輻射供冷系統(tǒng)簡(jiǎn)析-云南專業(yè)地暖新風(fēng)空調(diào)
節(jié)能是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。其中空調(diào)能耗占整個(gè)建筑能耗的一半以上。因此，應(yīng)采取一切可行的方案以降低建筑能耗，緩解電力緊張局面，成為迫在眉睫的大事。建設(shè)低能耗的建筑和使用節(jié)能綠色空調(diào)系統(tǒng)便是其中最有效的解決方案。
輻射空調(diào)系統(tǒng)，作為一種節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，可以很好地與低能耗或綠色建筑結(jié)合，有著良好的應(yīng)用前景。
1輻射供冷的原理與現(xiàn)狀
輻射供冷是指降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面中一個(gè)或多個(gè)表面的溫度，形成冷輻射面，依靠輻射面與人體、家具及圍護(hù)結(jié)構(gòu)其余表面的輻射熱交換進(jìn)行降溫的技術(shù)方法。由于輻射供冷系統(tǒng)中輻射傳熱所占份額在50%以上，當(dāng)采用輻射供冷時(shí)室內(nèi)作用溫度可比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)降低1~2℃。輻射供冷具有節(jié)能、舒適性強(qiáng)、污染性小等優(yōu)點(diǎn)，本文將對(duì)輻射供冷進(jìn)行分析。
輻射供冷的主要優(yōu)點(diǎn)：
（1）節(jié)能：由于傳統(tǒng)空調(diào)中熱量的介質(zhì)主要是空氣，但是空氣的比熱容較低，而輻射供冷的介質(zhì)不采用空氣，因此它在輸配傳熱介質(zhì)上的耗能要比傳統(tǒng)空調(diào)小得多，節(jié)能可達(dá)到28%~40%；
（2）舒適性強(qiáng)：一般認(rèn)為，舒適條件下人體產(chǎn)生的熱量，大致以如下比例散發(fā)：對(duì)流30%、輻射45%、蒸發(fā)25%。輻射供冷在夏季降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度，加強(qiáng)人體輻射散熱份額，提高了舒適性。另外，傳統(tǒng)的空調(diào)如果要想實(shí)現(xiàn)溫、濕度的同步控制，一般需要對(duì)新風(fēng)再熱，導(dǎo)致能耗增加，唯一和解決途徑就是犧牲溫濕度中的其中一項(xiàng)，這樣就相當(dāng)于犧牲了室內(nèi)的熱舒適性；而輻射供冷可以實(shí)現(xiàn)溫濕度分開(kāi)控制，且輻射供冷在室內(nèi)形成的溫度梯度很小，風(fēng)速極小，達(dá)到良好的室內(nèi)舒適性。
（3）提供一種新的末端形式，有利于系統(tǒng)及布置方式的優(yōu)化空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)，特別是采用全新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)，其風(fēng)管截面大、占用建筑空間大、有時(shí)還會(huì)與建筑的梁相碰，難于布置。采用地板或頂板供冷，有利于系統(tǒng)和布置方式進(jìn)一步優(yōu)化，減少建筑層高的增加幅度。
輻射供冷20世紀(jì)70年起代源于歐洲，早在上個(gè)世紀(jì)90年代就在歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家的的民用建筑中得到具體應(yīng)用。到目前為止，在歐洲已廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、超市、銀行等場(chǎng)所，特別在德國(guó)和瑞士。
輻射供熱系統(tǒng)，在我國(guó)已經(jīng)有了多年的應(yīng)用歷史，其舒適性和節(jié)能效益得到了業(yè)內(nèi)同行的一致好評(píng)。輻射供冷有著與傳統(tǒng)空調(diào)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但輻射供冷在我國(guó)起步較晚，至今還未有實(shí)際場(chǎng)所大面積的應(yīng)用，僅僅停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)室論證的階段。隨著國(guó)家提倡節(jié)能減排的政策越來(lái)越強(qiáng)烈，低碳建筑不斷被廣泛應(yīng)用，再加上人們對(duì)室內(nèi)空調(diào)的舒適性要求越來(lái)越高，因此，輻射供冷是相當(dāng)有前景的。
2供冷系統(tǒng)的組成
一般輻射供冷系統(tǒng)結(jié)合相關(guān)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行合理配置，由冷熱源、輻射供冷供熱末端系統(tǒng)及獨(dú)立除濕新風(fēng)系統(tǒng)三部分組成。
2.1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)帷⒌兀ㄏ拢┍硭瓤稍偕Y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)。
2.1.1土壤源熱泵（地源熱泵）
土壤熱泵系統(tǒng)采用垂直（埋管深度在地下100m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10～20℃左右的特點(diǎn)，通過(guò)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(guò)熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對(duì)建筑進(jìn)行降溫；冬季通過(guò)熱泵將大地中的低位熱能提高品位對(duì)建筑物供暖。同時(shí)還可提供衛(wèi)生熱水。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(duì)環(huán)境零污染。
為保證土壤源熱泵長(zhǎng)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。
2.1.2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，夏季吸收建筑物余熱量，冬季向建筑物輸送熱量。分為開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩類。
?。?）開(kāi)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，或者取水與回灌量的不平衡，從而造成系統(tǒng)不能安全穩(wěn)定地長(zhǎng)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(duì)環(huán)境無(wú)污染，且安裝方便，在地表水資源豐富的地區(qū)采用較好。
2.1.3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(jiǎn)單，對(duì)于家庭等分散用戶是一個(gè)有效的選擇。
2.2空調(diào)末端部分
供冷輻射與環(huán)境的熱交換一般有兩種形式，即對(duì)流和輻射，因此根據(jù)這兩種熱交換的形式，其末端也對(duì)應(yīng)兩種設(shè)備，即對(duì)流式和輻射式。對(duì)流式供冷還可以分
為，主動(dòng)式冷梁和被動(dòng)式冷梁。
2.2.1輻射式
輻射式可以分為吊頂式和樓板式兩種。樓板式又可以分為毛細(xì)管式和混凝土式。毛細(xì)管式一般使用內(nèi)徑很小的塑料管，供冷能力有限，一般為40~65W/m2。對(duì)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(jiǎn)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?；炷潦绞前牙渌苤苯舆M(jìn)入樓板混凝土中，與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成一體，它的供冷能力更小，只有30W/m2，一般滿足建筑的基礎(chǔ)冷負(fù)荷。吊頂式在閉式平滑表面，它一般直接懸吊在天花板下方。吊頂式在房間垂直方向上溫度波動(dòng)極小，提供的冷量不超過(guò)100W/m2。總體來(lái)說(shuō)，輻射式供冷引起的室內(nèi)空氣對(duì)流風(fēng)速很小，室內(nèi)人員沒(méi)有
吹風(fēng)感，一般應(yīng)用于冷負(fù)荷不太大的場(chǎng)所，如辦公室、學(xué)校、銀行等。其優(yōu)點(diǎn)為：
（1）節(jié)能和舒適。夏季不需低溫冷水，供水溫度為16℃時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率可達(dá)到10.0。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(kāi)啟機(jī)組制冷，節(jié)能效果更明顯。同時(shí)具有舒適性高的優(yōu)點(diǎn)。
?。?）空氣品質(zhì)好。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?；静徽加玫蹴斂臻g，因而可降低房間層高要求，從而大大節(jié)省建筑投資。而且安裝方便、快捷，經(jīng)濟(jì)性好。
缺點(diǎn)：供冷能力不強(qiáng)，局限性小。
2.2.2對(duì)流式
?。?）吊頂式。對(duì)流式吊頂一般有強(qiáng)化空氣流動(dòng)的縫隙，加強(qiáng)對(duì)流換熱，其所占換熱比例超過(guò)50%。對(duì)流式系統(tǒng)的房間垂直方向溫度波動(dòng)也較小，一般在2K以內(nèi)，比輻射式略高。提供的供冷量也不超過(guò)。風(fēng)速比輻射式高，但也不會(huì)超過(guò)0.15m/s。這種供冷方式適合冷負(fù)荷較大的場(chǎng)所，如商場(chǎng)、超市等。
?。?）冷梁。冷梁與環(huán)境之間的熱交換絕大部分是通過(guò)對(duì)流進(jìn)行，對(duì)流比例達(dá)90%~95%。冷梁按有無(wú)新風(fēng)通入可分為主動(dòng)式冷梁（如圖1所示）和被動(dòng)式冷梁（如圖2所示）。
主動(dòng)式冷梁有新風(fēng)通入，新風(fēng)以極高的速度進(jìn)入冷梁，從而產(chǎn)生負(fù)壓，誘導(dǎo)周圍空氣進(jìn)入冷梁，并通過(guò)冷梁內(nèi)的盤(pán)管進(jìn)行對(duì)流換熱，從而降低室內(nèi)空氣溫度。
由于主動(dòng)式冷梁的出風(fēng)流速較高，不能直接布置在人員活動(dòng)的正上方。主動(dòng)式冷梁又可分為單側(cè)送風(fēng)和雙側(cè)送風(fēng)。單側(cè)送風(fēng)主要敷設(shè)在房間天花的邊緣處；雙側(cè)
送風(fēng)布置在天花中間。其供冷系統(tǒng)能力很大，可達(dá)620W/m2適用于冷負(fù)荷非常高的場(chǎng)所。
被動(dòng)式冷梁與主動(dòng)式的最大區(qū)別就是它沒(méi)有新風(fēng)參與室內(nèi)的對(duì)流換熱，只是一個(gè)封閉循環(huán)。被動(dòng)式冷梁下方的氣流速度也比較大，同樣不能直接布置在工作人員的上方，它的供冷負(fù)荷可以達(dá)到400W/m2。
2.3獨(dú)立除濕新風(fēng)系統(tǒng)
輻射供冷不能去除室內(nèi)的潛熱負(fù)荷，因此，可以利用獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)來(lái)承擔(dān)潛熱負(fù)荷。另外，為避免輻射表面出現(xiàn)結(jié)露的現(xiàn)象，新風(fēng)系統(tǒng)也要進(jìn)行除濕處理。
2.3.1用冷卻方式除濕
此方式運(yùn)行可靠、技術(shù)成熟、能效較高。但冷卻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(duì)空氣再熱，對(duì)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）。
2.3.2液體除濕新風(fēng)系統(tǒng)
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(guò)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，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(yáng)能、地?zé)?、余熱等）。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。
3輻射供冷的其它設(shè)計(jì)特點(diǎn)
3.1送風(fēng)方式的選擇
為保證室內(nèi)的良好熱舒適性，避免產(chǎn)生吹風(fēng)感，達(dá)到節(jié)能的要求，因此一般選用天花板頂送風(fēng)和置換通風(fēng)。
（1）天花板頂送風(fēng)方式技術(shù)比較成熟，獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)可以直接選用和全空氣系統(tǒng)相似的空調(diào)機(jī)組，再配合高吸入性的旋流風(fēng)口，這樣新風(fēng)（經(jīng)冷卻除濕）可以不需要再加熱，而直接送入房間，而且人員不會(huì)有吹風(fēng)感，另外，頂送風(fēng)可以加強(qiáng)空氣的擾動(dòng)，提高換熱效果，從而提高供冷量。
（2）置換通風(fēng)的換氣效率、能量利用效率都高于天花板頂送風(fēng)系統(tǒng)。但由于置換通風(fēng)要求的送風(fēng)溫差不宜大（低于3K），須對(duì)新風(fēng)進(jìn)行再加熱，因此造成了能源浪費(fèi)。
3.2輻射供冷水系統(tǒng)
由于輻射供冷水系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要提供兩組不同溫度的冷水，一組為輻射供冷，一組為獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)。輻射供冷系統(tǒng)的水溫一般在15～20℃之間，有3種方案實(shí)施：
（1）方案一（如圖3所示）：輻射供冷和獨(dú)立新風(fēng)共用一套水系統(tǒng)。獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)采用一次冷水，水溫較低；輻射供冷采用二次冷水，通過(guò)板式換熱器進(jìn)行熱交換的，則水溫略高。此方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制容易。
（2）方案二（如圖4所示）：冷水機(jī)出來(lái)的冷水先對(duì)獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行處理，再處理輻射供冷。一般冷回水（已處理好新風(fēng)系統(tǒng)）的水溫為12℃，滿足輻射供冷對(duì)冷凍水溫的要求。另外可以在輻射供冷回水處加裝三通，以調(diào)節(jié)輻射供冷的水溫，這樣冷水就兩次利用，降低了冷量損失。
?。?）方案三：為獨(dú)立新風(fēng)和輻射供冷各設(shè)一套冷水系統(tǒng)，此設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的針對(duì)性，可以降低系統(tǒng)能耗，但初投資比較大。
4結(jié)語(yǔ)
輻射供冷具有節(jié)能、舒適性好、節(jié)省建筑空間等優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
?。?）輻射供冷系統(tǒng)應(yīng)該與置換通風(fēng)、天花板頂送風(fēng)相結(jié)合，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。特別是蒸發(fā)冷卻與輻射供冷相結(jié)合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)由于采用了零費(fèi)用的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策，有著廣闊的市場(chǎng)前景。因此，目前蒸發(fā)冷卻與輻射末端相結(jié)合的半集中式空調(diào)系統(tǒng)已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的研究熱點(diǎn)。
?。?）采用輻射供冷與置換通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，輻射供冷承擔(dān)室內(nèi)顯熱復(fù)合；置換通風(fēng)承擔(dān)新風(fēng)的潛熱負(fù)荷和濕負(fù)荷。但是冷負(fù)荷分配是個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，有待于繼續(xù)研究討論。
?。?）采用輻射供冷系統(tǒng)時(shí)，除濕是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。隨著除濕技術(shù)的發(fā)展，輻射供冷將呈現(xiàn)更多的形式，其供冷能力也將大幅度的提高。
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