平面輻射空調

近年來經濟發展迅速，各大城市中高檔公寓、寫字樓數量劇增，導致能源供給日趨緊張。其中空調能耗佔整個建築能耗的一半以上，而目前空調系統主要 依靠電力驅動，從而造成了城市供電短缺。因此，採取一切可行的方案以降低建築能耗，緩解電力緊張局面，成為迫在眉睫的大事。建設低能耗的建築和使用節能綠色空調系統便是其中最有效的解決方案。

輻射供冷(暖)是指降低(升高)圍護結構內表面中一個或多個表面的温度，形成冷(熱)輻射面，依靠輻射面與人體、傢俱及圍護結構其餘表面的輻射 熱交換進行供冷(暖)的技術方法。輻射面可通過在圍護結構中設置冷(熱)管道，也可在天花板或牆外表面加設輻射板來實現。由於輻射面及圍護結構和傢俱表面温度的變化，導致它們和空氣間的對流換熱加強，增強供冷(暖)效果。在這種技術中，一般來説，輻射換熱量佔總熱交換量的50%以上。

(1)節能較之傳統方法，輻射供暖系統供水温度低，能耗相應較少。再者，可以使用熱泵、太陽能、地熱及低品位熱能，可以進一步節省能量。一般認為，地板採暖比傳統的採暖方式節能20%~30%；

(2)舒適性強輻射採暖提高了室內平均輻射温度，使人體輻射散熱大量減少，增強人體的舒適感。由於室温可以比採用散熱器低，室內空氣就不那麼幹燥；

(3)可按户計量、分室調温；

(4)成本與散熱器基本持平；

(1)節能與常規空調系統比較節能28%~40%；

(2)舒適性強一般認為，舒適條件下人體產生的熱量，大致以如下比例散發：對流30%、輻射45%、蒸發25%。輻射供冷在夏季降低圍護結構表面温度，加強人體輻射散熱份額，提高了舒適性。

(3)轉移峯值供電，提高電網效率高温時段空調用電集中，供電系統不堪重負，而輻射供冷的峯值耗電量是全空氣系統的27%左右，其調峯作用明顯；

(4)提供一種新的末端形式，有利於系統及佈置方式的優化空調送風系統，特別是採用全新風的空調系統，其風管截面大、佔用建築空間大、有時還有與建築的梁相碰，難於佈置。採用地板或頂板供冷，有利於系統和佈置方式進一步優化，減少建築層高的增加幅度。

(1)表面温度低於室內空氣露點温度時，會產生結露，影響室內衞生條件；

(2)由於露點温度限制，加上表面温度太低，會影響人的舒適感，所以限制了輻射供冷的能力；

(3)在潮濕地區，室外空氣進入室內會增大結露的可能性，因此要求門窗儘可能密閉，影響自然通風；

(4)不同時使用風系統時，室內空氣流速太低，如果温度達不到要求，更增加悶熱感。

輻射空調系統由輻射供冷供熱末端系統、獨立除濕新風系統和冷熱源三部分組成。

系統顯著特點是：高空氣品質、高舒適性、低能耗。

空調冷熱源採用高效率、低污染、使用可再生能源的主機。如利用地熱、地(下)表水等可再生資源作為冷熱源的空調系統，或者高效率的製冷制熱空調系統。

(a)土壤源熱泵

土壤熱泵系統採用垂直(埋管深度在地下100米以內，也可利用建築混凝土樁基埋管)或水平埋管形式，利用地下淺層土壤温度常年保持在10 度～20度左右的特點，通過地下埋管管內的介質循環與土壤進行閉式熱交換以達到供冷供熱的目的。夏季通過熱泵將建築內的熱量轉移到地下，對建築進行降温；冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高品位對建築供暖。同時還可提供衞生熱水。原理圖如圖2

圖2土壤熱泵系統原理圖

土壤源為可再生性能源，由於地下換熱器為閉式系統，不會污染地下水資源，對環境零污染。

保證土壤源熱泵長期穩定運行的關鍵技術就是地下換熱器系統的精確設計與良好的安裝工藝。

(b)水源熱泵

水源熱泵，直接利用地下水或者江河湖泊水塘作為空調系統的冷熱源，夏季吸收建築餘熱量，冬季向建築物輸送熱量。分為開式系統和閉式系統兩類。

開式系統：直接採用地下水作為空調系統的冷熱源時，如果處理不當，有可能污染地下水，或者取水與回灌量不平衡，從而造成系統不能安全穩定的 長期運行。所以此方式，雖然能源具有可再生性，但是由於設計要求較高，並且受地質條件和當地政策的限制，應根據實際情況慎重選用。

閉式系統：採用江河、湖泊、水塘等地表水作為冷熱源時，由於通常採用閉式系統，對環境無污染，且安裝方便，在地表水資源豐富的地區採用較好。

圖3水源熱泵系統原理

(c)風冷熱泵機組

風冷熱泵機組主要應用在冬冷夏熱(冬季非採暖)地區。由於其安裝方便，維護簡單，對於家庭等分散用户是一個有效的選擇。

空調末端系統有以下產品形式：

(a)金屬輻射頂板

(圖4)或乾式輻射地板(略)圖4金屬輻射頂板

(b)毛細管式輻射板(席)

圖5毛細管輻射席(聚丙烯)

毛細管產品較金屬輻射頂板對室內負荷變化的反應快，而在輻射能力相當的情況下造價低，安裝簡捷，節約建築空間。可以根據客户要求定製尺寸、乾濕式建築施工要求均可。

節能：夏季不需低温冷凍水，冬季不需高温熱水。夏季供水温度為16度時，空調系統的運行效率可達到10.0；冬季供水温度在40度以下，運 行效率可達到4.0。毛細管空調末端系統可以和任何形式的冷熱源結合使用，尤其是與土壤源熱泵、閉式地表水水源熱泵配套使用，由於夏季可以直供，不需要開啓機組製冷，節能效果更明顯。

熱舒適性高：熱舒適性是評價空調系統優劣的重要指標，從圖6對各種形式的空調系統舒適性的調查結果我們不難看出平面式系統的受歡迎程度。

系統一：無置換新風的輻射空調系統

系統二：常規式空調系統

系統三：有置換新風的毛細管輻射空調系統

系統一系統二系統三

圖6熱舒適性指標(不滿意度)

空氣品質好：毛細管輻射空調系統採用獨立新風形式，不存在和迴風的混合，因而空調品質好。

節省建築空間：由於毛細管末端基本不佔用吊頂空間，因而可降低房間層高要求，從而大大節省建築投資。毛細管末端安裝方便、快捷，經濟性好。

獨立除濕新風系統是輻射空調系統正常運行的必要條件，保證空調空間的濕度以避免輻射表面結露，另外還要提供室內所需新風。整個輻射空調系統的節能和獨立除濕新風系統息息相關。目前主要應用的系統有：

(a)用冷卻方式除濕

圖7 帶熱回收的冷卻除濕的獨立新風系統

此方式運行可靠、技術成熟、能效較高。但冷凍除濕的原理必須將要處理的空氣冷卻到機器露點以下，然後對空氣再熱，對能源的使用效率受到制約，而且不能利用低位能源(包括可再生能源)。

(b)液體除濕新風系統

圖8 液體除濕空調系統簡圖

圖9 液體除濕換熱器

液體除濕系統利用溶液的吸濕能力去除空氣中的水分，溶液通過加熱再生然後循環使用。除濕後的空氣再由表冷器除去顯熱(參考圖9)，構成一除 濕新風系統。液體除濕可以使用低品位能源(如太陽能、地熱、餘熱等)。下圖為一利用太陽能/燃氣的液體除濕空調系統(圖10)，

圖10太陽能/燃氣液體除濕空調系統

其流程為：溴化鋰溶液吸收新風中的水分，降低其含濕量，然後利用冷水及迴風去除顯熱(經過PHE–叉流板式換熱器，結構參看圖9)；再經直 膨蒸發器吸熱，對空調空間送風。吸收水分的稀溴化鋰溶液經再生器加熱再生(Solar/gas regenerator—太陽能/燃氣再生器)。

由於液體除濕系統的可獨立除濕(處理潛熱)的能力，在空調系統中的應用將有廣泛的領域。目前由於其體積大，溶液有腐蝕性等弱點，尚未得到大量的使用。隨着研發的進一步深入，液體除濕系統會有更大的突破。

4.輻射空調系統的發展方向

輻射空調系統在中國應用的時間還不長，還有很多問題需要進一步的研究和開發：

(1)輻射空調的基礎研究

輻射傳熱方式對人的生理的作用，以形成輻射空調設計的指導性理論基礎；

(2)設計方法

建立輻射空調系統的實用有效的設計計算方法，並形成相應標準；

(3)專用設備

適用於輻射空調系統的冷熱源系統、獨立新風除濕系統、末端、控制系統的產品開發；

(4)系統集成技術

對不同區域的應用對象建立相應的系統集成技術規範，確保系統高效低能耗運行。

我國目前二氧化硫的排放量居世界第一，二氧化碳的排放量居世界第二，能耗量居世界第二，但人均商品能源消費為世界平均值的二分之一，美國的十分之一。我國正處於工業化和城鎮化快速發展階段，工業的增長、居民消費結構的升級，對能源的需求更加迫切。能源對國家的發展將起到非常關鍵的作用，能源問題搞不好，可能拖整個國家發展的後腿。尤其建築能耗佔全部能耗的40～50%，其中冬季採暖、夏季製冷是建築能耗的主體，除了使用外牆保温和先進的門窗系統以外，採暖和製冷方式的不斷改進和創新，將是節能的關鍵所在。

隨着國家進入能源短缺時代，2006年1月1日《中華人民共和國可再生能源法》開始實施，隨之建設部出台了《建築節能管理條例》（徵求意見稿），節省能源是我國目前一個重要的戰略目標，節能技術和產品面臨着巨大的市場需求。毛細管網平面輻射空調不僅高效節能，同時具備綠色環保、節省空間和高舒適度等特點，因此極具市場發展前景。自清華大學節能示範樓建成以後，短短一年多的時間裏，雖然多數人對毛細管網的技術還缺乏瞭解，對毛細管網的價格望而卻步，但是一些高檔樓盤和辦公樓等都率先使用了這一技術，如北京科委的創業大廈、北京萬萬樹別墅區、南京鋒尚社區等項目。我公司完成了北京甄氏集團辦公樓和一些高檔別墅項目的毛細管網平面輻射空調系統的設計和施工，使用效果很好。據瞭解，在國外地區如德國、英國和巴西也已經廣泛採用毛細管網平面輻射空調技術。毛細管網平面輻射空調將代替傳統中央空調或普通地板採暖成為未來建築採暖製冷的主流方式。

[1]低温輻射供暖與輻射供冷王子介編著機械工業出版社

[2]Modelling of Displacement Ventilation and Chilled Ceiling System Using Nodal Model PhD Thesis by Simon J.Rees

[3]Simplified Ceiling Radiant Cooling Panel and Enthalpy wheel models for dedicated outdoor air system design PhD Thesis by Jae-Weon Jeong

[4]A study into the potential of using liquid desiccant solar air-conditioner with gas backup in Brisbane-Queesland by Shahab Alizadeh

[5]Desiccant cooling technology resource guide by Thomas R.Rutherford