空氣載能輻射空調(diào)優(yōu)化與控制機理研究

相較于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)而言，輻射空調(diào)系統(tǒng)具有高舒適性和高節(jié)能性，然而現(xiàn)有的輻射型空調(diào)系統(tǒng)主要以液體為能量載體，在工程應用過程中仍存在成本過高，且后期維護困難等問題?？諝廨d能輻射空調(diào)系統(tǒng)作為一種以空氣為載能媒介、孔板或其它材質(zhì)平板為輻射板的一種新型的輻射末端系統(tǒng)，兼有孔板送風系統(tǒng)和輻射末端系統(tǒng)的特點，且安裝維護方便，系統(tǒng)經(jīng)濟簡單，適用范圍更廣。 本課題通過理論分析、計算機仿真模擬與實驗研究相結合的方法，針對空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)展開研究。首先分析空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)的實際傳熱過程，并采用修正系數(shù)法得出空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)夏季負荷的修正系數(shù)為0.75，冬季熱負荷修正系數(shù)為0.8, 確定了該新型輻射末端條件下空調(diào)系統(tǒng)的負荷簡便計算方法。基于傳熱學計算出不同孔板溫度和傳熱溫差下輻射孔板的輻射傳熱量，并得出該新型末端的輻射傳熱簡化公式，可反映出孔板輻射傳熱量與孔板溫度、傳熱溫差之間的關系，通過分析得出了空氣載能輻射孔板末端總傳熱比常規(guī)輻射空調(diào)的末端多20％左右。另外通過模擬研究了末端孔板表面空氣臨界露點溫度隨孔板開孔率、送風溫度以及送風速度的變化，得出孔板表面空氣臨界露點溫度分布范圍在11.8-14.5℃之間，相比相同室內(nèi)熱濕參數(shù)的常規(guī)輻射空調(diào)系統(tǒng)，露點溫度可低6.3-9.0℃。同時通過對該輻射末端系統(tǒng)的熱舒適展開實地問卷調(diào)查研究，得出了空氣載能末端系統(tǒng)夏季房間溫度設定為29℃，冬季設定為14℃時，仍能滿足大部分人群的熱舒適性要求，這對于實現(xiàn)夏熱冬冷地區(qū)冬夏空調(diào)一體化具有重要的理論支撐。另外在本項目的研究中，對室內(nèi)人體呼吸周圍的微環(huán)境進行分析探討，研究了人體呼吸過程中室內(nèi)空氣穩(wěn)定性，這對于將來進一步研究空氣載能輻射空調(diào)下多模態(tài)熱舒適和通風有效性具有重要意義。 2100433B

輻射型空調(diào)系統(tǒng)愈來愈引起人們的關注，現(xiàn)有的輻射型空調(diào)系統(tǒng)主要以液體為能量載體，即液體載能。大致有盤管與金屬頂板組合系統(tǒng)、毛細管輻射系統(tǒng)、水盤管預制薄型板輻射采暖系統(tǒng)等。但是，上述的輻射空調(diào)施工維護較復雜，初裝及使用成本較高，能耗也較大。本課題首次提出了一種利用循環(huán)空氣作為能量載體的空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)方法，此系統(tǒng)具有施工維護簡單，成本低廉以及節(jié)能效果更好的特點。本課題將以熱力學和流體動力學理論為基礎，通過理論分析、計算機仿真模擬與實驗研究相結合的方法，從系統(tǒng)熱力學性能對比、系統(tǒng)頂板方案及氣流組織形式、IAQ與室內(nèi)熱舒適、結露過程等環(huán)節(jié)的熱力學、流體力學、傳熱傳質(zhì)機理等方面著手，建立起相關的數(shù)學模型，尋找室內(nèi)熱舒適及空氣品質(zhì)控制的最優(yōu)方案,研究系統(tǒng)節(jié)能運行的控制策略,從而為空氣載能輻射空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設計和運行控制提供理論依據(jù)和技術支持。

4.輻射空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展方向

輻射空調(diào)系統(tǒng)在中國應用的時間還不長，還有很多問題需要進一步的研究和開發(fā)：

1)輻射空調(diào)的基礎研究

輻射傳熱方式對人的生理的作用，以形成輻射空調(diào)設計的指導性理論基礎；

2)設計方法

建立輻射空調(diào)系統(tǒng)的實用有效的設計計算方法，并形成相應標準；

3)專用設備

適用于輻射空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源系統(tǒng)、獨立新風除濕系統(tǒng)、末端、控制系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)；

4)系統(tǒng)集成技術

對不同區(qū)域的應用對象建立相應的系統(tǒng)集成技術規(guī)范，確保系統(tǒng)高效低能耗運行。

我國目前二氧化硫的排放量居世界第一，二氧化碳的排放量居世界第二，能耗量居世界第二，但人均商品能源消費為世界平均值的二分之一，美國的十分之一。我國正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，工業(yè)的增長、居民消費結構的升級，對能源的需求更加迫切。能源對國家的發(fā)展將起到非常關鍵的作用，能源問題搞不好，可能拖整個國家發(fā)展的后腿。尤其建筑能耗占全部能耗的40～50%，其中冬季采暖、夏季制冷是建筑能耗的主體，除了使用外墻保溫和先進的門窗系統(tǒng)以外，采暖和制冷方式的不斷改進和創(chuàng)新，將是節(jié)能的關鍵所在。

隨著國家進入能源短缺時代，2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》開始實施，隨之建設部出臺了《建筑節(jié)能管理條例》（征求意見稿），節(jié)省能源是我國目前一個重要的戰(zhàn)略目標，節(jié)能技術和產(chǎn)品面臨著巨大的市場需求。毛細管網(wǎng)平面輻射空調(diào)不僅高效節(jié)能，同時具備綠色環(huán)保、節(jié)省空間和高舒適度等特點，因此極具市場發(fā)展前景。自清華大學節(jié)能示范樓建成以后，短短一年多的時間里，雖然多數(shù)人對毛細管網(wǎng)的技術還缺乏了解，對毛細管網(wǎng)的價格望而卻步，但是一些高檔樓盤和辦公樓等都率先使用了這一技術，如北京科委的創(chuàng)業(yè)大廈、北京萬萬樹別墅區(qū)、南京鋒尚社區(qū)等項目。我公司完成了北京甄氏集團辦公樓和一些高檔別墅項目的毛細管網(wǎng)平面輻射空調(diào)系統(tǒng)的設計和施工，使用效果很好。據(jù)了解，在國外地區(qū)如德國、英國和巴西也已經(jīng)廣泛采用毛細管網(wǎng)平面輻射空調(diào)技術。毛細管網(wǎng)平面輻射空調(diào)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)中央空調(diào)或普通地板采暖成為未來建筑采暖制冷的主流方式。

輻射空調(diào)系統(tǒng)由輻射供冷供熱末端系統(tǒng)、獨立除濕新風系統(tǒng)和冷熱源三部分組成。

系統(tǒng)顯著特點是：高空氣品質(zhì)、高舒適性、低能耗。

平面輻射空調(diào)1)空調(diào)冷熱源部分

空調(diào)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(diào)系統(tǒng)，或者高效率的制冷制熱空調(diào)系統(tǒng)。

a)土壤源熱泵

土壤熱泵系統(tǒng)采用垂直(埋管深度在地下100米以內(nèi)，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 度～20度左右的特點，通過地下埋管管內(nèi)的介質(zhì)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內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)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供暖。同時還可提供衛(wèi)生熱水。原理圖如圖2

圖2土壤熱泵系統(tǒng)原理圖

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。

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。

b)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(diào)系統(tǒng)的冷熱源，夏季吸收建筑余熱量，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。

開式系統(tǒng)：直接采用地下水作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源時，如果處理不當，有可能污染地下水，或者取水與回灌量不平衡，從而造成系統(tǒng)不能安全穩(wěn)定的 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(zhì)條件和當?shù)卣叩南拗?，應根?jù)實際情況慎重選用。

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。

圖3水源熱泵系統(tǒng)原理

c)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。

平面輻射空調(diào)2)空調(diào)末端部分

空調(diào)末端系統(tǒng)有以下產(chǎn)品形式：

a)金屬輻射頂板

(圖4)或干式輻射地板(略)圖4金屬輻射頂板

b)毛細管式輻射板(席)

圖5毛細管輻射席(聚丙烯)

毛細管產(chǎn)品較金屬輻射頂板對室內(nèi)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。

節(jié)能：夏季不需低溫冷凍水，冬季不需高溫熱水。夏季供水溫度為16度時，空調(diào)系統(tǒng)的運行效率可達到10.0；冬季供水溫度在40度以下，運 行效率可達到4.0。毛細管空調(diào)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。

熱舒適性高：熱舒適性是評價空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標，從圖6對各種形式的空調(diào)系統(tǒng)舒適性的調(diào)查結果我們不難看出平面式系統(tǒng)的受歡迎程度。

系統(tǒng)一：無置換新風的輻射空調(diào)系統(tǒng)

系統(tǒng)二：常規(guī)式空調(diào)系統(tǒng)

系統(tǒng)三：有置換新風的毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)

系統(tǒng)一系統(tǒng)二系統(tǒng)三

圖6熱舒適性指標(不滿意度)

空氣品質(zhì)好：毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)采用獨立新風形式，不存在和回風的混合，因而空調(diào)品質(zhì)好。

節(jié)省建筑空間：由于毛細管末端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。毛細管末端安裝方便、快捷，經(jīng)濟性好。

平面輻射空調(diào)3)獨立除濕新風系統(tǒng)

獨立除濕新風系統(tǒng)是輻射空調(diào)系統(tǒng)正常運行的必要條件，保證空調(diào)空間的濕度以避免輻射表面結露，另外還要提供室內(nèi)所需新風。整個輻射空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能和獨立除濕新風系統(tǒng)息息相關。目前主要應用的系統(tǒng)有：

a)用冷卻方式除濕

圖7 帶熱回收的冷卻除濕的獨立新風系統(tǒng)

此方式運行可靠、技術成熟、能效較高。但冷凍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)。

b)液體除濕新風系統(tǒng)

圖8 液體除濕空調(diào)系統(tǒng)簡圖

圖9 液體除濕換熱器

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(參考圖9)，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)。下圖為一利用太陽能/燃氣的液體除濕空調(diào)系統(tǒng)(圖10)，

圖10太陽能/燃氣液體除濕空調(diào)系統(tǒng)

其流程為：溴化鋰溶液吸收新風中的水分，降低其含濕量，然后利用冷水及回風去除顯熱(經(jīng)過PHE–叉流板式換熱器，結構參看圖9)；再經(jīng)直 膨蒸發(fā)器吸熱，對空調(diào)空間送風。吸收水分的稀溴化鋰溶液經(jīng)再生器加熱再生(Solar/gas regenerator—太陽能/燃氣再生器)。

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(diào)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。