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辐射空调系统原理

放大字体  缩小字体 发布日期:2012-08-01  浏览次数:415
 
 

A Briefing of one kind of energy efficient AC system

—Radiant cooling (heating) system

摘要:本文简要介绍了一种绿色节能的空调形式—辐射冷(暖)空调系统的基本特点及其构成方式,并提出了技术发展的一些看法。

关键字:辐射供冷,辐射供暖,绿色空调

This article introduces a new kind of energy efficient and green air conditioning methodradiant cooling(heating) air conditioning system and its characteristics and equipment component. Some suggestions for the R&D of this system is offered.

Key words: Radiant cooling, Radiant heating system, green HVAC system

前言

  近年来经济发展迅速,各大城市中高档公寓、写字楼数量剧增,导致能源供给日趋紧张。其中空调能耗占整个建筑能耗的一半以上,而目前空调系统主要依靠电力驱动,从而造成了城市供电短缺。因此,采取一切可行的方案以降低建筑能耗,缓解电力紧张局面,成为迫在眉睫的大事。建设低能耗的建筑和使用节能绿色空调系统便是其中最有效的解决方案。

  辐射空调系统,作为一种节能空调系统,可以很好地与低能耗或绿色建筑结合,有着良好的应用前景。

辐射供冷(暖)基本概念

  辐射供冷(暖)是指降低(升高)围护结构内表面中一个或多个表面的温度,形成冷(热)辐射面,依靠辐射面与人体、家具及围护结构其余表面的辐射热交换进行供冷(暖)的技术方法。辐射面可通过在围护结构中设置冷(热)管道,也可在天花板或墙外表面加设辐射板来实现。由于辐射面及围护结构和家具表面温度的变化,导致它们和空气间的对流换热加强,增强供冷(暖)效果。在这种技术中,一般来说,辐射换热量占总热交换量的50%以上。

辐射供冷(暖)的特点

  2.1辐射供暖的优点

    1)节能较之传统方法,辐射供暖系统供水温度低,能耗相应较少。再者,可以使用热泵、太阳能、地热及低品位热能,可以进一步节省能量。一般认为,地板采暖比传统的采暖方式节能20%~30%;

    2)舒适性强辐射采暖提高了室内平均辐射温度,使人体辐射散热大量减少,增强人体的舒适感。由于室温可以比采用散热器低,室内空气就不那么干燥;

    3)可按户计量、分室调温;

    4)成本与散热器基本持平;

  2.2辐射供冷的优点

    1)节能与常规空调系统比较节能28%~40%;

    2)舒适性强一般认为,舒适条件下人体产生的热量,大致以如下比例散发:对流30%、辐射45%、蒸发25%。辐射供冷在夏季降低围护结构表面温度,加强人体辐射散热份额,提高了舒适性。

    3)转移峰值供电,提高电网效率高温时段空调用电集中,供电系统不堪重负,而辐射供冷的峰值耗电量是全空气系统的27%左右,其调峰作用明显;

    4)提供一种新的末端形式,有利于系统及布置方式的优化空调送风系统,特别是采用全新风的空调系统,其风管截面大、占用建筑空间大、有时还有与建筑的梁相碰,难于布置。采用地板或顶板供冷,有利于系统和布置方式进一步优化,减少建筑层高的增加幅度。

  2.3辐射供冷的缺点

    1)表面温度低于室内空气露点温度时,会产生结露,影响室内卫生条件;

    2)由于露点温度限制,加上表面温度太低,会影响人的舒适感,所以限制了辐射供冷的能力;

    3)在潮湿地区,室外空气进入室内会增大结露的可能性,因此要求门窗尽可能密闭,影响自然通风;

    4)不同时使用风系统时,室内空气流速太低,如果温度达不到要求,更增加闷热感。

辐射空调系统的构成

  辐射空调系统由辐射供冷供热末端系统、独立除湿新风系统和冷热源三部分组成(图1)

图1辐射空调系统

  系统显著特点是:高空气品质、高舒适性、低能耗。

  1)空调冷热源部分

  空调冷热源采用高效率、低污染、使用可再生能源的主机。如利用地热、地(下)表水等可再生资源作为冷热源的空调系统,或者高效率的制冷制热空调系统。

    a)土壤源热泵

    土壤热泵系统采用垂直(埋管深度在地下100米以内,也可利用建筑混凝土桩基埋管)或水平埋管形式,利用地下浅层土壤温度常年保持在10度~20度左右的特点,通过地下埋管管内的介质循环与土壤进行闭式热交换以达到供冷供热的目的。夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下,对建筑进行降温;冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖。同时还可提供卫生热水。原理图如图2。

图2土壤热泵系统原理图

    土壤源为可再生性能源,由于地下换热器为闭式系统,不会污染地下水资源,对环境零污染。

    保证土壤源热泵长期稳定运行的关键技术就是地下换热器系统的精确设计与良好的安装工艺。

    b)水源热泵

    水源热泵,直接利用地下水或者江河湖泊水塘作为空调系统的冷热源,夏季吸收建筑余热量,冬季向建筑物输送热量。分为开式系统和闭式系统两类(图3)。

    开式系统:直接采用地下水作为空调系统的冷热源时,如果处理不当,有可能污染地下水,或者取水与回灌量不平衡,从而造成系统不能安全稳定的长期运行。所以此方式,虽然能源具有可再生性,但是由于设计要求较高,并且受地质条件和当地政策的限制,应根据实际情况慎重选用。

    闭式系统:采用江河、湖泊、水塘等地表水作为冷热源时,由于通常采用闭式系统,对环境无污染,且安装方便,在地表水资源丰富的地区采用较好。

图3水源热泵系统原理

    c)风冷热泵机组

    风冷热泵机组主要应用在冬冷夏热(冬季非采暖)地区。由于其安装方便,维护简单,对于家庭等分散用户是一个有效的选择。

  2)空调末端部分

  空调末端系统有以下产品形式:

    a)金属辐射顶板(图4)或干式辐射地板(略)

图4金属辐射顶板

    b)毛细管式辐射板(席)

图5毛细管辐射席(聚丙烯)

    毛细管产品较金属辐射顶板对室内负荷变化的反应快,而在辐射能力相当的情况下造价低,安装简捷,节约建筑空间。可以根据客户要求定制尺寸、干湿式建筑施工要求均可。

    节能:夏季不需低温冷冻水,冬季不需高温热水。夏季供水温度为16度时,空调系统的运行效率可达到10.0;冬季供水温度在40度以下,运行效率可达到4.0。毛细管空调末端系统可以和任何形式的冷热源结合使用,尤其是与土壤源热泵、闭式地表水水源热泵配套使用,由于夏季可以直供,不需要开启机组制冷,节能效果更明显。

    热舒适性高:热舒适性是评价空调系统优劣的重要指标,从图6对各种形式的空调系统舒适性的调查结果我们不难看出平面式系统的受欢迎程度。

  系统一:无置换新风的辐射空调系统

  系统二:常规式空调系统

  系统三:有置换新风的毛细管辐射空调系统

  系统一系统二系统三

图6热舒适性指标(不满意度)

  空气品质好:毛细管辐射空调系统采用独立新风形式,不存在和回风的混合,因而空调品质好。

  节省建筑空间:由于毛细管末端基本不占用吊顶空间,因而可降低房间层高要求,从而大大节省建筑投资。毛细管末端安装方便、快捷,经济性好。

  3)独立除湿新风系统

  独立除湿新风系统是辐射空调系统正常运行的必要条件,保证空调空间的湿度以避免辐射表面结露,另外还要提供室内所需新风。整个辐射空调系统的节能和独立除湿新风系统息息相关。目前主要应用的系统有:

    a)用冷却方式除湿

图7 带热回收的冷却除湿的独立新风系统

    此方式运行可靠、技术成熟、能效较高。但冷冻除湿的原理必须将要处理的空气冷却到机器露点以下,然后对空气再热,对能源的使用效率受到制约,而且不能利用低位能源(包括可再生能源)。

    b)液体除湿新风系统

图8 液体除湿空调系统简图

图9 液体除湿换热器

    液体除湿系统利用溶液的吸湿能力去除空气中的水分,溶液通过加热再生然后循环使用。除湿后的空气再由表冷器除去显热(参考图9),构成一除湿新风系统。液体除湿可以使用低品位能源(如太阳能、地热、余热等)。下图为一利用太阳能/燃气的液体除湿空调系统(图10),

图10太阳能/燃气液体除湿空调系统

    其流程为:溴化锂溶液吸收新风中的水分,降低其含湿量,然后利用冷水及回风去除显热(经过PHE–叉流板式换热器,结构参看图9);再经直膨蒸发器吸热,对空调空间送风。吸收水分的稀溴化锂溶液经再生器加热再生(Solar/gas regenerator—太阳能/燃气再生器)。

    由于液体除湿系统的可独立除湿(处理潜热)的能力,在空调系统中的应用将有广泛的领域。目前由于其体积大,溶液有腐蚀性等弱点,尚未得到大量的使用。随着研发的进一步深入,液体除湿系统会有更大的突破。

  4.辐射空调系统的发展方向

  辐射空调系统在中国应用的时间还不长,还有很多问题需要进一步的研究和开发:

    1)辐射空调的基础研究

    辐射传热方式对人的生理的作用,以形成辐射空调设计的指导性理论基础;

    2)设计方法

    建立辐射空调系统的实用有效的设计计算方法,并形成相应标准;

    3)专用设备

    适用于辐射空调系统的冷热源系统、独立新风除湿系统、末端、控制系统的产品开发;

    4)系统集成技术

    对不同区域的应用对象建立相应的系统集成技术规范,确保系统高效低能耗运行。

参考文献

  [1]低温辐射供暖与辐射供冷王子介编著机械工业出版社

  [2]Modelling of Displacement Ventilation and Chilled Ceiling System Using Nodal Model PhD Thesis by Simon J.Rees

  [3]Simplified Ceiling Radiant Cooling Panel and Enthalpy wheel models for dedicated outdoor air system design  PhD Thesis by Jae-Weon Jeong

  [4]A study into the potential of using liquid desiccant solar air-conditioner with gas backup in Brisbane-Queesland by Shahab Alizadeh

  [5]Desiccant cooling technology resource guide by Thomas R.Rutherford

 
 
 
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