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地板辐射空调环境系统在东北地区住宅建筑应用的可行性分析
  • 发布日期:2012-07-30      浏览次数:1919
    • 一、前言
      随着近年来国内地板辐射供暖技术以及热泵技术在东北地区的普遍应用。人们对地板辐射供暖的舒适、便于分户计量等特点形成了普遍的共识。就地板辐射供冷目前有很多学者在作着理论模型繁的试验和研究探讨,作了大量的分析并且取得一定的成果和结论。针对如何将地板辐射这样的传热体系作到供暖和供冷相结合,使得住宅建筑达到空调环境,利用地板辐射完成冬季供暖和夏季供冷的目标。笔者经过近年的实践和研究证明利用地板辐射和热泵技术相结合,进而形成一种空调环境系统在住宅建筑中可以广泛的应用。本文将对地板辐射空调环境系统做具体的阐述和可行性分析。
      二、地板辐射空调环境系统的前提条件和有别于传统空调的特点
      通过人体在空调环境下的舒适度的研究和探讨,得出的结论是:在供冷状态下地板表面温度高于19,供热状态下地板表面温度低于29,是人体舒适度感觉的良好的区间值。低于19和高于29的地板辐射都会引起人体的不舒适。19~29地板表面温度的控制决定了地板辐射空调环境的实现。也决定了其运行中的意义。热泵技术是能够满足这个条件控制的冷热源。地板辐射和热泵技术相结合是实现这一空调条环境系统的前提。也就是说地板辐射空调环境系统的先决条件是有低温值热水和高温值冷水作为系统的冷热源。通过地板辐射盘管室内末端形式,辅助以空气调节设施而实现。其特点如下:
      1)它通过使用一套地板辐射盘管系统通过采暖季和空调季的热源和冷源介质切换,辅助以空气调节来达到空调环境的功能需要。在现在成熟的地板辐射采暖的技术基础之上增加了夏季制冷,通过增加温控、空气置换、流量控制等辅助设施实现一种相对的空调环境。
      2)改变了传统意义上的全空气系统、半空气系统的空调模式。它结合各种空调理论上研究模型和结论。转化成实际应用。
      3)它充分利用了现在热泵技术提供的低温值热水和高温值冷水的冷热源。实现了环保节能。
      它与传统中央空调形式的区别主要有以下几个方面:
      (1)地板辐射空调以辐射换热为主以对流换热为辅。新风置换主要为满足卫生需要以及补充冷量的不足,系统的新风比全空气系统风量大为减少。大大减少了风机的能耗。整个系统可以耗费较少的能量,将冷量输送至目的地。而常规空调系统是以对流换热为主它通过输送同等的冷量则需要大能耗风机来实现。有关实验资料表明,与常规空调系统相比,地板辐射空调环境系统可以节省风机能耗70%~80%.仅此一项就可以减少空调系统的峰值用能的30%~40%.
      2别与传统空调系统,地板辐射空调可以使建筑物具有较强的蓄冷和蓄热能力,加之目前节能建筑技术日益成熟。使得它的节能效果高于传统空调。
      3不存在“空调病”的问题。因为地板辐射空调 系统末端是地盘管形式,无电机等运转元器件,无噪声、无水管结露,因为无凝结水管根除了跑、冒、滴、漏的不良现象。尤其是高温值的冷水运行提高人体的舒适性。解决了传统空调的低温值冷水运行带来的过冷感觉。
      4别与传统空调的冷热源。传统空调是冷水机组和锅炉提供冷热源需要两套设施,而地板辐射空调冬夏季共用一套室内系统,还可以一套冷热源—热泵,不必同时设置锅炉房(或换热站)和制冷机,大大减低初投资,提高了设备利用率。就目前住宅建筑的空调环境是柜机或多联机实现夏季的供冷,冬季靠地板辐射或散热器实现供热,而地板辐射空调环境系统只要辅以单体的热回收新风置换机就可以具备了空气置换的功能。
      三、地板辐射空调环境系统人们普遍认识中的几个争议和误区
      一)、室内置换通风时设置新风的必要性
      对于一般民用住宅,居住人口较少,居住面积较大,对是否设置新风系统的必要性争论较大,笔者通过估算,按每户平均面积100m2计算,处理新风耗能量约1.35kW左右,如果冷负荷指标按60W/m2考虑,包括冷负荷冷量、除湿冷量、新风冷量约7.5kW左右,新风冷量占总供冷量18﹪。因此,笔者认为在国民经济不太富裕的情况下,采用简单的热回收新风置换增加室内空气对流,提高人体舒适感,在不影响室温情况下也可短时间的开窗通风,完全可以解决住宅新风置换的问题,没有必要单独设置一套难以控制的新风系统。
      二)、冷热源的选择
      目前辐射供暖在我国东北地区,冬季利用燃煤锅炉、燃气锅炉,热电联供提供的热水采暖的较多。随着分户采暖的增加,国家能源、环保的导向作用,也使能源种类和热源设备趋于多样化,如电热锅炉、单元式燃气炉,还有热泵装置中的地源热泵、水源热泵、空气源热泵,污水源热泵等,另外,利用太阳能作为地板采暖的热源正在实施。由于辐射供暖系统要求水温低于60℃,因此热源选择的范围较大。夏季冷源也不限于机械形式制冷,还可采用复合冷热源系统。例如热泵装置系统、太阳能吸收式制冷系统、冰蓄冷供冷系统等。
      无论使用何种冷热源,首先充分考虑综合节能的效益,在低能耗的前提下获取大冷热量。同时也应考虑运行节能费用。所以综合性比较冷热源的形式存在很多需要探讨的问题。
      三)地板辐射供冷认为的冷辐射面在脚下,有勃于“脚暖头凉”的健康原则的误解。
      对于人体舒适度,有关研究资料表明:室内温度冬季≥18℃(或20℃)夏季≤26℃室内相对湿度30%~70%,地面温度18(或19~29℃,空气平均流速0.1~0.3M/S。是人体zui佳的舒适环境。地板辐射空调环境的供冷供水温度为16/20℃,地板的温度一般都超过20℃。完全在舒适标准的控制内,穿鞋的脚更不会感觉到凉。因为有新风置换在工作区内,纵向温度场很均匀,在0.1M~1.1M温度差超过3℃,也不会有“头热脚凉”的不舒适感觉。这是普遍认为的误区
      四)普遍认为冷表面在下,对流换热量小的误解。
      地板辐射空调环境系统总供冷量是辐射热量与对流热量之和,并且辐射换热量主要部分,而影响辐射换热的一个重要参数气体和辐射冷表面之间的角系数。该数值的大小取决于人员和冷表面之间的距离以及冷表面的面积。在面积相同时地板相对于其他表面(墙壁、窗户、天花板等)而言对人体有着更好的角系数,例如一个6M*6M的房间中央的人员采取站姿时地板的角系数为0.311,坐着时对地板的角系数为0.4,人体对天花板的角系数为0.15~0.2,所以地板辐射供冷量要大于顶板供冷量。另外,冷地板的对流换热量很大程度上取决于热源,在人体站立的周围地面的冷空气受热会产生上升气流,对流换热量也在加强。这样就必然提高了地板辐射供冷的总供冷量,室内高负荷可达到120~150W/M2。这样的论述是不是有了实验的依据。这是同行业人士的误区。地板辐射空调环境系统的夏季供冷从另外一个层面是建筑物整体蓄冷,不存在冷负荷增大的问题。
      四、地板辐射空调在住宅建筑中的设计形式简述
      (1)地板辐射空调环境系统形式
      与目前的地板辐射供暖系统基本没有太大的变动。都是将热水或冷水经管网输送系统入户,进入室内管井,分送至每户的末端装置-地盘管。不同的是地板辐射空调环境系统要求每户管道入户处均设供冷水、供热水冷热计量、以及室内温度湿度传感和新风置换装置。做到了一套管道系统及地盘管末端装置,继满足夏季供冷、又能满足冬季供暖。冷热源机房改变了传统的锅炉房和冷水机房改用水源或地源热泵。
      (2)供热、供冷地表面平均温度
      综合近年来的研究成果,对于供热地表面平均温度不宜超过29℃, 29℃是地面供暖系统地表温度的极限。供冷地表面平均温度不应高于19℃ 。室内空气温度应控制26℃较宜。在脚与头部之间的竖向温差(从0.1~1.1m)应低于2℃。 空气的湿度不应高于15g/Kg。冷地表面平均温度对室内垂直温差比较小,制冷主要以冷辐射方式进行,工作高度从0.1~1.1m之间,温差低于0.4~ 0.5℃范围内。 地面供冷时,只要地面温度相同,地面材料对于热舒适的影响可以不予考虑。 夏季冷地表面设计温度的确定,应根据人体舒适性和经济性双方面的要求综合考虑确定,夏季设计冷地表面温度一般为应控制在19~20℃。
      (3)地板辐射空调环境系统供冷、供暖的冷热源
      采用水源或地源热泵通过置于室外的水源或埋管换热器的能量采集系统提供低温值热水和高温值冷水冷热源。地源热泵技术,是利用地下的土壤温度相对稳定的特性,,通过消耗电能,在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方,在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中,达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源,可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤中取热,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空调向土壤放热给建筑物制冷。水源热泵是利用地下水、地表水进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源,冬季把水源的热量出来,供给室内采暖,此时为热源;夏季把室内热量取出来,释放到地下水、地表水中,此时水源为“冷源”
      在制热工况下可以提供40~55℃的热水,高温机型可以达到70。在制冷工况下可以生产15~19℃的冷水,低温机型可以达到8。完全满足地板辐射空调环境系统的要求,具有巨大节能效益和环境效益。
      五、地板辐射空调环境系统可行分析结论
      地板辐射空调环境系统利用一套系统同时用于夏季供冷和冬季供暖,减少了设备初投资,提高其使用效率,在节能性、舒适性,排出室内有害气体从而改善室内空气品质方面具有其他采暖空调系统不能比拟的优势。具备便于利用自然能源和节能性冷热源的优点
      地板辐射供冷与置换通风相结合以及温度湿度自动化控制可以根本解决结露问题。诠释了由于人们担心地板结露问题,热舒适性问题以及冷地板的供冷能力问题和疑虑
      具备优于传统空调人们所关心的冷热舒适性问题,把地板温度控制在1820℃的范围内,在夏季不会产生脚冷的感觉,与新风置换相结合,则可以承担室内的全部冷负荷。根据东北不同的地点、区域、住宅建筑。采取相应的设计完全可以解决各个方面的问题,达到空调环境的各项指标。
      地板辐射空调环境系统运用于民用住宅,使得住宅冷、热源一体化,即节省工程造价、节约能源,又改善室内环境。实践证明热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。作者认为本技术应用前景非常广阔.为今后进一步推广打下了良好的基础和经验。
     
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