夏热冬冷地区辐射空调系统小型化和防结露问题的探讨

赵明桥,付峥嵘

(中南大学建筑与艺术学院,湖南长沙410075)

长沙地处长浏盆地的西部,在建筑热工分区上属于典型的夏热冬冷地区。夏季南方季风进入受阻,上空多为本地暖湿气流盘踞,7月平均风速2.8m/s,平均气温29.4℃,最高达43℃,加上湿度较高,闷热难耐,因此长沙是全国有名的四大火炉之一。而冬季北方冷空气越过洞庭湖平原后长驱直入,致1月平均温度仅4.6℃,平均湿度又高达80%,与同纬度其他地区相比更为湿冷[1]。

近年来,出于御寒和追求高舒适居住环境的考虑,一些高档建筑在没有集中供暖的前提下,纷纷自行安装地暖采暖系统。这类地暖采暖大致可分为两种方式:以燃气壁挂炉为热源的水媒地暖和以电加热的电热地暖,都具有温度分布均匀、热感舒适、安静无声、造价不高的特点,已悄然走入许多寻常百姓家[2]。但这类采暖方式能效比低、运行费用高、夏季降温需要另配制冷设备,很多家庭陷入装得起用不起的尴尬境地。

1 毛细管辐射空调简介

1.1 毛细管辐射空调在国内外的发展过程

毛细管辐射空调系统在辐射供暖楼板等技术的影响下,于上世纪80年代末诞生在德国,经过多年发展后,欧美地区及日韩等发达国家已有较多工程实践应用和系统研究[3-5]。我国在20世纪90年代,也开始了辐射供冷/供暖系统的研究工作,大多是在置换通风与辐射末端相结合的基础上展开的CFD模拟研究和试验研究,湖南大学殷平教授开展了独立新风与辐射冷吊顶相结合的研究[6-7]。到2007年后,北京奥运村运动员公寓、南京锋尚国际公寓、上海中鹰黑森林小区等项目在实际工程中开始采用毛细管辐射空调系统。

1.2 毛细管辐射空调系统的构成

毛细管辐射空调系统一般是由冷热源、带循环泵的分集水器、温控系统、热介质输送管路、毛细管网;新风除湿装置、风道及风机等组成。

控制系统包括温度传感器、湿度传感器、室内控制面板、数据处理中心和执行机构,根据用户预先设定的各个房间的温度自动调节室温。为避免地面或顶棚结露,室内设置露点检测仪,当室内相对湿度接近饱和时,则加大新风输送数量或关闭供水阀门。

毛细管网是该辐射系统的末端散热装置,一般毛细管管体内外径为0.55×3.4mm或0.8×4.3mm,毛细管之间相距 20mm,材质为无规共聚聚丙烯(PP-R)可热熔塑料,主管采用快速接头或热熔连接,在60℃条件下使用寿命为50年。其散热原理是冷/热媒流经毛细管网,将能量传递到建筑饰面层,再由饰面层通过辐射和对流的方式直接与室内换热。由于辐射换热可不经空气而在各物体表面间直接实现,因此室内余热以及经围护结构传入的热量,可以被毛细管内热介质吸收并带走[8]。毛细管辐射空调系统由于采取了独特的换热方式,与传统风冷式空调相比在室内环境舒适程度和节能降耗上有着明显优势。

1.3 毛细管辐射空调系统的特点

1.3.1 优良的热舒适性

建筑热环境的舒适程度取决于空气的温度、相对湿度、温差大小、气流速度和室内平均辐射温度等因素。在正常情况下,人体的核心温度在37.5℃左右,人体产生的热量约45%以辐射方式散发,对流散热占30%,蒸发散热25%,辐射换热对人体的舒适感影响较大[9]。毛细管辐射空调与传统风冷对流换热空调不同之处在于增大了人体的瞬时辐射换热,这种以长波辐射为主的散热模式更利于营造舒适程度较高的建筑热环境,具体表现在:

(1)毛细管网散热面积大,室内温度场分布均匀,垂直温差小,通常在3℃左右,且低温辐射对人体作用轻柔温和。

(2)室内气流速度较低,由于室内只有少量的新风,送风速度低,吹风感不明显,不会造成温度剧烈波动。

(3)据研究,辐射空调夏季室温可比传统空调高1～2℃,冬季低1～2℃而有同样的舒适性,因此室内外温度差异较和缓,避免进出建筑时的温度陡变,较容易适应。

(4)毛细管辐射空调的冷热分布情况更符合生理要求:在采暖季节地面温度较高,头部温度适中,而传统空调易使人产生头昏脑热脚底冰凉的感觉,夏天辐射空调地面附近温度较低,向上温度逐渐升高,不会出现传统空调冷风直接作用于头部容易感冒的情况。

(5)夏季制冷时毛细管辐射空调维护结构温度在22～24℃左右,不像风冷式空调存在过冷表面致空气中的水蒸气不断脱失,室内相对湿度可控制在50%～80%之间,人体感觉舒服。

1.3.2 无室内噪声影响

由于没有室内风机转动的噪声,系统运行时只有水流在管网内无声无息地流动。此外因配有新风系统,休息睡眠时可紧闭门窗,可将室外各类噪声最大限度屏蔽掉。

1.3.3 高效节能

(1)在相同的热感下,采用毛细管辐射空调系统室内设计温度在夏季可以略高,冬季略低,仅此一项就可使空调能耗较大幅度降低。

(2)在毛细管网与维护结构之间通常会铺设保温板材和热辐射反射膜,使系统的冷热量最大限度地向室内单向传递,降低能耗。

(3)毛细管辐射空调冬季供暖所需热水温度在30℃左右,夏季供冷水温为18～20℃,可直接或间接利用各种工业废热、太阳能、地源热或天然低温水等低品位能源,节约大量能耗。即使使用热泵时,也可以提高热泵机组的效率,降低管网传输过程的热损耗。

(4)维护结构具有较高的热惰性,室内气温受外界影响波动的幅度减小,峰谷滞后能降低空调负荷峰值和空调启用时长。

(5)水媒热容比值大,传输效率高,此外新风量较少,输送动力能耗低。

此外,毛细管辐射空调还具有使用周期长、维护少、安全卫生、安装简便、布置灵活、隐形美观等特点和长处。

2 毛细管辐射空调在夏热冬冷及高湿度地区推广应用面临的问题

毛细管辐射空调在我国投入实际应用已有多年,但在夏热冬冷和高湿度地区的推广一直难有大的突破,笔者分析认为主要受以下因素的制约:

2.1 庞大复杂的系统和较高的初始投入

不论是采用置换式通风还是独立新风方式,毛细管辐射空调采取的均是温湿度独立控制的技术路线,即室内空气的温度和湿度分别独立进行控制。这种空调方式容易满足房间温湿度比不断变化的要求,克服了传统空调难以同时满足温、湿度参数要求的弊端,但也造成空调系统庞大复杂、设备较多。目前国内虽已能独立生产毛细管网,由于处于引进初期,其售价依然较高,因此毛细管辐射空调的造价仍居高不下,成为其进一步普及的障碍之一。

2.2 高湿度地区夏季易结露

毛细管辐射空调控制湿度主要通过在室内设置露点仪,当室相对湿度超过95%RH时,则关闭供水阀门,待室温升高湿度下降后重新开启,这就导致供冷能力不足,甚至不能满足室内冷负荷的要求。国外应用辐射空调主要限于纬度较高的温带和严寒地区,气候较干燥,因此只通过新风系统就能承担室内的全部湿负荷,保障夏季制冷时室内不会结露。国内引进辐射空调的城市气候通常也较干燥,辐射空调新风除湿主要采用冷凝除湿、溶液除湿和转轮吸收除湿三种方式,其中冷凝除湿方式结构简单,造价相对较低,但需要高品位能源,不能充分利用废热;转轮除湿能除去新风中过多的水分,并能回收空调排风显热,可以采用太阳能或其他废热作为热源,但动力部件较多,耗能较多;溶液除湿可对空气除尘灭菌,吸收空气中可溶于水的酸性气体,改善空气质量,能效比高,但投资偏高,盐溶液需定期处理。

针对在高湿度地区夏季易结露这一问题国内外一些学者开展了专题研究,如L.Z.Zhang[10]指出香港在夏季采取先开一小时的新风来避免冷却顶板的结露;日本东京大学的Doosam Song[11]在不能避免结露现象时给出了通过凝水盘收集辐射板上凝结水,然后排走的技术方案,并在辐射板上涂抑菌剂或杀菌剂以防霉菌孳生繁殖;国内的王晋生博士[12]提出用高透过性的薄膜包裹冷却顶板,并在冷却顶板和薄膜之间保留一真空或空气夹层的方法;杨芳[13]提出在辐射板表面采用憎水膜的方案来解决辐射板的结露问题。由于受造价和可操作性等因素影响,在高湿度地区的实际工程中,主要还依靠采用新风承担湿负荷的做法,因此夏季室内湿度较易突破上限,只能频繁启闭毛细管网供水阀门,导致降温供冷能力下降,也影响了系统的舒适性能。

2.3 其它问题

毛细管辐射空调在单门独户中使用时,系统通常只在有人时才会开启而不会连续运行,由于毛细管网的换热功率较低及辐射面层的热惰性,会造成室内需要较长时间才能达到舒适温度,采暖季系统启动见效约需2h左右,夏季制冷不少于1.5h,这将降低使用者的舒适满意度。

毛细管网的安装方式按与建筑物结合的形式通常可分为整体式、贴附式和悬挂式三种。整体式是指是将毛细管格栅埋在建筑结构中,与建筑结构合为一体,管网不易破坏渗漏,但发生渗漏后不易查找,且需要与建筑结构主体一道施工,不利于系统的灵活应用。悬挂式是将辐射顶板模块吊装在楼板的下方,优点是安装简便快捷、出现渗漏便于检修,不足之处是装饰面上有分格缝,不太美观,且只适合装于顶棚处。贴附式是将毛细管网敷设在建筑维护结构表面,面层再做抹灰层和饰面层,可供选择的面层材质多,外表整体美观,缺点是毛细管网与抹灰层形成整体,施工不规范时,因频繁温差应力和受力不均,毛细管与主管连接处易开裂渗漏,检漏和维修较难。

2.4 毛细管网在长沙地区的应用现状

受以上因素限制,在长沙这样的高湿度的夏热冬冷地区,毛细管辐射供冷供暖空调系统仍停留在高校、科研院所和设计单位的理论研究层面上,例如探讨辐射供冷的特点、热舒适性、新风量的计算、顶板表面结露等问题上,进入实际应用的工程项目未见报道。但有商业楼盘和个别住户采用了冬季以毛细管网采暖而夏季采用中央空调供冷的应用方式,以避开毛细管辐射空调不易控制结露的问题。

3 毛细管辐射空调系统的小型户式化

在高湿夏热冬冷地区毛细管辐射空调系统的小型化和防结露问题上,笔者进行了一系列有益的探索,在长沙市德馨园F区建成了研究示范样板房。如图1所示,该辐射空调系统主要由冷热源、温控装置、毛细管网辐射末端、新风装置和空气净化机4部分组成,系统负荷的室内面积为80m2。冷热源为一台型号LSQRF14/(BP)的空气源热泵,包括室外机和室内机两部分,夏季供水温度设定为18℃,冬季为36℃。室内辐射末端主要以铺设在地板下的毛细管网为主,设于顶棚处或墙壁上的毛细管网为辅,起居室及餐厅地面材质为瓷砖,主卧室次卧室地面材质为实木地板、复合木地板和竹地板。较为有特色的部分是新风和室内采用了远大的空气净化机,能将空气中的尘埃微粒以及甲醛苯类挥发性有机物吸附清除,室内空气品质得到较大改善。室内的湿度调节采取了新风除湿/加湿+被动湿度调节材料的综合措施,在没有安装露点仪对供水管进行控制的情况下,夏季制冷时室内气温可在24～28℃间调节,湿度维持在55%至80%之间,较好地解决了在高湿度环境下的防结露问题。

采取上述方案后,毛细管辐射空调结构较简单,完全实现了系统的小型化,可以在别墅或小型住宅中灵活应用,除了仍保持毛细管空调所固有的优良热舒适性、安静、节能、隐形美观等特点外,还新增了湿度可调节、灭菌除尘和空气清新等优点,在舒适性能方面得到提升。

图1 户式毛细管辐射空调系统组成示意图

4 毛细管辐射空调系统的湿度调节和避免结露措施

以下就该系统的湿度调节和防结露措施加以介绍:

4.1 新风调节湿度

新风除湿采取的是冷凝除湿方式,如图2所示,由一台小型冷水机为除湿冷凝盘管提供5～12℃的冷水源,室外新风经新风净化机除尘及与排风发生热交换后,通过冷凝盘管将多余水分除去,此时气温在14～18℃,再与排风换热温度升至22～24℃,相对湿度约45%RH,后经风管导入室内各个房间。该装置新风风量可在100～250m3/h之间调节,由于利用到全热回收装置,除湿的冷水机及风机能耗仅0.5kW,有利于实现空调系统小型化和降低造价。冬季新风系统以一台燃气热水器为热源,并通过一小型超声波雾化装置为室内加湿。

图2 新风系统组成示意图

4.2 被动式湿度调节材料

采用除湿机、加湿器或者空调设备来调节控制室内空气湿度,不仅能耗较大,而且不利于空调系统的小型化。因此在机械除湿之外,研究如何利用自然能源和被动式手段调节控制居住建筑室内空气湿度,开展绿色建筑室内空气湿度控制技术研究具有重要的现实意义[14]。

本文在室内湿度控制上就采取了新风调节和被动式湿度调节材料共同承担湿负荷的方式。这种吸湿材料有一个特性,夏季在毛细管制冷降温过程中能够吸附空气中的水分,吸湿量达到自身重量的60%～70%,而冬季在升温过程中又能向室内释放出部分水分,起到调节湿度的作用。吸湿材料主要由颗粒状的沸石、石膏、CaO、Al2O3、少量无水CaCl2组成,将上述吸湿材料按比例混合,为增强其强度还需加入骨胶粉、木纤维、水泥和改性剂,与水充分搅拌均匀,分层平抹于毛细管网上,表面再做饰面层,其具体构造做法见图3,墙体的做法与顶棚构造基本相同。

图3 顶棚处毛细管网分层构造

4.3 其它措施

室内湿环境主要受室内人体散湿、湿表面散湿、植物散湿和维护结构的湿传递等几方面的影响,只有减少了室内水蒸气的总量,才能有效降低除湿负荷及防结露难度。在普通建筑中对透过维护结构的传湿和通风换湿不太关注,但在高湿度地区辐射空调房间中却有积极意义,应采取增强门窗气密性,及改善维护结构隔汽性能,使水蒸气 “难进易出”。此外改变维护结构表面的传热特性和进行超疏水性表面处理等措施,均有利于防止结露现象的产生[15]。

5 结论

由上述分析可知,毛细管辐射空调系统具有优良的热舒适性能、无室内噪声影响、高效节能等特点,在高档建筑中极具发展前景。但系统庞大复杂、造价较高、夏季易结露等问题限制了辐射空调在夏热冬冷及高湿度地区的进一步推广应用。本文通过在毛细管辐射空调系统小型化和防结露上的实践探索,使得系统简化、舒适性能得到提升,系统主要特点表现在:

(1)系统采用温湿度独立控制体系,新风通过冷凝除湿方式使结构简化,增大系统在别墅住宅中小范围应用的灵活性。

(2)采取新风除湿和被动式吸湿材料共同承担室内湿负荷的技术方案,在夏季达到合理降低室内湿度的目的。

(3)采取降低维护结构的传湿量和改变维护结构表面特性等措施,可以进一步降低夏季结露的可能。

[1]祝燕德.湖南省气象志[M].北京:气象出版社,2008.Zhu Yande,Hunan Provincial Meteorological Blog[M].Bei Jing:Meteorological Press,2008

[2]李铌,李亮,赵明桥等.城市既有建筑节能改造关键技术研究 [J].湘潭大学自然科学学报,2009,31(3):104-111.Li Ni,Li Liang,Zhao Mingqiao.Research On the Key Reconstruct Technology about Building Energy Saving in the City Putting Forward Building[J].Natural Science Journal of Xiangtan University,2009,31(3):104-111

[3]Mundt.The Performance of Displacement Ventilation System.Ph.D.thesis,Royal Institute of Technology,Sweden.1996

[4]Stanley A.Mununa,DOAS and Home Security[J].ASHRAE Transactions,2007(18):86-91

[5]Steven J.Emmerich,Tim McDowell,Initial Evaluation of DV and DOAS for US Commercial Buildings,NISTIR7244.2005

[6]殷平,Stanley A.Mumma.独立新风系统(DOAS)研究(1)综述[J].暖通空调,2003,33(6):44-49.Yin Ping,Stanley A.Mumma.Study of the dedicated outdoor air system(1)a review[J].HV&AC,2003,33(6):44-49

[7]殷平.独立新风系统(DOAS)研究(2)设计方法[J].暖通空调,2004,34(2):37-43.Yin Ping.Study of the dedicated outdoor air system(2)the design method[J].HV&AC,2004,34(2):37-43

[8]刘学来.毛细管格栅空调系统的动态仿真与实验研究[D].中国石油大学,2011.Liu Xuelai.Dynamic models&Experimental Study on Capillary Grating Plane Air-conditioning System[D].China University of Petroleum,2011

[9]王子介.低温辐射供暖与辐射供冷[M].北京:机械工业出版社,2004.Wang Zijie,Low-temperature radiant heating and radiant cooling[M].Bei Jing:Mechanical Industry Press,2004

[10]L.Z.Zhang,J.L.Niu.Indoor humidity behaviors associated with decoupled cooling in hot and humid climates[J].Building and Environment,2003,38:99-107

[11]Doosam Song,Shinsuke Kato.Radiant panel cooling system with continuous natural cross ventilation for hot and humid regions[J].Energy and Buildings,2004,36:1273-1280

[12]王晋生.加装长波高透过性薄膜的冷却顶板置换通风系统实验与模拟[D].上海:同济大学,2005.Wang Jinsheng.Experiment and Simulation of System Combining Displacement Ventilation with Cooling Ceiling with High Long Wave Transimitance Film[D].Shanghai:Tongji University,2005

[13]杨芳.金属辐射冷却顶板的研究及其应用[D].长沙:湖南大学,2005.Yang Fang.The Research and Application of Ceiling Radiant Panel Cooling system[D].Changsha:Hunan University,2005

[14]马斌齐,闫增峰,尚建丽,等.被动式调湿建筑材料的开发与应用研究 [J].建筑科学,2007,23(8):72-75.Ma Binqi,YanZengfeng,Shang Jianli.Research on Development and Application of Passive Humidity Controlling Materials[J].Building Science,2007,23(8):72-75

[15]殷平,沈国励,王桦,等.超疏水表面防凝露 [J].暖通空调,2006,36(4):50-56.Yin Ping,Shen Guoli,Wang Hu.Superhydrophobic surface technique for preventing condensation[J].HV&AC,2006,36(4):50-56