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上一层 结构冷暖原理图 投资成本比较 能源消耗比较 独特优势 现场铺设方式 模块铺装方式 辐射温度 毛细管网制冷 辐射制冷技术 地面结露问题 设计问题探讨 案例分析 应用范例

 

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聚丙烯毛细管网系统的供冷性能


  摘要:根据应用方式把聚丙烯毛细管网(以下简称毛细管网)供冷方式分为地面辐射供冷方式、吊顶辐射供冷方式和自然对流供冷方式,在此基础上通过模拟实验评价了各种供冷方式的供冷能力,并分析了辐射供冷方式结合除湿系统使用时其应用可行性。其研究结果如下;在一般冷负荷的情况下,地面辐射供冷方式和吊顶辐射供冷方式均能维持室内设计温度,并且不发生结露,但是在最大冷负荷的情况下,地面辐射供冷方式和吊顶辐射供冷方式的供冷能力不充足,并且辐射板的表面发生结露,由此可知,单靠辐射供冷方式在实际应用中供冷能力不充足,辐射供冷方式结合除湿系统使用时,可以维持设计温度,并且不发生结露。自然对流供冷方式任何时候都可以维持设计温度,并且不发生结露,由于此系统对地面结构具有蓄冷作用,自然对流供冷方式的循环水泵和控制阀的开/关次数少于分体空调的开/关次数。另外,自然对流供冷方式可以有效缓解分体空调系统的“吹风感”现象。
  关键词:毛细管网 地面辐射供冷 吊顶辐射供冷 自然对流供冷 结露


  引言
  目前国内大部分住宅空调采用窗式空调、分体空调、中央空调等强制对流供冷方式,但这些空调方式容易引起因室内温度分布不均、“吹风感”、噪音等现[1]。为了解决强制对流空调的这些缺点,在国外对其它供冷方式的开发与研究非常活跃,如德国、英国和巴西等国家非常重视对毛细管网供冷方式的研究,其成果显著,应用领域也非常广泛[2]。国内少数建筑物内也采用毛细管网供冷方式,但缺乏对毛细管网供冷技术的研究与应用。针对这种情况本文根据实际应用方式对毛细管网供冷方式进行了分类,并利用模拟住宅特性的实验空间(Test cell)进行了性能比较实验,并通过实验结果分析、评价了毛细管网各供冷方式的供冷能力、舒适性和运行性能。另外,加设除湿系统的条件下[3],分析了各辐射供冷方式的实际应用方式。本文得出的研究结果为今后这一领域深层次的研究及应用,将提供技术数据支持。
  1.毛细管网供冷方式[4]
  1.1 毛细管网供冷方式的特点
20世纪90年代中期,德国开发了聚丙烯毛细管,毛细管网模拟叶脉和人体毛细血管机制,由外径为3.5-5.0mm(壁厚0.9 mm左右)的毛细管和外径20mm(壁厚2 mm或2.3mm)的供回水主干管构成毛细管网。如图1所示 毛细管网以辐射板的形式(管间距为10-30mm)供冷,毛细管网辐射供冷系统一般由热交换器、带循环泵的分配站、温控调节系统和毛细管网组成,另外配有除湿系统,以水或其他介质传递热量,以辐射方式调节室温。
毛细管网有极大的散热表面积,以辐射方式供冷,要求供水水温为16-18℃,高效节能。毛细管网安装厚度一般小于5毫米,充满水重量在600-900克/平米,可以灵活敷设在天花板、地面或墙壁上,节省空间、减少建筑物荷载。
  1.2 毛细管网供冷方式
  毛细管网供冷方式与常用的其他空调系统一
样,根据传热方式的不同可以分为辐射供冷方式和对流供冷方式。
  辐射供冷方式根据辐射板的安装位置分为地面辐射供冷[4][5]方式,吊顶辐射供冷方式[6][7][8]和墙壁辐射供冷方式。但住宅外墙大部分以玻璃窗组成,内墙常常布置家具,因此墙壁供冷方式的应用在住宅空间受较大的限制。本文以地面辐射供冷方式和吊顶辐射供冷方式为主进行性能评价实验。
对流供冷方式根据空气的流动方式分为自然对流供冷方式和强制对流供冷方式,为了评价毛细管网自身的供冷能力,本文只对竖井式(Shaft)自然对流供冷方式进行了性能评价实验。为了与常用空调系统供冷方式的性能比较进行了对分体空调系统的性能评价实验。

图1聚丙烯毛细管网

  2.模拟实验空间和供冷系统的组成


图2 供冷方式

图3 实验室平面

  2.1 实验空间(Test cell)
  如图2所示,本实验需要比较的供冷方式为地面辐射供冷方式(RFC:Radiant Floor Cooling)、吊顶辐射供冷方式(RCC:Radiant Chill Ceiling)、自然对流供冷方式(NCC:Natural Convection Cooling) 和分体空调供冷方式(PAC:Package Air-condition Cooling),为评价各供冷方式在住宅建筑物的适用性,本实验空间模拟了普通住宅南向卧室空间,以单位面积冷负荷相同为标准,选定了模拟实验空间外围户结构的传热系数、外窗大小以及太阳辐射热的入射率等参数,为便于相同的实验条件下比较各供冷方式的性能,如图3所示,实验空间以4个完全相同的模拟空间、控制室和机房组成。

  表1 实验条件

  2.2 毛细管网供冷系统的组成

图4 毛细管网系统

  如图4所示,毛细管网空调系统由冷源、分集水器、循环泵和辐射板组成,冷源采用空冷式冰蓄冷冷水机组,冷水机组的供水温度为5-7℃。各供冷方式所需要的冷水温度不同,安装辐射供冷方式的模拟空间1和模拟空间2(RFC,RCC)所需要的冷水温度为16-18℃,安装自然对流供冷方式的模拟空间3所需要的冷水温度为7℃,模拟空间4安装分体式空调器,为了供应适合各供冷方式所需要的冷水温度,冷水系统分为两个独立的循环系统,其中供应自然对流供冷方式的冷水系统可以直接利用冷水机组的供水,不需要调节,供应辐射供冷方式的冷水系统因所需要的冷水温度较高(16℃-18℃),需要设置三通调节阀进行调节。各实验空间的流量利用流量计、流量平衡阀[9][10]进行调节。除湿系统[11][12]采用毛细管网供冷系统的配套产品,安装在模拟空间1和模拟空间2。
  本实验的控制系统采用商用软件LabVIEW及SCXI-1001(I/O board)型通讯设备,各实验空间安装温湿度传感器以便控制室内温度并防止实验空间内表面发生结露。
  3.实验内容及方法
  根据室外温度的不同本实验分两次进行,实验1挑选发生最大冷负荷的室外温度区间进行,实验2挑选不发生最大冷负荷的普通室外温度区间进行,具体实验条件如表1所示。
  实验1的测试内容主要是各供冷方式的供冷能力,实验2的测试内容包括竖向温度分布、地面温度、供冷初期冷却时间和气流速度等舒适度参数以及对流供冷方式的运行参数。
  因分体空调系统的供冷能力明显大于毛细管网自然对流供冷方式的供冷能力,对流供冷方式,主要测试自然对流供冷方式的供冷能力,并比较两种对流供冷方式的舒适性以及系统的运行性能。舒适性方面测试室内温度变动幅度、气流速度和地面温度,运行性能方面测试分体空调系统压缩机的启动次数(on/off)和毛细管网空调系统的循环泵的启动次数及控制阀的启动次数。
  4.实验结果及分析
  4.1 辐射供冷方式的性能
  4.1.1 辐射供冷方式的供冷能力
未启动除湿系统的情况下,发生最大冷负荷的室外温度区间进行了毛细管网地面辐射供冷方式的供冷能力实验。

(a) Experiment 1

(b) Experiment 2
图5地面辐射供冷方式的结果


(a) Experiment 1

(b) Experiment 2
图6吊顶辐射供冷方式的结果

  实验结果如图5(a)所示,室内平均温度为27.6℃,超过设计温度并发生结露,而且只能处理全体冷负荷的36%,因此毛细管网地面辐射供冷方式的供冷能力不能满足最大冷负荷的需要,相同的实验条件下利用吊顶辐射供冷方式供冷,其结果如图6(a)所示,能处理全体冷负荷的58%,因此辐射供冷方式在最大冷负荷室外温度区间,其供冷能力不能满足冷负荷的需要,有必要安装補助供冷设备。但是在辐射供冷方式中,吊顶辐射供冷方式的供冷能力优于地面辐射供冷方式,这是由于夏季供冷条件下吊辐射板的对流换热系数大于地面辐射板的对流换热系数。


(a) Experiment 1

(b) Experiment 2
图7 竖向温度分布

  不发生最大冷负荷的普通的室外温度区间(21~32℃),启动除湿系统[5]的情况下,地面辐射供冷方式和吊顶辐射供冷方式在不发生结露的情况下均能稳定维持室内设计温度。
  4.1.2 辐射供冷方式的舒适性
不发生最大冷负荷的普通室外温度区间(21-32℃),启动除湿系统的情况下,地面辐射供冷方式的竖向温度分布结果如图7(a)所示,竖向温度差小于1.6℃,满足ASHRAE推荐的3℃的舒适度[13]标准(ASHRAE (1992),ISO(1994)),但地面温度在供冷过程中在极少部分区间不能满足ASHRAE在舒适度方面推荐的最低地面温度标准19℃(ASHRAE(1992),ISO(1994))。相同条件下吊顶辐射供冷方式的竖向温度分布结果如图7(b)所示,平均竖向温度差为0.3℃,满足ASHRAE推荐的3℃舒适度标准(ASHRAE(1992),ISO(1994)),地面温度也完全满足舒适度标准。因此地面辐射供冷方式和吊顶辐射供冷方式均能满足舒适度要求,但地面辐射供冷方式应加强控制地面温度,以便满足地面温度最低舒适度标准。


图8 自然对流供冷方式的结果

4.2 对流供冷方式的性能比较
对流供冷方式[14]的供冷能力实验结果如图8所示,虽然室外温度处在发生最大冷负荷的区间,但毛细管网自然对流供冷方式和分体式空调方式均能稳定维持室内设计温度。
自然对流供冷方式在因送风口设在低位,供冷过程中对地面结构具有一定的蓄冷作用,因此即使停止供冷,一定时间内也能维持其供冷效果,地面温度也接近地面射供冷方式的地面温度(如图5(a)),由此可知,竖井式自然对流供冷方式却具有部分地面辐射供冷的效果。


图9 分体空调系统的结果

图10 开/关控制次数

  由于蓄冷作用,如图10所示,自然对流供冷方式的循环水泵和控制阀的启动次数比分体空调系压缩机的启动次数平均节省60%以上,因此自然对流供冷方式的比分体空调系统运行更加稳定,室内温度也比较平稳。
  自然对流供冷方式在供冷过程中平均流速为0.05m/s,充分满足ASHRAE(1992)及ISO(1994)制定的舒适度标准(小于0.25m/s),没有发生“吹风感”、噪音及扬尘等现象,分体空调系[15]统在供冷过程中的平均气流速度为0.32m/s,发生了“吹风感”及噪音等现象,对舒适度产生了不利的影响,由此可知,自然对流供冷方式的舒适性优于分体式空调。供冷初期冷却速度实验结果如图 9所示,分体空调系统降到设计温度的时间仅需要15分钟,但如图8所示,自然对流供冷方式所需要的时间为1小时以上,供冷初期消除冷负荷的时间比较长。因此,实际应用时应采取配低速风机等技术措施,另外因自然对流供冷方式对地面有一定的蓄冷作用,因此突然发生湿负荷的情况下地面有可能发生结露,实际应用时应采取相应的控制措施。
  5.结论
  本文根据实际应用方式把毛细管网供冷方式分为地面辐射供冷方式、吊顶辐射供冷方式和自然对流供冷方式,通过模拟实验,比较、评价了各供冷方式的供冷能力、舒适性以及运行性能,其研究结果如下;
  (1)发生最大冷负荷的室外温度区间(26-36℃),地面辐射供冷方式和吊顶辐射供冷方式均不能维持室内设计温度,供冷能力不能满足最大冷负荷的需要,但相同的实验条件下吊顶辐射供冷方式的供冷能力优于地面辐射供冷方式。
  (2)不发生最大冷负荷的普通室外温度区间(21-32℃),启用除湿系统供冷的情况下,地面辐射供冷方式和吊顶辐射供冷方式均能维持室内设计温度。因此地面辐射供冷方式和吊顶辐射供冷方式均能满足舒适度要求,但地面辐射供冷方式应加强控制地面温度,以便满足地面温度最低舒适度标准。
  (3)发生最大冷负荷的室外温度区间,未启动除湿系统的情况下,自然对流供冷方式稳定维持室内设计温度,供冷能力充分满足最大冷负荷的需要。
  (4)由于蓄冷作用,自然对流供冷方式的运行比分体空调系统更加稳定,室内温度的也比较平稳。另外,平均气流速度仅为0.05m/s,可有效缓解分体空调系统的噪音、“吹风感”等现象。
  (参考文献略)

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