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毛细管空调与常规空调对比分析

  建筑能耗占社会总能耗的40%左右,基本上有一半的能源被建筑所消耗,因此,发展节能建筑是未来的一大趋势。毛细管空调的突出优点是能够有效利用低品位的能源,尤其是可再生能源(如太阳能,以及土壤、地下水、空气、污水、地表水、发电厂废水等说蕴含的能量),还可以提高空调系统的能效,做到节能减排环保并提高建筑物的品质。毛细管空调与常规空调相比优势明显。

  从人体的热舒适与健康出发,要求对室内温度、湿度进行全面控制。夏季人体舒适区为25℃,相对湿度60%,此时露点温度为16.6℃。空调排热排湿的任务可以看成是从25℃的环境中向外界排热,在16.6℃的露点温度的环境下向外界排湿。目前空调方式的排热排湿都是通过空气冷却器对空气进行冷却和冷凝除湿,再将冷却干燥的空气送入室内,实现排热排湿的目的。常规温湿度混合处理的空调方式存在如下问题:

  使用一套系统同时制冷和除湿,为了满足用冷凝方法排除室内余湿,冷源的温度需要低于室内空气的露点温度,考虑传热温差与介质输送温差,实现16.6℃的露点温度需要约7℃的冷源温度,这是现有空调系统采用5~7℃的冷冻水、房间空调器中直接蒸发器的冷媒蒸发温度也多在5℃的原因。在空调系统中,占总负荷一半以上的显热负荷部分,本可以采用高温冷源排走的热量却与除湿一起共用5~7℃的低温冷源进行处理,造成能量利用品位上的浪费。而且,经过冷凝除湿后的空气虽然湿度(含湿量)满足要求,但温度过低,有时还需要再热,造成了能源的进一步浪费与损失。

  通过冷凝方式对空气进行冷却和除湿,其吸收的显热与潜热比只能在一定的范围内变化,而建筑物实际需要的热湿比却在较大的范围内变化。一般是牺牲对湿度的控制,通过仅满足室内温度的要求来妥协,造成室内相对湿度过高或过低的现象。过高的结果是不舒适,进而降低室温设定值,通过降低室温来改善热舒适,造成能耗不必要的增加;相对湿度过低也将导致由于与室外的焓差增加使处理室外新风的能耗增加。

  大多数空调依靠空气通过冷表面对空气进行降温除湿,这就导致冷表面成为潮湿表面甚至产生积水,空调停机后这样的潮湿表面就成为霉菌繁殖的理想场所。空调系统繁殖和传播霉菌成为空调可能引起健康问题的主要原因。另外,目前我国大多数城市的主要污染物仍是可吸入颗粒物,因此有效过滤空调系统引入的室外空气是维持室内健康环境的重要问题。然而过滤器内必然是粉尘聚集处,如果再漂溅过一些冷凝水,则也成为各种微生物繁殖的理想场所,频繁清洗过滤器既不现实,也不是根本的解决方案。

  为排除足够的余热余湿同时又不使送风温度过低,就要求有较大的循环通风量。例如每平方米建筑面积如果有80W/m2显热需要排除,房间设定温度为25℃,当送风温度为15℃时,所要求循环风量为24 m3/hr/m2,这就往往造成室内很大的空气流动,使居住者产生不适的吹风感。为减少这种吹风感,就要通过改进送风口的位置和形式来改善室内气流组织。这往往要在室内布置风道,从而降低室内净高或加大楼层间距。很大的通风量还极容易引起空气噪声,并且很难有效消除。在冬季,为了避免吹风感,即使安装了空调系统,也往往不使用热风,而是通过另一套的暖气系统(如采暖散热器)供热。这样就导致室内重复安装两套环境控制系统,分别供冬夏使用。

  为了完成室内环境控制的任务就需要有输配系统,带走余热、余湿、CO2、气味等。在 中央空调系统中,风机、水泵消耗了40%~70%的整个空调系统的电耗。在常规中央空调系统中,多采用全空气系统的形式。所有的冷量全部用空气来传送,导致输配效率很低。相对而言,1m3水所输送的热量和3840m3空气所输送的热量是相当的。

  此外,随着能源问题的日益严重,以低品位热能作为夏季空调动力成为迫切需要。目前北方地区大量的热电联产集中供热系统在夏季由于无热负荷而无法运行,使得电力负荷出现高峰的夏季热电联产发电设施反而停机,或者按纯发电模式低效运行。如果可以利用这部分热量驱动空调,既省下空调电耗,又可使热电联产电厂正常运行,增加发电能力。这样即可减缓夏季供电压力,又提高能源利用率,是热电联产系统继续发展的关键。由于空调负荷在一天内变化显著,与热电联产电厂提供热能并不是很好匹配,如何实现有效的蓄能,以协调二者的矛盾也是热能使用当中存在的问题。

  综上所述,空调的广泛需求、人居环境健康的需要和能源系统平衡的要求,对目前空调方式提出了挑战。新的空调应该具备的特点为:减少室内送风量、高效换热末端、采用低品位能源、设置冷热蓄能系统。从如上要求出发,目前普遍认为温湿度独立控制空调技术可能是一个有效的解决途径。

  空调系统承担着排除室内余热、余湿、CO2与异味的任务。研究表明:排除室内余湿与排除CO2、异味所需要的新风量与变化趋势一致,即可以通过新风同时满足排除余湿、CO2与异味的要求,而排除室内余热的任务则通过其他的系统(独立的温度控制系统)来实现。由于无需承担除湿的任务,因而用较高温度的冷源即可实现排除余热的任务。

  温湿度独立控制空调系统中,采用温度与湿度两套独立的空调控制系统,分别控制、调节室内的温度与湿度,从而避免了常规空调系统中热湿联合处理所带来的损失。由于温度、湿度采用独立的控制系统,可以满足不同区域和同一区域不同房间热湿比不断变化的要求,克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求,避免了室内湿度过高(或过低)的现象。

  温湿度独立控制空调系统的基本组成为:处理显热的系统与处理潜热的系统,两个系统独立调节分别控制室内的温度与湿度(见图1)。处理显热的系统包括:高温冷源、余热消除末端装置,采用水作为输送媒介。由于除湿的任务由处理潜热的系统承担,因而显热系统的冷水供水温度不再是常规冷凝除湿空调系统中的7℃,而是提高到18℃左右,从而为天然冷源的使用提供了条件。即使采用机械制冷方式,制冷机的性能系数也有大幅度的提高。余热消除末端装置可以采用毛细管网换热器、辐射板、干式风机盘管等多种形式,由于供水的温度高于室内空气的露点温度,因而不存在结露的危险。处理潜热的系统,同时去除室内CO2、室内异味等,以保证室内空气质量。

  此系统由新风处理机组、送风末端装置组成,采用新风作为能量输送的媒介。在处理潜热的系统中,由于不一定需要处理温度,因而湿度的处理可能有多种方法,如冷凝除湿、吸附除湿等。

  在温湿度独立控制空调系统中,采用新风来承担排除室内余湿、CO2和室内异味的任务,以保证室内空气质量。一般来说,这些排湿,排有害气体的负荷仅随室内人员数量而变化,因此可采用变风量方式,根据室内空气的湿度或CO2的浓度调节风量。由于仅是为了满足新风和湿度的要求,如果人均风量40m3/hr,每人5平方米面积,则换气次数只在2~3次/hr,远小于变风量系统的风量,这部分空气可通过置换送风的方式从下侧或地面送出,也可采用个性化送风方式直接将新风送入人体活动区。

  室内的显热则通过另外的系统来排除(或补充)。由于这时只需要排除显热,就可以用较高温度的冷源通过辐射、对流等多种方式实现。当室内设定温度为25℃时,采用屋顶或垂直表面辐射方式,即使平均冷水温度为20℃,每平米辐射表面仍可排除显热40W/m2,已基本可满足多数类型建筑排除围护结构和室内设备发热量的要求。由于水温一直高于室内露点温度,因此不存在结露的危险和排凝水的要求。

  温湿度独立控制空调系统实现了室内温度和湿度的分别控制。尤其实现了新风量随人员数量的同步增减,从而避免了变风量系统冬季人员增加,热负荷降低,新风量也随之降低的问题;与目前的风机盘管加新风方式比较,免去了凝水盘和凝水排除系统,彻底消除了实际工程中经常出现问题的这一隐患,同时由于不再存在潮湿表面,根除了滋生霉菌的温床,可有效改善室内空气品质。由于室内相对湿度可一直维持在60%以下,较高的室温(26℃)就可以达到热舒适要求。这就避免了由于相对湿度太高,只得把室温降低(甚至到20℃),以维持舒适度要求的问题。既降低了运行能耗,又减少了由于室内外温差过大造成的热冲击对健康的危害。

  由于潜热由单独的新风处理系统承担,因而在温度控制(余热去除)系统中,不再采用7℃的冷水同时满足降温与除湿的要求,而是采用约18℃的冷水即可满足降温要求。此温度要求的冷水为很多天然冷源的使用提供了条件,如深井水、通过土壤源换热器获取冷水等,深井回灌与土壤源换热器的冷水出水温度与使用地的年平均温度密切相关,我国很多地区可以直接利用该方式提供18℃冷水。在某些干燥地区(如新疆等)通过直接蒸发或间接蒸发的方法获取18℃冷水。

  即使采用机械制冷方式,由于要求的压缩比很小,根据制冷卡诺循环可以得到,制冷机的理想COP将有大幅度提高。如果将蒸发温度从常规冷水机组的2~3℃提高到14~16℃,当冷凝温度恒为40℃时,卡诺制冷机的COP将从7.2~7.5提高到11.0~12.0。对于现有的压缩式制冷机、吸收式制冷机,怎样改进其结构形式,使其在小压缩比时能获得较高的效率,则是对制冷机制造者提出的新课题。图3是微型离心式高温冷水机组的工作原理,采用“双级压缩+经济器”的制冷循环形式和传热性能优异的高效传热管,优化设计离心式压缩机叶轮和轴承,不仅突破了离心式冷水机组难以小型化的误区,而且还具有非常高的性能系数COP。利用该微型离心式冷水机组制备高温冷水时的性能计算值。从图中可以看出:当冷冻水进、出水温度为21/18℃、冷却水进、出水温度为37/32℃时,其COP=7.1,在部分负荷条件下或冷却水温度降低时,其性能则更为优越。

  适应室内热湿比的变化。温湿度独立控制系统分别控制房间的温度和湿度,能够满足建筑热湿比随时间与使用情况的变化,全面控制室内环境。并根据室内人员数量调节新风量,因此可获得更好的室内环境控制效果和空气质量。

  末端方式不同。可采用辐射式末端或者干式风机盘管吸收或提供显热,采用置换通风等方式送出干燥的新风去除显热,冬夏共用同样的末端装置。处理显热的系统只需要18℃的冷水,这可通过多种低成本的节能的方式提供,降低了运行能耗。

  可以利用低品位能源,即使采用普通空调机组系统能效也会大大提高。这个特点有利于能源的广泛选择利用,特别有利于开发利用低品位的再生能源:如太阳能、地能、热电厂余热回收等,对节能减排降耗意义重大。

  舒适度大大提高。没有强风感、没有噪声、不传播细菌,是一种健康绿色的空调方式。

 
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