xì)管輻射末端采用模塊化設(shè)計(jì)，在毛細(xì)管內(nèi)充滿水進(jìn)行流動(dòng)循環(huán)換熱，其網(wǎng)柵采用并聯(lián)分集水式結(jié)構(gòu)，兩根主水管之間連接有一定數(shù)量的毛細(xì)管，形成封閉的網(wǎng)柵［7］。模塊由外徑3.5～5.0 mm的毛細(xì)管（壁厚0.9 mm）和外徑20 mm的供回水管（壁厚2 mm）組成，其尺寸大小根據(jù)實(shí)際安裝要求確定［8］。毛細(xì)管的材料用PP-R，使用壽命可達(dá)50年左右［9］。由于末端的極大表面積使散熱溫度分布更加均勻，更加舒適，克服了傳統(tǒng)空調(diào)的溫度分布不均勻、溫差大的問題。具體毛細(xì)管實(shí)物如圖2所示。

圖2　毛細(xì)管輻射末端示意圖

1.3.系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

1.3.1節(jié)能高效率

毛細(xì)管平面輻射末端具有極大的散熱表面積，以輻射的換熱方式為室內(nèi)提供冷量或熱量，換熱效率高。輻射板供冷時(shí)一般采用溫度較高的冷水（16～18℃），以防止板表面結(jié)露，冬季供暖時(shí)，輻射末端供水一般采用較低的熱水溫度（28～32℃）。這樣的溫度要求可以使機(jī)組COP達(dá)到6左右，系統(tǒng)性能大大提高［10］。相對于其他空調(diào)系統(tǒng)，毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)可以有效利用低品位能源，可再生能源，如太陽能、地源水、工業(yè)廢熱和生活廢水等。相同狀況下毛細(xì)管輻射空調(diào)供冷比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能約28%～40%；而如果將毛細(xì)管輻射末端和地源熱泵或空氣源熱泵結(jié)合，通過合理的控制可以達(dá)到70%的節(jié)能效果［10］；若配合太陽能系統(tǒng)和冷熱蓄能系統(tǒng)，節(jié)能效果將更佳，可達(dá)90%左右［8］。

1.3.2高舒適度

采用輻射的傳熱方式供熱或供冷，沒有傳統(tǒng)空調(diào)的吹風(fēng)感；熱惰性小，溫度變化快，且分布均勻，無流動(dòng)噪聲，干凈健康。新風(fēng)系統(tǒng)可改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，降低CO2濃度。

1.3.3綠色環(huán)保

整個(gè)系統(tǒng)屬于封閉系統(tǒng)，運(yùn)行過程不產(chǎn)生廢氣、廢水。所用原料可以回收利用，毛細(xì)管材料是只含有碳?xì)鋬煞N原子的聚丙烯，材料無毒可循環(huán)利用。

1.3.4安裝方便

毛細(xì)管末端一般厚度不超過5 mm，充滿水的質(zhì)量在600～900 g/m2左右，其材質(zhì)柔軟，可以靈活安裝在各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面［11］。相比較現(xiàn)有的傳統(tǒng)空調(diào)，若采用毛細(xì)管輻射空調(diào)，可以節(jié)省出可觀的空間供利用。

1.3.5使用壽命長

毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在低溫低壓狀態(tài)下，管路不會(huì)因高溫高壓而損壞。毛細(xì)管材料采用環(huán)保的防腐材料，通過合金鋼換熱器與主循環(huán)隔開，氧氣滲透不會(huì)產(chǎn)生腐蝕或郁積堵塞現(xiàn)象。資料顯示優(yōu)質(zhì)的PP-R材料管網(wǎng)在常溫常壓下使用50年保持如新［12］。

1.3.6結(jié)露問題

當(dāng)室內(nèi)濕空氣碰到低于露點(diǎn)溫度的表面時(shí)，水蒸氣就會(huì)凝結(jié)附在表面上。對于毛細(xì)管末端，當(dāng)進(jìn)水溫度過低會(huì)使板面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，從而發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生的水滴會(huì)使細(xì)菌滋生，結(jié)露嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)顾温湓诜块g，影響室內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境和美觀［13］。毛細(xì)管平面輻射末端只能承擔(dān)室內(nèi)部分顯熱負(fù)荷，故需單獨(dú)配置除濕系統(tǒng)，除濕并結(jié)合新風(fēng)系統(tǒng)除去室內(nèi)多余顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷。同時(shí)必須配置合理的水系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)防止板面溫度低于濕空氣露點(diǎn)溫度。

1.3.7自動(dòng)控制系統(tǒng)問題

毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)相比較傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)必須保證有防止末端結(jié)露的功能，若在擾動(dòng)存在情況下，室內(nèi)的濕度增大，除濕系統(tǒng)除濕量不滿足時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)啟動(dòng)防結(jié)露保護(hù)措施。開發(fā)可靠的露點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)也是推廣和使用毛細(xì)管平面輻射空調(diào)的關(guān)鍵問題所在。

2　毛細(xì)管平面輻射空調(diào)的設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)計(jì)算案例

假設(shè)某一建筑面積為15 000 m2的辦公樓，若設(shè)計(jì)參數(shù)，即要求設(shè)計(jì)的溫度tn，濕度ψn分別為26℃和60%?？刹榈胐N=12.636 g/kg，hn=58.47 kJ/kg。

取83 W/m2冷負(fù)荷估算，計(jì)算得到室內(nèi)冷負(fù)荷Q=1 246 kW，濕負(fù)荷W取150.0 kg/h，按衛(wèi)生要求取新風(fēng)量Gw=12.25 kg/s；室外空氣參數(shù)tw=35.8℃，hw=88.05 kJ/kg。（以夏季工況為例計(jì)算，大氣壓為101 325 Pa。）

首先可以確定新風(fēng)系統(tǒng)處理的再熱前的狀態(tài)點(diǎn)L，室內(nèi)濕負(fù)荷由新風(fēng)承擔(dān)，可得到新風(fēng)處理后終狀態(tài)點(diǎn)的含濕量：

從焓濕圖可查，dL線與機(jī)器露點(diǎn)線交點(diǎn)即L點(diǎn)，即得到新風(fēng)再熱前的狀態(tài)參數(shù)：tL=14.46℃，hL=37.96 kJ/kg。

L點(diǎn)空氣再經(jīng)過熱處理到達(dá)圖3的S點(diǎn)，再熱采取等含濕量加熱到溫度tS=17℃，

則S點(diǎn)參數(shù)：tS=17℃，hS=40.56 kJ/kg。

圖3　新風(fēng)空氣處理過程示意圖

從圖1看出新風(fēng)進(jìn)入表冷器處理之前，新風(fēng)在4回?zé)嵫b置中回?zé)?，即到圖3的C點(diǎn)，假設(shè)回?zé)崞黛驶厥章蕿?0%，則由（hw-hc）/（hw-hn）=60%，求得hc= 70.302 kJ/kg。假設(shè)溫度回收率為70%，即（tw-tc）/（tw-tn）=70%，求得tc=28.9℃。

新風(fēng)機(jī)表冷器冷量即新風(fēng)從回?zé)岷蟮腃點(diǎn)到再熱前的L點(diǎn)之間所需的冷量。故：Qw=Gw（hw-hc）= 613.60 kW；

新風(fēng)所承擔(dān)的室內(nèi)冷負(fù)荷即再熱后的新風(fēng)S（tS=17℃，hS=40.56 kJ/kg）與室內(nèi)空氣的換熱。則：

要求冷板承擔(dān)的室內(nèi)冷負(fù)荷：

2.2輻射板的換熱能力與輻射板選擇

輻射板表面的實(shí)際輻射換熱性能可以用式（4）計(jì)算：

式中：tps為輻射板表面平均溫度，℃；tN為室內(nèi)空氣溫度，℃；a、b為根據(jù)各種產(chǎn)品試驗(yàn)確定的系數(shù)。

一般在兩者溫差不大于10℃時(shí)，換熱量小于100 W/m2［15］。

根據(jù)式（3）計(jì)算得到的毛細(xì)管輻射冷板承擔(dān)冷量Qpc=1 026.60 kW，如果按建筑面積鋪滿計(jì)算，則毛細(xì)管輻射板面單位面積冷量為：

式中：A指冷板鋪設(shè)總面積。

根據(jù)qpc可以選取廠商提供的不同類型的毛細(xì)管末端［15］。

2.3冷熱源系統(tǒng)選擇

由上述負(fù)荷計(jì)算得到新風(fēng)冷水機(jī)的冷負(fù)荷為613 kW，輻射板承擔(dān)冷負(fù)荷為1 026.6 kW，則總的冷負(fù)荷為1 640.2 kW。根據(jù)負(fù)荷選擇新風(fēng)供水的冷水機(jī)組和毛細(xì)管平面輻射末端供水配套的冷熱源，實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供暖?？紤]到夏季新風(fēng)系統(tǒng)空氣處理有較大的濕度要求，則盤管需求的供水溫度應(yīng)較低（5～7℃），而毛細(xì)管末端供水溫度應(yīng)高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度1～2℃（16～18℃），可選擇如圖1由同一工況的兩臺(tái)帶回?zé)岬? 000 kW制冷量離心機(jī)組制冷機(jī)分路供水，毛細(xì)管末端供水通過由自身回水混合得到。冬季則利用廢熱廢水等向毛細(xì)管末端供水。同時(shí)為了提高系統(tǒng)性能和充分利用可再生資源，應(yīng)使毛細(xì)管輻射末端與高效的冷熱源配套使用，新風(fēng)系統(tǒng)也獨(dú)立供水，可選取一臺(tái)500 kW的螺桿機(jī)供新風(fēng)系統(tǒng)使用，而毛細(xì)管末端可基于地源熱泵的冷熱源與毛細(xì)管末端的結(jié)合使用，節(jié)能效果更加顯著，研究發(fā)現(xiàn)采用合理的換熱裝置，可使冷水機(jī)組比傳統(tǒng)機(jī)組節(jié)水40%［14］。

2.4新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新風(fēng)采用溫度較低的冷水處理。相比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，由于大部分顯熱負(fù)荷由輻射末端承擔(dān)，新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量比較小，所以管段截面積較小，所占室內(nèi)空間也較小。為提高能源利用率，采用如圖1所示進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)空氣與排出空氣進(jìn)行熱回收。同時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)必須帶有相對濕度控制系統(tǒng)，滿足相對濕度控制范圍和防止結(jié)露［17］。送風(fēng)口以及回風(fēng)口的布置會(huì)影響室內(nèi)氣流分布的性能，故應(yīng)先采用CFD技術(shù)對氣流組織進(jìn)行評價(jià)，通過對冬夏兩季輻射板不同敷設(shè)位置、不同敷設(shè)面積和不同風(fēng)口位置模擬的溫度場、速度場、相對濕度場和PMVPPD、ADPI、EUC指標(biāo)進(jìn)行分析，得到合理的輻射板敷設(shè)方式和風(fēng)口布置方式。

2.5水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先由設(shè)計(jì)要求可以選取毛細(xì)管輻射末端的結(jié)構(gòu)尺寸，新風(fēng)供水系統(tǒng)和末端供水如果來自同一冷水機(jī)組，因?yàn)榍昂髢烧叩墓┧疁囟炔煌?，則供水系統(tǒng)分為兩個(gè)回路供水，末端供水通過回?zé)岬玫?。而采取不同來源時(shí)，各自供給水路相互獨(dú)立。相比全空氣空調(diào)系統(tǒng)毛細(xì)管末端供水的輻射模式水管截面更小，能量傳遞更有效。此外水系統(tǒng)中也必須帶有溫度控制系統(tǒng)。

2.6露點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

毛細(xì)管平面輻射空調(diào)系統(tǒng)中，獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)了房間內(nèi)全部的潛熱，只要控制輻射板的供水溫度高于室內(nèi)濕空氣的露點(diǎn)溫度，這樣便可以防止結(jié)露。因此對水系統(tǒng)溫度的監(jiān)控是防結(jié)露的重要途徑。若末端供水溫度恒定不變，通過放置于室內(nèi)的露點(diǎn)溫度檢測反饋，當(dāng)供水溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，可立即停止輻射表面工作；若供水溫度可以調(diào)節(jié)，當(dāng)出現(xiàn)供水溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，可以增大供水溫度，防止結(jié)露，但這會(huì)使末端效率下降。此外，還可以設(shè)置吸濕材料對室內(nèi)濕度進(jìn)行自動(dòng)控制［18］。美國研究學(xué)者M(jìn)umma［19-21］發(fā)現(xiàn)即使在打開所有窗戶條件下，處理結(jié)露仍比較容易，顯然結(jié)露過程緩慢，隨控制系統(tǒng)的研發(fā)，結(jié)露問題最終會(huì)被解決［22］。

3　研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望

目前在我國針對輻射空調(diào)的研究仍處于初步階段，國內(nèi)天津地?zé)嵫芯颗嘤?xùn)中心、哈爾濱建筑大學(xué)、湖南大學(xué)、中南大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、浙江大學(xué)、山東建筑工程學(xué)院、青島建筑工程學(xué)院、中科院廣州能源研究所等眾多研究單位均開展了相關(guān)技術(shù)的研究，取得了一些優(yōu)益的成果，但目前國內(nèi)對毛細(xì)管平面空調(diào)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用尚屬起步階段，很有必要對露點(diǎn)監(jiān)控、多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)結(jié)合使用、地板表面最高溫度、室內(nèi)實(shí)感溫度、熱流密度、預(yù)熱期等參數(shù)以及可再生能源的利用、蓄能采暖除濕系統(tǒng)的研究應(yīng)用、高密度能量輸送管網(wǎng)材料等問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，這些研究將會(huì)為我國輻射采暖和供冷系統(tǒng)的發(fā)展起到促進(jìn)和指導(dǎo)作用。

4　結(jié)語

毛細(xì)管平面輻射空調(diào)是新型的空調(diào)系統(tǒng)，其具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、節(jié)省空間、高舒適性和使用壽命長等特點(diǎn)，具有良好的市場前景。在德國、英國等地已大量應(yīng)用，國內(nèi)也有一些樓宇使用了這一技術(shù)，效果良好。目前這項(xiàng)技術(shù)中有些問題仍需繼續(xù)研究改進(jìn)，如結(jié)露問題，如何將可再生資源利用產(chǎn)生更高的效率等。但由于其自身的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，必將成為未來空調(diào)研究的重要方向。

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關(guān)于《真空與低溫》網(wǎng)站及在線采編系統(tǒng)運(yùn)行的公告

隨著期刊的電子化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，為了更好的發(fā)展期刊，加強(qiáng)真空與低溫技術(shù)領(lǐng)域交流，分享經(jīng)驗(yàn)與研究成果，共同推動(dòng)真空與低溫技術(shù)的發(fā)展，提高雜志的影響力，《真空與低溫》雜志建立了獨(dú)立網(wǎng)站和在線采編系統(tǒng)，于2014年8月1日正式與廣大作者和讀者見面，網(wǎng)站網(wǎng)址：http://zkydw.lipcast.cn。

即日起，《真空與低溫》的投稿和審稿均已在系統(tǒng)中進(jìn)行。作者或?qū)＜业谝淮问褂帽鞠到y(tǒng)需申請帳號(hào)，相關(guān)信息將會(huì)自動(dòng)記錄，稿件處理情況可在線查詢。

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特此公告。

（本刊編輯部）

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

中南大學(xué)2014年大學(xué)生國家級創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（201410533024）

聶鑫（1993-），男，甘肅天水人，本科生，從事制冷及低溫工程研究。E-mail：happyznzn@csu.edu.cn。