空氣載能輻射空調(diào)優(yōu)化與控制機(jī)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(yīng)用過程中仍存在成本過高，且后期維護(hù)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(fēng)系統(tǒng)和輻射末端系統(tǒng)的特點(diǎn)，且安裝維護(hù)方便，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)簡單，適用范圍更廣。 本課題通過理論分析、計(jì)算機(jī)仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)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(shí)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(fù)荷的修正系數(shù)為0.75，冬季熱負(fù)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(fù)荷簡便計(jì)算方法?；趥鳠釋W(xué)計(jì)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(guān)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(diǎn)溫度隨孔板開孔率、送風(fēng)溫度以及送風(fēng)速度的變化，得出孔板表面空氣臨界露點(diǎn)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(diǎn)溫度可低6.3-9.0℃。同時(shí)通過對該輻射末端系統(tǒng)的熱舒適展開實(shí)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(shè)定為29℃，冬季設(shè)定為14℃時(shí)，仍能滿足大部分人群的熱舒適性要求，這對于實(shí)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(xiàng)目的研究中，對室內(nèi)人體呼吸周圍的微環(huán)境進(jìn)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(jìn)一步研究空氣載能輻射空調(diào)下多模態(tài)熱舒適和通風(fēng)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(guān)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(xì)管輻射系統(tǒng)、水盤管預(yù)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(hù)較復(fù)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(hù)簡單，成本低廉以及節(jié)能效果更好的特點(diǎn)。本課題將以熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過理論分析、計(jì)算機(jī)仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，從系統(tǒng)熱力學(xué)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(jié)露過程等環(huán)節(jié)的熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)機(jī)理等方面著手，建立起相關(guān)的數(shù)學(xué)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(yùn)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(shè)計(jì)和運(yùn)行控制提供理論依據(jù)和技術(shù)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(yīng)用的時(shí)間還不長，還有很多問題需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)：

1)輻射空調(diào)的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)的指導(dǎo)性理論基礎(chǔ)；

2)設(shè)計(jì)方法

建立輻射空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)用有效的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并形成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；

3)專用設(shè)備

適用于輻射空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源系統(tǒng)、獨(dú)立新風(fēng)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(shù)

對不同區(qū)域的應(yīng)用對象建立相應(yīng)的系統(tǒng)集成技術(shù)規(guī)范，確保系統(tǒng)高效低能耗運(yùn)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(fèi)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(fèi)結(jié)構(gòu)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(guān)鍵的作用，能源問題搞不好，可能拖整個(gè)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(jìn)的門窗系統(tǒng)以外，采暖和制冷方式的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，將是節(jié)能的關(guān)鍵所在。

隨著國家進(jìn)入能源短缺時(shí)代，2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》開始實(shí)施，隨之建設(shè)部出臺了《建筑節(jié)能管理?xiàng)l例》（征求意見稿），節(jié)省能源是我國目前一個(gè)重要的戰(zhàn)略目標(biāo)，節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品面臨著巨大的市場需求。毛細(xì)管網(wǎng)平面輻射空調(diào)不僅高效節(jié)能，同時(shí)具備綠色環(huán)保、節(jié)省空間和高舒適度等特點(diǎn)，因此極具市場發(fā)展前景。自清華大學(xué)節(jié)能示范樓建成以后，短短一年多的時(shí)間里，雖然多數(shù)人對毛細(xì)管網(wǎng)的技術(shù)還缺乏了解，對毛細(xì)管網(wǎng)的價(jià)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(shù)，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(xiàng)目。我公司完成了北京甄氏集團(tuán)辦公樓和一些高檔別墅項(xiàng)目的毛細(xì)管網(wǎng)平面輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xì)管網(wǎng)平面輻射空調(diào)技術(shù)。毛細(xì)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(dú)立除濕新風(fēng)系統(tǒng)和冷熱源三部分組成。

系統(tǒng)顯著特點(diǎn)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(jī)。如利用地?zé)?、?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(diǎn)，通過地下埋管管內(nèi)的介質(zhì)循環(huán)與土壤進(jìn)行閉式熱交換以達(dá)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(jìn)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(shí)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(huì)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(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)就是地下?lián)Q熱器系統(tǒng)的精確設(shè)計(jì)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(shí)，如果處理不當(dāng)，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(yùn)行。所以此方式，雖然能源具有可再生性，但是由于設(shè)計(jì)要求較高，并且受地質(zhì)條件和當(dāng)?shù)卣叩南拗?，?yīng)根據(jù)實(shí)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(shí)，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(fēng)冷熱泵機(jī)組

風(fēng)冷熱泵機(jī)組主要應(yīng)用在冬冷夏熱(冬季非采暖)地區(qū)。由于其安裝方便，維護(hù)簡單，對于家庭等分散用戶是一個(gè)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(xì)管式輻射板(席)

圖5毛細(xì)管輻射席(聚丙烯)

毛細(xì)管產(chǎn)品較金屬輻射頂板對室內(nèi)負(fù)荷變化的反應(yīng)快，而在輻射能力相當(dāng)?shù)那闆r下造價(jià)低，安裝簡捷，節(jié)約建筑空間?？梢愿鶕?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?zé)崴?。夏季供水溫度?6度時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率可達(dá)到10.0；冬季供水溫度在40度以下，運(yùn) 行效率可達(dá)到4.0。毛細(xì)管空調(diào)末端系統(tǒng)可以和任何形式的冷熱源結(jié)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(jī)組制冷，節(jié)能效果更明顯。

熱舒適性高：熱舒適性是評價(jià)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，從圖6對各種形式的空調(diào)系統(tǒng)舒適性的調(diào)查結(jié)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(fēng)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(fēng)的毛細(xì)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(biāo)(不滿意度)

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

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

平面輻射空調(diào)3)獨(dú)立除濕新風(fēng)系統(tǒng)

獨(dú)立除濕新風(fēng)系統(tǒng)是輻射空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件，保證空調(diào)空間的濕度以避免輻射表面結(jié)露，另外還要提供室內(nèi)所需新風(fēng)。整個(gè)輻射空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能和獨(dú)立除濕新風(fēng)系統(tǒng)息息相關(guān)。目前主要應(yīng)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(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)

此方式運(yùn)行可靠、技術(shù)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(jī)器露點(diǎn)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(fēng)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(gòu)成一除 濕新風(fēng)系統(tǒng)。液體除濕可以使用低品位能源(如太陽能、地?zé)?、余熱?。下圖為一利用太陽能/燃?xì)獾囊后w除濕空調(diào)系統(tǒng)(圖10)，

圖10太陽能/燃?xì)庖后w除濕空調(diào)系統(tǒng)

其流程為：溴化鋰溶液吸收新風(fēng)中的水分，降低其含濕量，然后利用冷水及回風(fēng)去除顯熱(經(jīng)過PHE–叉流板式換熱器，結(jié)構(gòu)參看圖9)；再經(jīng)直 膨蒸發(fā)器吸熱，對空調(diào)空間送風(fēng)。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?xì)庠偕?。

由于液體除濕系統(tǒng)的可獨(dú)立除濕(處理潛熱)的能力，在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用將有廣泛的領(lǐng)域。目前由于其體積大，溶液有腐蝕性等弱點(diǎn)，尚未得到大量的使用。隨著研發(fā)的進(jìn)一步深入，液體除濕系統(tǒng)會(huì)有更大的突破。