屏式供暖和制冷技术 (上)

周子成

1 引言

屏式供暖和制冷系统是一种应用于房间空调中的专门系统。在北美、欧洲、日本、韩国等已有30余年的使用历史,在20世纪90年代,西欧国家地板供暖已占20%～50%。近年来,由于地源热泵和空气源热泵的发展,特别是二氧化碳热泵能提供高温热水和制热性能系数高的优点,以及清洁能源太阳能的应用日益普及,屏式供暖在我国北方寒冷地区地板供暖中的应用日趋广泛。

屏式供暖和制冷的特点是它与空调房间进行热交换的换热器盘管做成一个屏状,埋在墙内、地板内或天花板内。盘管内流动的可以是热泵机组的冷水或热水、制冷剂等,也可以用电热管等发热元件做成供暖用换热器屏。热量通过辐射、对流和传导方式传递。如果有50%以上的热量是通过辐射换热方式在屏和房间内的空气及物体之间传递,这个屏称为辐射屏,这时的换热方式称为辐射换热。

通常天花板供暖屏表面的温度限制在不超过150℃。当屏式系统用作制冷时,室内空气的露点温度必须保持低于屏的表面温度,以免屏表面结露。

屏式供暖和制冷系统也可和其他型式房间空调设备联合使用,如分体挂壁式、柜式、天花吊顶式、单元式、风机盘管等空调机组,这种系统称为混合空调系统。

屏式供暖和制冷有以下优点:

(1)舒适性好。由于室内空气温度和平均辐射温度都能控制,能更好地满足人体的热舒适要求。并且室内空气是自然对流,通常在供暖时人体脚部较暖、头部较凉时会感到更舒适,地板辐射供暖的房间温度分布是地板处较暖,离地板远处较凉,符合人体舒适要求。另外,由于屏结构、墙、地板、天花的蓄热作用,房间内温度升降缓慢,温度波动小,因此舒适性很好。

(2)节能。在地板供暖时载热剂水温较低,与传统供暖方式相比,热损失较小,与风管系统相比,消除了空气的渗入和渗出,传热损失小,因此节能。供暖时比常规方式节能20%～30%,制冷时比常规方式节能28%～40%。

(3)清洁。没有空气强制流动所夹带的灰尘。

(4)健康。没有强制通风,开门和开窗时热损失较小,可以经常开窗通风。

(5)无噪声。由于室内空气自然对流,没有空气流动噪声。房间内十分安静。

(6)可靠。屏很少需要维修。

(7)房间内空气的渗漏小。仅是室内换气需要补充空气。没有像强制通风那样由于传递热量需要的大量空气循环。

(8)地板空间可以100%利用。没有空调设备在地板空间,清洁性好。窗可自由安装在室内任何位置。

(9)地板供暖和制冷时温度均匀,没有局部热点或冷点。

(10)当使用四管系统时,可同时供暖和制冷。不需要季节性转换。

屏式供暖和制冷的缺点是:

(1)室内热负荷或冷负荷变化需要调节时,响应速度慢。

(2)当屏的尺寸不合适、盘管安装空间或容量不足时,屏表面温度不均匀。

(3)建筑材料选择、地板覆盖物、家具的安放等会受一定的限制。

(4)房屋及设备翻新、重新设计时,成本会较高。

2 屏式供暖和制冷系统的种类

2.1 液体屏

(1)液体天花屏

液体天花屏通常是由供暖和制冷系统的换热盘管和金属天花屏表面组合在一起。流体可以是水或制冷剂。液体天花屏具有热阻低和空间调节变化响应速度快的优点。

通常天花屏是一个有许多孔的悬挂金属板组成吸声天花板,装在房间顶面的局部或全部。这些天花屏系统通常设计在建筑物内,悬挂的声学天花板能联合屏的供暖或者制冷。屏设计成小单元的模块去适应建筑物的需要。某些天花安装要求用屏去覆盖室内天花中的一部分面积,其余的天花面积设计成吸声屏。

图1表示了一个轻金属铝屏,通常设计成面积为300mm×600mm的模块,以适应建筑物的需要,铝屏与直径15mm的一组镀锌盘管侧面相紧贴。铝天花屏用夹子固定到这些盘管上,盘管与38mm的方形联管相连接。当作为供暖屏时,管内流过热水,当作为制冷屏时,管内流过制冷水。盘管上方设有热覆盖层,以阻止向上散热。

图1 金属天花屏夹在横向支管上

图2表示了用铜管卡紧在一个铝薄板表面上的模块化结构。模块化屏设计用于最大尺寸910mm×1520mm,并可固定在不同形式天花悬挂系统上,典型的是一种标准T条形格栅支撑600mm×1200mm铝板悬挂系统。

图2 金属天花屏与铜管的结合

在金属天花屏铝板上通常打有许多孔,在屏背面设置吸声毛毯材料,使天花屏成为吸声,同时也起到隔热作用。

图3表示了带铜管的整体铝挤压屏。铝板通过模压加工成辐射屏,铜管嵌在铝板背面的槽内。这种挤压屏几乎能够制造成任意需要的形状和尺寸。通常做成狭长屏,用在靠近外墙并且是独立的天花屏系统。常用的屏宽在380mm或510mm,长度在6m以下。适用于典型办公室建筑供暖需要。

图3 带铜管的整体铝挤压屏

(2)液体墙屏

液体墙屏通常是将供暖和制冷系统的换热管埋在墙内。管内流动的是热水 (供暖时)或制冷水(制冷时)。它没有地板屏和天花屏使用广泛。

(3)液体地板屏

地板辐射供暖已越来越受到人们的兴趣。通常盘管布设在地板中距离中心100mm到300mm的面积中,使用热塑料、橡胶、含铁和不含铁管或合成管 (如铝热塑套管)做成连续弯曲的或由集管并联的盘管,埋在混凝土地板里。管上面通常有40到100mm的覆盖物。周边和背面有保温材料,以便降低热损失。保温材料外面有防水层。

图4表示了埋在水泥或石膏中的管结构。当使用木地板时,埋入材料的厚度通常是25mm到50mm。专门设计用于地板供暖的石膏产品通常可安装25mm到40mm厚,它的柔韧性和抗破裂性比水泥好。当使用水泥时,应选用优质结构以便降低由于木架移动或收缩造成的裂缝。埋入材料必须具有坚硬的、平整的光滑表面,以便能适应多种地板覆盖物。

图4 在薄的板中的埋管

图5表示了一种盘管安装在底层地板里面的结构。盘管安装在底层地板间的桁架上,通过增加金属传热板将热量传热给抛光地板下面,提高了热扩散和表面温度的均匀性。

图5 底层地板下的管

图6是将盘管安放到底层地板下面的结构,可以带金属传热板或者不带金属传热板。

地板供暖或制冷时,盘管可均匀布置在室内地板全部面积上,也可根据需要布置在局部面积上,或在需要的地区布置得密一些。图7是四种布置的例子。

2.2 空气屏

空气屏是由循环流动的空气流过地板、墙、天花板的传热内表面。空气是在封闭系统内循环,或者是全部或部分空气从屏流出后再流过室内空间,以便提供进一步的附加加热和通风。图8表示了一种常用的结构型式。

图8 暖空气地板屏结构

图9是一种用于多孔金属地板和透气地毯的空气—供暖或空气—制冷屏结构。一部分空气通过穿孔的金属甲板散流进入室内调节空间。另外还可以在地板屏的背面安设附加的液体管或电加热元件,能独立控制显热和潜热负荷。

图9 部分空气散流进入室内调节空间的流体屏结构

2.3 电热屏

电热屏是由电热元件安装在天花板、墙或地板里面构成。工作时电能转换成热量,用作房间供暖。它的结构和控制相对比较简单,但耗能较大,能效较低,因此只用在某些特殊需要的场合。

(1)电热天花屏

预制的电热天花屏适用于尺寸为 300到1800mm宽、600到3600mm长、13到50mm厚。它们是用金属、玻璃、或半硬的玻璃纤维板或乙烯树脂板构成。加热表面温度范围从40℃到150℃,相应的热流范围从270到1100W/m2。

埋入电阻丝的灰泥屏可作为天花的一部分或与天花接触相联结,热流不超过240W/m2,表面温度不超过40℃。

图10是一种悬挂电热天花屏的结构。

图10 电热天花屏

(2)电热地板屏

电热电缆组件有时用于混凝土地板供暖系统,如使用在天花屏那样。由于在混凝土地板中安装电缆损坏的可能性比天花屏大,这些组件必需小心安装。在电缆放置好后,直到混凝土层灌注完和凝固以前,地板上面不能走人和安置或移动物件。

当地板供暖使用PVC-护套电加热电缆时,铺设混凝土厚板通常采用两次浇注。第一次浇注应至少78mm厚,且应采用保温混凝土以便能降低向下的热损失。层与层之间应采用合适的粘结,成品混凝土板应在第一次浇注24小时内放置。用一层薄泥浆粘结。最后一层应是40到50mm厚。这一顶层必须不是保温混凝土。周围应至少有25mm隔热,如图11。

电缆是安装在浇灌的第一层混凝土顶面上,距离相邻墙不小于50mm。电缆固定在混凝土里的方法有下面几种:

1)用木钉固定器将电缆固定在粗糙的混凝土表面。涂抹水泥,再在两者之间抹上灰泥,或用带条保持电缆间距。

图11 在水泥厚板中的电加热屏

2)在轻的或未固化的水泥中,用手工操作或用打钉机将电缆直接钉在混凝土上。

3)当顶层浇灌时,用专用的扣钉设备将电缆固定到第一层混凝土里,使电缆定位。

在连续浇灌中将预制的垫埋在混凝土中。垫被安放在膨胀和/或结构连接以及电缆联接到接头匣的面积中。在最后一层浇灌40到50mm的混凝土。将毛面整平并安放垫,并立即装上帽盖。

电热电缆能用一次浇灌或两次浇灌埋在混凝土板内。当采用一次浇灌时,开始浇灌前先将电缆固定在钢筋顶部。当采用两次浇灌时,电缆是放在底层结构板的顶部,并且埋在最后一层。电缆引线间的合适间距是用预先打孔的铜间隔条钉到下层混凝土板里将其定位。

(下期待续)