辐射空调系统可利用的几种节能技术分析

杨伟（中国建筑上海设计研究院有限公司，上海200063）

辐射空调系统可利用的几种节能技术分析

杨伟
（中国建筑上海设计研究院有限公司，上海200063）

介绍了几种可与辐射空调系统相结合的空调节能技术。辐射末端所需冷水温度较高，可与高温冷水机组、蒸发冷却、地源热泵、冷却塔免费供冷等技术结合，承担室内显热负荷，降低系统能耗。而冰蓄冷技术可与新风系统相结合，一方面利用电价峰谷优势经济运行，另一方面干燥的新风有利于辐射空调系统的启动。同时也应注意各项技术的适用性。

辐射空调系统； 土壤源热泵； 免费供冷； 节能

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.022

0　引言

近年来，辐射吊顶以其舒适、节能、美观等特点，在欧洲地区得到了广泛应用，国内在上海、广州、深圳等地也已有了一些应用案例。辐射空调系统的节能性取决于系统的合理设计和系统的良好运行。本文就辐射空调系统可利用的几种节能技术进行了具体的分析，注重应用的同时也需注意其适用性。

1　可利用的几种技术分析

辐射空调系统一般由两部分组成，辐射末端的显热负荷和新风系统的潜热及部分显热负荷。辐射末端一般仅承担室内显热负荷。由于夏季受室内露点温度影响和冬季受热辐射不平衡性影响，冷水夏季供回水温度一般为16/19℃，热水冬季供回水温度为32/29℃（具体温度根据实际设计工况确定）。这就为低温天然冷源提供了利用的可能，以达到最佳节能效果。辐射空调系统湿度由新风系统负担，新风除湿可采用冷凝除湿、溶液除湿、转轮除湿、太阳能除湿等手段。

1.1高温冷水机组

此处的“高温”是相对于冷水机组常规工况而言。

常规冷水机组设计工况冷水供回水温度一般为7/12℃。对于辐射空调系统末端而言，如果采用该工况冷水温度有可能导致末端辐射板表面结露。如为获得所需冷水温度而设置板换，则会造成高品位能源的浪费。如果常规冷水机组用于“高温”工况运行，由于压缩比较小，有可能会影响机组的稳定性。所以高温冷水机组一般会在常规冷水机组的基础上对压缩机、蒸发冷凝换热器等进行相应改进［1，2］。

表1　高温离心式冷水机组测试结果［1］

表2　高温螺杆式冷水机组测试结果［2］

由表1和表2可知，出水温度为16℃的高温冷水机组与出水温度为7℃常规冷水机组相比，COP提高约35%。但目前“真正”的高温冷水机组产品很少甚至没有，高温冷水机组的研究还任重道远。

对于辐射空调系统而言，采用高温冷水机组可降低机组能耗，但由于冷热水供回水温差小（一般为3℃），水泵能耗会增加。系统的节能性取决于机组能耗与水泵能耗的比例，也就是说，系统中机组能耗所占比例越大，采用高温冷水机组越有利于节能。而对于水泵而言，可采取适当增大沿程干管管径等措施以减小该部分的能耗。管径的增大有可能造成整体工程造价的上升。因此辐射空调系统的节能性和经济性需总体考虑。

磁悬浮冷水机组采用无油润滑磁悬浮技术，系统无油，提高了换热表面的换热效率；同时磁悬浮轴承避免了常规轴承的摩擦损失，机组效率更高［3］。因此，磁悬浮高温冷水机组与辐射空调末端相结合，节能性将会进一步增加。

1.2冰蓄冷

1.2.1冰蓄冷除湿性能分析

与常规系统相比，由于制冷机在制冰工况效率较低，冰蓄冷空调系统一般并不节能，但在一定程度上可缓解城市、地区的电网供电状况，缓解电力负荷峰谷差现象，具有一定的积极作用。通过工程实践，一般认为当峰谷电价差较大（最小峰谷电价比不低于3∶1），回收投资差额的期限不超过5a时较为合理可行［4］。

空气冷却器的出风温度与冷媒的进口温度一般不宜小于3℃，按常规冷水机组冷水工况（7/12℃）可达到最低送风温度为10℃，这一般也是低温送风的送风温度分界点。冰蓄冷系统进入盘管的冷媒温度可达到1～4℃，最低送风温度可达到7℃或以下。由表3可知，如果新风系统承担室内所有湿负荷，当室温低于26℃时常规冷冻除湿无法满足要求。此时可采用冰蓄冷技术、增大新风量（不建议）、新风系统采用部分回风或溶液除湿等措施，以满足除湿需求。

对于辐射空调系统而言，为满足除湿需求，早晨新风系统提前运行以防辐射板结露。当新风系统与冰蓄冷系统结合时，一方面新风处理的较为干燥，有利于早晨的启动除湿；另一方面，可利用电价的峰谷差、大温差技术（冷水大温差、送风大温差）以降低水泵、风机能耗和减小水管、风管尺寸，实现系统的经济性和节能性。但新风送风温度较低，新风系统承担负荷比例升高，辐射末端承担显热负荷比例下降，系统的节能性可能有限。同时冰蓄冷装置的融冰特性也很关键，一般融冰末期供水温度高，新风系统承担负荷和除湿能力均变小，工程中需根据实际情况进行相应分析。

1.2.2冰蓄冷辐射空调系统

文献［5，6］对冰蓄冷与辐射供冷系统的结合有一定分析。图1为文献［5］的冰蓄冷辐射空调系统原理图，系统采用主机上游串联、主机优先工作模式，负荷较小时采用融冰供冷模式，负荷较大时采用制冷机组、融冰联合供冷模式。冰蓄冷系统负担新风除湿所需冷量和部分毛细管辐射供冷所需冷量，同时可利用地下土壤这一免费冷源为毛细管提供主要的冷量。文献［5］通过对杭州市某一建筑面积为6800m2的办公室进行计算，得出如下结论：冰蓄冷辐射空调系统相对常规空调系统供冷季节的能耗减少31.02%。

表3　辐射空调系统除湿分析

图1　冰蓄冷辐射空调系统原理图［5］

1.3地源热泵

1.3.1土壤源热泵

由于地下10m以下土壤温度几乎保持常年不变，约等于当地年平均气温［7］。夏季作为”冷凝器”向土壤放热，冬季作为”蒸发器”从土壤吸热。地源热泵可与新风系统结合，对新风系统冷冻除湿；或提供高温冷水（16/19℃）、低温热水（32/29℃）与辐射末端结合，提高机组的COP降低系统能耗。同时，冬季采用地源热泵供暖，与燃油燃气锅炉相比，减少了污染物的排放。

辐射末端所需冷水温度约为16℃，对于诸如哈尔滨、北京等城市，可利用土壤源免费供冷，可直接利用地埋管与土壤换热，对辐射板进行供冷，参考图1。但需注意地源热泵的热平衡、热堆积问题，应尽量保证地源热泵冬夏季的取放热量一致，如差别较大时需考虑增设辅助冷热源、控制运行时间等措施。土壤温度的“恒温”建立在热平衡的基础上。季节性的一味取热或放热，均会影响机组的制热量或制冷量。

1.3.2水源热泵

水源热泵应用同土壤源热泵。地下水源热泵存在回灌问题，存在一定隐患。而地表水源热泵系统如果设计不当，也会导致水体热污染，破坏生态环境。文献［8］对地表水源热泵的热污染有如下分析：当湖水水温升高后水中溶解氧减少，一般当水体溶解氧降到1mg/l时，大部分鱼类会发生窒息而死亡。即使是暖水种的鱼类往往也很难承受30～35℃的高温水环境。另有研究表明，表面水温的升高还会影响鱼类的产卵以及降低鱼卵存活率；鱼类对水体的温升非常敏感，即使只有1℃的温升，都会对鱼类的生存繁殖造成不小的影响。水温的升高还会使水中含有的病毒、细菌大量滋生泛滥或有毒物质浓度增加，造成疫病流行；水温由8℃升至18℃水体中的氰化钾对鱼的危害就会增加1倍。应此使用地表水源热泵时，应校核其释热量，建议不超过《地源热泵工程技术指南》中推荐的12～13W/m2的数值。

表4　我国主要城市年平均温度［7］℃

1.4冷却塔免费供冷

当室外湿球温度较低时，可关闭冷水机组，利用冷却水免费供冷。由于辐射空调末端装置所需冷水温度一般为16℃，比常规7℃冷水温度要高，因此，冷却塔运行时间更长，有较大节能潜力。以上海地区为例进行相关分析。

表5为根据常规的办公时间（8∶00～18∶00）统计的上海湿球温度累计小时数。由表5可知，湿球温度小于等于16℃共有2066h，约占总小时数的51.8%；湿球温度小于等于7℃共有943h，约占总小时数的23.6%。采用辐射空调技术，冷却塔免费供冷时间比常规空调系统更长，有利于节能。

表5　上海全年8：00～18：00湿球温度累计小时［9］

而文献［10］针对某办公楼标准层（54m×54m）的模拟结果显示：1）当采用冷却塔直接供冷系统时（供冷温度13℃），七个城市（哈尔滨、乌鲁木齐、西安、兰州、北京、上海、广州）中除广州外，其余6个城市中冷却塔供冷系统与常规供冷系统相比节能率可达12.47%～34.74%，广州地区为2.26%。当采用冷却塔间接供冷且供冷温度13℃时，除广州、上海外，其节能率也在10%以上；供回水温差2.7℃时，广州地区节能率为0.59%，上海地区节能率为5.60%。2）西北地区（如广州、乌鲁木齐），采用冷却塔供冷系统的节能效果最佳，其次是北方一些城市（如哈尔滨、北京等），南方沿海城市（如广州）节能效果最差。

1.5蒸发冷却技术

蒸发冷却技术有其地域性。理想情况下，间接蒸发冷却装置冷水的出口温度可接近于进口空气的露点温度。因此，对于中国气候比较干燥的西部、北部等地区，若采用常规冷冻除湿方式，可能需降温加湿。此时可利用间接蒸发冷却方式产生较高温度的冷水，与辐射空调末相结合用。新风采用直接蒸发冷却或间接+直接蒸发冷却方式，满足除湿需求。

当室内设计参数为26℃、相对湿度60%时，对于金属辐射吊顶而言，当供回水温度为20/23℃时，辐射吊顶的制冷能力约44W/m2。当供回水温度为16/19℃时，辐射吊顶的制冷能力约98W/m2，可满足西北部干燥地区室内显热负荷需求。

文献［11］对新疆地区建筑面积5100m2的一栋办公楼分析比较，得出如下结论：蒸发冷却-辐射空调系统运行功率为相同情况下常规机械制冷-风机盘管系统的37%，比蒸发冷却-风机盘管系统节约19%的电量。

1.6冷热电三联供（CCHP）系统

冷热电联产（CCHP）系统是指以天然气为主要燃料在用户侧安装燃气轮机发电机组，利用燃料高品位的能量进行发电，产生的电力满足用户的电力需求。同时通过余热回收利用设备（溴化锂吸收式机组或余热锅炉）回收发电所产生的烟气热量，向用户供热、供冷，满足用户的冷热需要。对于小型系统，内燃机发电效率高，部分负荷调节性能稍好，有一定优势。

如图2所示，使用天然气内燃机发电时，发动机排出的300℃左右的烟气可直接驱动烟气型吸收式冷水机组制取16℃的冷水，而80～90℃的缸套水可作为新风溶液除湿系统的再生热源。而排出的低温烟气可进一步加热生活热水，实现了能源的阶梯利用。

由于电力部门的规定，冷热电联供发电只能自给自足，不能上网。从能源利用的角度来看，应该尽量避免采用“以电定热”策略。若采用“以热定电”策略，应根据建筑冷热电负荷特性对机组配置容量仔细分析，避免机组容量过大满负荷运行时间短、发电不能上网等现象。

图2　能源的阶梯利用

冷热电联供技术一般是牺牲发电效率为前提，小型发电机组的发电效率低于大型发电厂。而需说明的是，天然气冷热电联供系统节能与否比较的基准应是天然气发电系统而非燃煤发电系统。与冷热电分产系统相比，供热工况内燃机发电效率一般较高，节能率一般可高达14%以上；供冷工况只有发电效率和总效率很高的情况下才具有节能性，多数情况下并不节能；纯发电工况天然气热电联供系统的效率低于大型的燃气-蒸汽联合循环发电，不节能［12］。

2　结语

本文分析了辐射空调系统可利用的几种“节能”技术。冰蓄冷技术和冷热电联供技术并不一定节能，辐射空调新风系统可与冰蓄冷技术结合，一方面有利于新风除湿，另一方面有利于早晨辐射空调系统的启动。辐射空调显热末端夏季冷水供水温度较高，可与高温冷水机组、冷却塔免费供冷、地源热泵、水源热泵、蒸发冷却技术相结合，降低系统能耗。冷却塔免费供冷应注意季节性，蒸发冷却技术应注重气候适宜性。地源热泵系统应注意热平衡问题。地表水源热泵需注意水体污染问题，向水体的释热量尽量控制在12～13W/m2。

任一项技术均有其适用性，应用过程中应因地制宜。辐射空调系统应用时，应对其节能性和经济性具体分析。

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Analysis on Several Energy Saving Techniques for Radiant Ceiling Systems

YANG Wei
（China Shanghai Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200063，China）

Introduce several energy saving techniques for radiant ceiling systems.Because of high chilled water demanded by radiant ceiling，several techniques can be used，such as high water temperature chiller，evaporative cooing technology，soil source heat pump，free cooling of cooling tower etc.Meanwhile ice storage technique can be combined with fresh air system，which is good for economy operation and radiant ceiling start-up.But the adaptability of several techniques should be noticed.

radiant ceiling system； soil source heat pump； free cooling； energy saving

TU831

B

2095-3429（2015）02-0085-05

杨伟（1982-），男，山东人，硕士，工程师，从事机电设计工作。

2015-03-19

2015-04-29