辐射式空调系统

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（热能与动力工程11-02 5411020202xx）

摘要：毛细管辐射空调系统是温湿度独立控制的新型空调技术，是对传统空调技术的挑战和创新。主要介绍了毛细管辐射空调系统的工作原理、系统组成及末端特点，从其系统特点和设计要点方面进行了简要分析,并简要介绍了系统未来发展方向与优缺点与其应用。

关键词：辐射式空调，毛细管辐射，节能空调

1引言：

辐射制冷技术起源于20世纪70年代的欧洲和北美。随着现代化推进人们对舒适型空调以及节约能源要求越来越高，辐射空调系统迎来了飞速发展，它能满足更高层面的创造良好的舒适环境、提高室内空气品质和节能的发展方向。是一种值得推广的舒适节能的空调系统。被许多专家称为“未来的空调系统”。 2辐射空调原理：

辐射供冷(暖)是指降低(升高)围护结构内表面中一个或多个表面的温度，形成冷(热)辐射面，依靠辐射面与人体、家具及围护结构其余表面的辐射 热交换进行供冷(暖)的技术方法。辐射面可通过在围护结构中设置冷(热)管道，也可在天花板或墙外表面加设辐射板来实现。由于辐射面及围护结构和家具表面温度的变化，导致它们和空气间的对流换热加强，增强供冷(暖)效果。在这种技术中，一般来说，辐射换热量占总热交换量的50%以上。

辐射空调系统是一种隐形空调．可以铺设在顶面、墙面以及地面．通过常温水(夏季l 6／1 8度，冬季28／32度)以辐射方式为房间制冷／制热，该系统无噪音，无风感，冷热均匀，是目前最高端的采暖制冷技术，代表着未来空调技术的主流方向。

3辐射供暖（冷）的优缺点 3.1辐射供暖的优点

1)节能较之传统方法，辐射供暖系统供水温度低，能耗相应较少。再者，可以使用热泵、太阳能、地热及低品位热能，可以进一步节省能量。一般认为，地板采暖比传统的采暖方式节能20%~30%；

2)舒适性强辐射采暖提高了室内平均辐射温度，使人体辐射散热大量减少，增强人体的舒适感。由于室温可以比采用散热器低，室内空气就不那么干燥； 3)可按户计量、分室调温； 4)成本与散热器基本持平； 3.2辐射供冷的优点

1)节能与常规空调系统比较节能28%~40%；

2)舒适性强一般认为，舒适条件下人体产生的热量，大致以如下比例散发：对流30%、辐射45%、蒸发25%。辐射供冷在夏季降低围护结构表面温度，加强人体辐射散热份额，提高了舒适性。

3)转移峰值供电，提高电网效率高温时段空调用电集中，供电系统不堪重负，而辐射供冷的峰值耗电量是全空气系统的27%左右，其调峰作用明显；

4)提供一种新的末端形式，有利于系统及布置方式的优化空调送风系统，特别是采用全新风的空调系统，其风管截面大、占用建筑空间大、有时还有与建筑的梁相碰，难于布置。采用地板或顶板供冷，有利于系统和布置方式进一步优化，减少建筑层高的增加幅度。 3.3辐射供冷的缺点

1)表面温度低于室内空气露点温度时，会产生结露，影响室内卫生条件；

2)由于露点温度限制，加上表面温度太低，会影响人的舒适感，所以限制了辐射供冷的能力；

3)在潮湿地区，室外空气进入室内会增大结露的可能性，因此要求门窗尽可能密闭，影响自然通风；

4)不同时使用风系统时，室内空气流速太低，如果温度达不到要求，更增加闷热感。 4空调系统的构成与分类

辐射空调系统由辐射供冷供热末端系统、独立除湿新风系统和冷热源三部分组成

空调系统构成图1

辐射空调的形式众多，本文根据冷（热）媒类型将 目前所采用和研究的辐射型空调系统大致划分为三 类：液体载能型辐射空调系统、空气载能型辐射空调 系统以及非流体载能型辐射空调系统，如表 1 所示。 液体载能型辐射空调系统的典型代表有：毛细管式辐 射板、金属辐射顶板、燃气热水式地暖系统等等；非流 体载能型辐射空调系统，主要是电热膜辐射采暖和电 缆辐射采暖系统等；气体载能型辐射空调系统，包括 蒸汽载能和空气载能，以本文所提出的空气载能型辐 射空调系统为代表。

系统显著特点是：高空气品质、高舒适性、低能耗。 4.1供冷供热末端系统（毛细管） 1）定义

毛细管辐射式空调末端系毛细管辐射式空调末端系统是德国科学家根据仿生学原理在二十世纪七十年代发明的一种新型空调末端系统形式。水是一种高效、便宜而常见的传热介质，它的传热速度比空气快1000倍，毛细管平面系统就是利用水作为介质的一种辐射式空调末端系统。冬季，毛细管内流淌着较低温度的热水,均匀柔和的向房间辐射热量；夏季毛细管内流

动着温度较高的冷水,均匀柔和的向房间辐射冷量。由于毛细管席换热面积大，传热速度快，因此传热效率更高。该系统的主要特点有：高舒适性、安静、没有冷凝水盘，不存在细菌滋生源；较强的自调节平衡能力；没有吹风感等，有利于创造健康的室内环境。 2）毛细管辐射式空调末端系统功能

毛细管辐射空调是一种承载水媒，由超薄弹性的细管冷、热辐射为主要传递热能装置，结合冷热源、水循环系统、新风调湿等系统的一种舒适、节能、高效的空调系统。如下

4.2独立除湿新风系统

新风系统在此系统中的功能除了常规的供人体健康的新风功能外，还承担着为室内除湿的功能，若新风量不足，除湿量达不到要求，房间夏季结露问题很难解决。所以在常规空调系统中可有可无的新风系统在本套系统中成了不可分割的一部分。 独立除湿新风系统是辐射空调系统正常运行的必要条件，保证空调空间的湿度以避免辐射表面结露，另外还要提供室内所需新风。整个辐射空调系统的节能和独立除湿新风系统息息相关。目前主要应用的系统有： a)用冷却方式除湿

图7 冻除点以制

b)液体除湿新风系统

带热回收的冷却除湿的独立新风系统

此方式运行可靠、技术成熟、能效较高。但冷湿的原理必须将要处理的空气冷却到机器露下，然后对空气再热，对能源的使用效率受到约，而且不能利用低位能源(包括可再生能源)。

图8 液体除湿空调系统简图 图9 液体除湿换热器

液体除湿系统利用溶液的吸湿能力去除空气中的水分，溶液通过加热再生然后循环使用。除湿后的空气再由表冷器除去显热(参考图9)，构成一除湿新风系统。液体除湿可以使用低品位能源(如太阳能、地热、余热等)。下图为一利用太阳能/燃气的液体除湿空调系统(图10)，

图10太阳能/燃气液体除湿空调系统

其流程为：溴化锂溶液吸收新风中的水分，降低其含湿量，然后利用冷水及回风去除显热(经过PHE–叉流板式换热器，结构参看图9)；再经直膨蒸发器吸热，对空调空间送风。吸收水分的稀溴化锂溶液经再生器加热再生(Solar/gas regenerator—太阳能/燃气再生器)。

由于液体除湿系统的可独立除湿(处理潜热)的能力，在空调系统中的应用将有广泛的领域。目前由于其体积大，溶液有腐蚀性等弱点，尚未得到大量的使用。随着研发的进一步深入，液体除湿系统会有更大的突破。

4.3空调冷热源部分

空调冷热源采用高效率、低污染、使用可再生能源的主机。如利用地热、地(下)表水等可再生资源作为冷热源的空调系统，或者高效率的制冷制热空调系统。 a)土壤源热泵

土壤热泵系统采用垂直(埋管深度在地下100米以内，也可利用建筑混凝土桩基埋管)或水平埋管形式，利用地下浅层土壤温度常年保持在10度～20度左右的特点，通过地下埋管管内的介质循环与土壤进行闭式热交换以达到供冷供热的目的。夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下，对建筑进行降温；冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖。同时还可提供卫生热水。

土壤源为可再生性能源，由于地下换热器为闭式系统，不会污染地下水资源，对环境零污染。

保证土壤源热泵长期稳定运行的关键技术就是地下换热器系统的精确设计与良好的安装

工艺。 b)水源热泵 水源热泵，直接利用地下水或者江河湖泊水塘作为空调系统的冷热源，夏季吸收建筑余热量，冬季向建筑物输送热量。 开式系统：直接采用地下水作为空调系统的冷热源时，如果处理不当，有可能污染地下水，或者取水与回灌量不平衡，从而造成系统不能安全稳定的长期运行。所以此方式，虽然能源具有可再生性，但是由于设计要求较高，并且受地质条件和当地政策的限制，应根据实际情况慎重选用。

闭式系统：采用江河、湖泊、水塘等地表水作为冷热源时，由于通常采用闭式系统，对环境无污染，且安装方便，在地表水资源丰富的地区采用较好。 c)风冷热泵机组

风冷热泵机组主要应用在冬冷夏热(冬季非采暖)地区。由于其安装方便，维护简单，对于家庭等分散用户是一个有效的选择。 5辐射空调的市场前景

辐射空调系统在中国应用的时间还不长，还有很多问题需要进一步的研究和开发，我国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，但人均商品能源消费为世界平均值的二分之一，美国的十分之一。我国正处于工业化和城镇化快速发展阶段，工业的增长、居民消费结构的升级，对能源的需求更加迫切。能源对国家的发展将起到非常关键的作用，能源问题搞不好，可能拖整个国家发展的后腿。尤其建筑能耗占全部能耗的40～50%，其中冬季采暖、夏季制冷是建筑能耗的主体，除了使用外墙保温和先进的门窗系统以外，采暖和制冷方式的不断改进和创新，将是节能的关键所在。

随着国家进入能源短缺时代，2006年1月1日《中华人民共和国可再生能源法》开始实施，随之建设部出台了《建筑节能管理条例》（征求意见稿），节省能源是我国目前一个重要的战略目标，节能技术和产品面临着巨大的市场需求。毛细管网平面辐射空调不仅高效节能，同时具备绿色环保、节省空间和高舒适度等特点，因此极具市场发展前景。自清华大学节能示范楼建成以后，短短一年多的时间里，虽然多数人对毛细管网的技术还缺乏了解，对毛细管网的价格望而却步，但是一些高档楼盘和办公楼等都率先使用了这一技术，如北京科委的创业大厦、北京万万树别墅区、南京锋尚社区等项目。我公司完成了北京甄氏集团办公楼和一些高档别墅项目的毛细管网平面辐射空调系统的设计和施工，使用效果很好。据了解，在国外地区如德国、英国和巴西也已经广泛采用毛细管网平面辐射空调技术。毛细管网平面辐射空调将代替传统中央空调或普通地板采暖成为未来建筑采暖制冷的主流方式。

参考文献：

[1] Mostafa Rahimi, Amir Sabernaeemi. Experimental study of radiation and free convection in an enclosure with under-floor heating system [J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52(7):

2752-2757

[2] Ala Hasan, Jarek Kurnitski, Kai Jokiranta. Thermal comfort assessment of radiator and floor heating systems [J]. Energy and Buildings, 2009, 47(5): 470-479

[3] Dong Hwa Kang, Dong Hee Choi. Effect of bake-out on reducing VOC emissions and concentrations in a residential housing unit with a radiant floor heating system [J]. Building and Environment 2010, 45(8):1816-1825

[4] Niu J, vd Kooi J, Ree H. Energy saving possibilities with cooled ceiling systems [J]. Energy and Buildings, 1995, 23(1): 147-153

[5] L B Kilkis. A simplified model for radiant heating and cooling panels [J]. Simulation Practice and Theory, 1994, (2): 61-76

[6] Morteza M Ardehali, Nirvan G Panah, Theodore F Smith. Proof of concept modeling of energy transfer mechanisms for

radiantconditioningpanels[J].EnergyConvectionandManagement, 2004, 45: 2005- 2017 [7] Yizai Xia, Stanley A Mumm. Ceiling radiant cooling panels employing heat-conducting rails: deriving the governing heat transfer equations[J]. ASHRA Transactions, 2006, 112(1): 34-41

[8] Corina Stetiu, Helmut E Feustel. Development of a Model to Simulate the Performance of a Hydronie/Radlant Cooling Ceilings [R]. Lawrence Berkeley Laboratory, 1999

[9] Parameter Switch Inc. Control for Radiant Floor Heating [J]. Systems Energy, 1999, 24: 433-444

[10] T Y Chen. Application of adaptive predictive control to a floor heating system with a large thermal lag [J]. Energy and Buildings,2002, 34: 45-51

[11] Myoung-Souk Yeo. A study on the control methods for radiant floor heating and cooling system in residential building [J].ASHRAE Transactions, 2004, 47(3):106-116

[12] 闫振华. 基于蒸发冷却辐射供热 / 冷空调系统实验研究[D]. 西 安: 西安工程大学, 2009 [13] 顾皓.毛细管平面辐射空调系统的设计研究[D].济南:山东建筑 大学, 2010

[14] 汪明.基于封闭式冷却塔的毛细管辐射空调冷源研究[D].济南: 山东建筑大学, 2011 [15] 孟莹. 辐射供冷的特性及运行控制策略分析[D]. 邯郸: 河北工 程大学, 2008

[16] 刘学来, 李永安.毛细管平面辐射空调传热特性的研究[J].山东 制冷空调, 2011, 7: 12-14 [17] 姚万祥, 张志刚, 赵树兴, 等. 毛细管辐射空调系统运行的经济 性分析[J]. 煤气与热力, 2010, 30(4): A18-A21.

[18] 余院生.地板辐射供冷与置换通风空调房间热环境的模拟与能 耗分析[D]. 长沙: 湖南大学, 2008

[19] 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

[20] 田彩霞.分区辐射供冷与风机盘管系统热湿环境研究[D].长沙: 湖南大学, 2011

[21] 胡云鹏, 陈焕新, 陈孚江, 等. 人员密度对毛细管辐射空调适用 性的影响[A]. 见: 全国暖通空调制冷 2010 年学术年会资料集[C]. 2010

[22] 马玉奇, 刘学来, 李永安, 等. 毛细管辐射空调系统的(火用)分析 [J]. 山东制冷空调, 2007, 7: 299-300 [23] 王剑, 韩雪, 邹艳华. 电热膜供暖系统[J]. 鸡西大学学报, 2003,3(1): 43-44

[24] 白艳琴.发热电缆低温辐射供暖技术的应用[J]. 山西建筑,2009, 35(36): 172-174

[25] 周根明, 施颖, 路诗奎, 等. 辐射供冷与贴附射流复合空调系统 防结露研究[J].建筑热能通风空调, 2011, 30(5): 20-22

[26] 孟莹, 张子平, 任晓芬, 等. 辐射空调热特性探讨[J]. 河北工程 大学学报, 2008, 25(2): 44-46

[27] 黎丽华, 陈杰华, 张德鑫, 等. 地板辐射供冷系统的控制性能[J]. 制冷空调, 2011, 11(3): 32-37

[28] 陈露, 廖胜明.三种方式辐射供冷室内热环境对比分析[J].建筑 热能通风空调, 2010, 29(3): 53-56

[29] 张萌,马立. 新型辐射冷吊顶夏季实验研究[J].建筑热能通风空 调, 2010, 29(6): 27-31 [30] 傅允准, 蔡颖玲, 李晶, 等. 毛细管辐射采暖热源方案技术经济 分析[J]. 流体机械, 2010, 38(1): 81-85 [31] 刘学来, 薛红香, 李永安, 等. 毛细管平面辐射空调房间室内计 算温度研究[J]. 煤气与热力, 2010, 30(3): 24-29

[32] 黄翔,李银明, 武俊梅.蒸发冷却与辐射吊顶系统的空调区 CFD 模拟与研究[A]. 见: 全国暖通空调制冷 2006 年学术年会 论文集[C]. 2006

[33] 钱锋. 冷辐射吊顶 + 独立新风空调系统的 CFD 模拟研究——— 新型空调系统在居室中的运用[J]. 住宅科技, 2010, (12): 22-26

[34] 窦晓辉.顶板辐射 - 自然通风空调在住宅中应用的可行性和节 能性研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2009