地板辐射供冷暖—置换通风新型空调系统在北京地区的可行性分析

地板辐射供冷暖置换通风新型空调系统在北京地区的可行性分析 摘要： 本项目为北京建筑工程学院供热、供燃气、通风空调工程重点实验室开放研究课题：辐射供冷暖置换通风新型空调系统在北京地区的可行性研究。本文主要介绍了该实验台的系统布置形式，介绍了如何解决地板辐射供冷用于夏季空调时人们所担心的结露问题，指出了置换通风系统的引入，不仅可通过送入干燥的冷空气在冷地板的表面形成一层空气湖，降低冷地板表面的露点温度，提高其供冷能力，同时本身也可以承担一定量的冷负荷。分析了该系统用于北京地区供冷暖的可行性，并对该系统的冬季运行情况做了初步的测试分析，实践证明该系统用于冬季供暖使用效果良好，节省能耗，室内舒适性较好。 关键词： 辐射供冷暖置换通风 作用温度 可行性1 引言低温辐射供暖，是一种利用建筑物内部的地面、墙面、顶面或其他表面进行供暖的系统，以地板辐射供暖最为常用。由于其辐射表面积基本上与室内使用面积相同，因此可以均匀地向各处供热，使室内温度均匀。在我国北方地区，低温热水地板辐射供暖方式以其卫生条件高、舒适性好、温度场均匀、便于利用自然能源和节能性冷热源等优点而得到广泛应用。同一套系统如能同时用于夏季供冷，将减少设备初投资，提高其使用效率，而地板供冷暖置换通风复合空调系统在节能性、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。地板供冷与置换通风相结合可以根本解决结露问题，但在不同地域、不同气象条件下使用时，设备系统可能有较大差别，必须在当地进行实验研究。为此，我们在北京建工学院校内建造了辐射供冷暖置换通风新型空调系统实验台，拟对该系统特性进行进一步研究，并进行实测分析，使地板同时供冷的技术和设备进一步成熟，进行推广使用。2 实验方案2.1 实验条件实验房间位于北京市西直门外北京建筑工程学院校内一幢二层小楼的地面一层，室内使用面积32，建筑面积约35。实验房间东西两面外墙，为37砖墙；南北两面隔墙为24砖墙，隔壁为不采暖房间。窗户为单层玻璃钢窗。经过负荷计算，得到实验房间的总冷负荷为114W/，湿负荷为0.956Kg/h，潜热负荷为610W。冷地板所担负的负荷全部为显冷负荷，计划为42W/，风机盘管所需担负的冷负荷为2.3kW，其中潜热负荷为610W。2.2 地板管布置形式管底首先铺设高效保温材料（采用40厚聚苯乙烯加铝箔，密度20/m3），起到单向保温和隔热的作用。管材采用交联聚乙烯管（PEX）管，管径DN16，管间距100，采用双回路布置以尽量均匀地面温度，各回路管长基本一致，长度为90m左右，以便阻力平衡，水量均匀。分4个回路铺设（见图1），A回路：处于房间一侧，间距200 mm；B回路：套在A回路中间形成间距100。C回路：同A回路，位于房间另一侧；D回路：同B回路，套在C中间形成间距100；A、C回路之间，外侧回路与房间墙壁之间也保持100mm间距，每个回路可通过供回水集水器上的阀门进行开关。地板管填充层为30碎石混凝土，每隔5m见方设伸缩缝，找平层约20，面层装修材料选用导热性能较强的地砖，构造层厚度约7080。2.3 冬夏季空调处理方案采用空气源热泵作为本系统的冷热源，因其便于利用自然能源，制热效率大于1，具有节能优势，合理使用，可减少能耗和运行费。本系统的流程图见图2，夏季制冷、除湿运行时，截止阀A关闭，截止阀B打开，来自机组的冷水首先经过风机盘管，温度升高后再与冷地板的回水相混合，作为冷地板的供水。由于湿负荷全部要由风机盘管承担，所以风机盘管的进水温度要求较低，大约在7左右，如考虑温升为5，则风机盘管的出水温度在12左右，这个温度若直接供地板管，温度仍然太低，大大低于北京地区的夏季露点温度，将会造成冷地板表面结露。有关文献推荐地板供冷的水温为1820，所以风机盘管的出水要与冷地板的回水混合后再供给冷地板，通过设定地板管供水温度来控制三通阀混水量。冬季直接送水至地板管，此时截止阀B关闭，截止阀A打开。冬季运行不需要混水时，二级水泵关闭。由于经费限制，该项目未能按当前需要购置新设备，采用原有设备，裕量较大。实验用热泵机组采用苏州台佳空调器厂生产的风冷热泵机组，额定制热量19.5kW，额定制冷量16.3kW，自带水泵的额定流量6.3m3/h，扬程20m，功率0.6 kW；热泵机组总输入功率7.5 kW。风机盘管机组采用的是清华同方人工环境有限公司生产的卧式安装风机盘管机组，型号：FP6.3，风量671m3/h，制冷量3500W，制热量5763W，输入功率32W。3 地板辐射供冷暖置换通风新型空调系统的可行性及优越性众所周知，低温地板辐射采暖方式因其舒适、节能、卫生条件好等优点，在全国范围内得到了迅速推广，对此不再赘述；而同一套系统如能同时用于夏季供冷，将减少设备初投资，提高其使用效率，因此也受到了越来越多地关注。然而，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，使得地板供冷的应用受到了一定的限制，没有象地板辐射采暖那样得到迅速普及。的确，当冷地板的供水温度较低或室内湿度较大时，冷地板的表面可能结露，限制了冷地板的供冷能力，不能满足舒适性要求。然而，如能与置换通风系统相结合则可解决上述问题。由置换通风系统送入经过冷却除湿的空气，由于其密度较大而沉淀在冷地板的表面，形成一层空气湖，从而阻止热湿空气与冷地板直接接触，降低了冷地板表面的露点温度，能够保证足够低的供水温度，提高了冷地板的供冷能力。同时，置换通风系统本身也可以承担一部分冷负荷，与地板辐射供冷系统相结合，则可达到较高的舒适性要求。再者，对于人们所关心的热舒适性问题，有研究表明，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，与置换通风系统相结合，则可以承担室内的全部冷负荷。 4 冬季运行情况4.1 热泵机组运行参数由于搭建实验台等原因，测试时间主要集中在2004年2月下旬和3月上旬。虽然天气已经转暖，但仍能感到春寒料峭，室内、外温湿度通过清华同方生产的温湿度自记仪采集，每隔半小时自动记录一次。系统中安装了冷热量表、流量计，热泵机组单独加装了电表，用来进行实测、统计和运行控制。热泵机组的耗电量和制热量分别由电表和热表计量，要说明的是，由于机组裕量过大，采用一个有效容积为300升的蓄热水箱进行调节，为避免压缩机频繁开机，设定出水温度上限为45，温差调节幅度调至15，实际运行中开机与停机的时间比约0.2:1。为此，在实际计算机组的COP时，要扣除水泵的耗电量。测试期间，室外气温大部分时间在610之间，室外最低温度-2，一般最低温度在47之间。经过多次测量，在连续运行50小时，达到稳定状态后，测得机组平均耗电量约1.04kW/h，扣除水泵耗电量0.6kW/h后，耗电量为0.44kW/h；平均制热量约1.53kW/h，经计算COP值约3.5。4.2 室内温度实验结果为了研究地板辐射供冷暖置换通风的使用效果，对该实验室围护结构内表面温度和室温进行了实测。围护结构内表面温度用热成像仪测得，取多点测量的平均值；室内温度用清华同方生产的温湿度自记仪测得，多次测试的平均值见表1。地板温度、围护结构内表面温度和室内空气温度 表2 可以看出，在测试的地板辐射系统中，随着地面温度的升高，室内表面的温度也较高，其面积权重平均温度接近室内温度。另外，由于人体的舒适感是辐射和对流两种传热的综合效果，可用作用温度来表示。根据文献介绍，在室内风速很小时，作用温度可认为等于围护结构表面平均温度和室内空气温度的平均值，也就是说，在地板辐射供暖系统中，辐射和对流这两种传热方式对人体的舒适感具有同等效果。5 初步结论（1）辐射供冷暖置换通风新型空调系统用于北京地区的冬季供暖，完全能够达到室温要求。（2）由于热泵本身的节能性，比之使用电锅炉等设备节省能耗和运行费方面的优势明显。（3）地板供冷与置换通风系统相结合，由置换通风系统承担室内全部潜冷负荷和一部分显冷负荷，冷地板承担显冷负荷，完全可以满足夏季供冷的要求。（4）本项目由于机组裕量太大，所配水泵的额定流量和扬程过大，造成了水泵能耗过大，浪费了一定的能量。实际使用中，选用机组不必留较大裕量。参考文献1B.W.Olesen. Possibilities and Limitations of Radiant Floor Cooling . ASHRAE Transaction 103（1）:4248（1997，Part.1）2王子介，空气源热泵用于住宅地板辐射供暖的实测研究. 暖通空调，2003（1）：56583王子介等. 地板辐射供冷及地热空气源热泵可行性研究分析. 全国热泵和空调技术交流会论文集，2001，2582654李先中，王子介.地板供冷置换通风复合空调系统在住宅建筑中的应用，电气与智能建筑，2002.11：62655黄亦沄，张玲，陈光明，地板辐射供冷除湿问题探索，暖通空调2003（3）：47516赵荣义，等编.空气调节M.北京:中国建筑工业出版社 8