輻射空調系統可利用的幾種節能技術分析

楊偉（中國建筑上海設計研究院有限公司，上海200063）

輻射空調系統可利用的幾種節能技術分析

楊偉
（中國建筑上海設計研究院有限公司，上海200063）

介紹了幾種可與輻射空調系統相結合的空調節能技術。輻射末端所需冷水溫度較高，可與高溫冷水機組、蒸發冷卻、地源熱泵、冷卻塔免費供冷等技術結合，承擔室內顯熱負荷，降低系統能耗。而冰蓄冷技術可與新風系統相結合，一方面利用電價峰谷優勢經濟運行，另一方面干燥的新風有利于輻射空調系統的啟動。同時也應注意各項技術的適用性。

輻射空調系統； 土壤源熱泵； 免費供冷； 節能

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.022

0　引言

近年來，輻射吊頂以其舒適、節能、美觀等特點，在歐洲地區得到了廣泛應用，國內在上海、廣州、深圳等地也已有了一些應用案例。輻射空調系統的節能性取決于系統的合理設計和系統的良好運行。本文就輻射空調系統可利用的幾種節能技術進行了具體的分析，注重應用的同時也需注意其適用性。

1　可利用的幾種技術分析

輻射空調系統一般由兩部分組成，輻射末端的顯熱負荷和新風系統的潛熱及部分顯熱負荷。輻射末端一般僅承擔室內顯熱負荷。由于夏季受室內露點溫度影響和冬季受熱輻射不平衡性影響，冷水夏季供回水溫度一般為16/19℃，熱水冬季供回水溫度為32/29℃（具體溫度根據實際設計工況確定）。這就為低溫天然冷源提供了利用的可能，以達到最佳節能效果。輻射空調系統濕度由新風系統負擔，新風除濕可采用冷凝除濕、溶液除濕、轉輪除濕、太陽能除濕等手段。

1.1高溫冷水機組

此處的“高溫”是相對于冷水機組常規工況而言。

常規冷水機組設計工況冷水供回水溫度一般為7/12℃。對于輻射空調系統末端而言，如果采用該工況冷水溫度有可能導致末端輻射板表面結露。如為獲得所需冷水溫度而設置板換，則會造成高品位能源的浪費。如果常規冷水機組用于“高溫”工況運行，由于壓縮比較小，有可能會影響機組的穩定性。所以高溫冷水機組一般會在常規冷水機組的基礎上對壓縮機、蒸發冷凝換熱器等進行相應改進［1，2］。

表1　高溫離心式冷水機組測試結果［1］

表2　高溫螺桿式冷水機組測試結果［2］

由表1和表2可知，出水溫度為16℃的高溫冷水機組與出水溫度為7℃常規冷水機組相比，COP提高約35%。但目前“真正”的高溫冷水機組產品很少甚至沒有，高溫冷水機組的研究還任重道遠。

對于輻射空調系統而言，采用高溫冷水機組可降低機組能耗，但由于冷熱水供回水溫差?。ㄒ话銥?℃），水泵能耗會增加。系統的節能性取決于機組能耗與水泵能耗的比例，也就是說，系統中機組能耗所占比例越大，采用高溫冷水機組越有利于節能。而對于水泵而言，可采取適當增大沿程干管管徑等措施以減小該部分的能耗。管徑的增大有可能造成整體工程造價的上升。因此輻射空調系統的節能性和經濟性需總體考慮。

磁懸浮冷水機組采用無油潤滑磁懸浮技術，系統無油，提高了換熱表面的換熱效率；同時磁懸浮軸承避免了常規軸承的摩擦損失，機組效率更高［3］。因此，磁懸浮高溫冷水機組與輻射空調末端相結合，節能性將會進一步增加。

1.2冰蓄冷

1.2.1冰蓄冷除濕性能分析

與常規系統相比，由于制冷機在制冰工況效率較低，冰蓄冷空調系統一般并不節能，但在一定程度上可緩解城市、地區的電網供電狀況，緩解電力負荷峰谷差現象，具有一定的積極作用。通過工程實踐，一般認為當峰谷電價差較大（最小峰谷電價比不低于3∶1），回收投資差額的期限不超過5a時較為合理可行［4］。

空氣冷卻器的出風溫度與冷媒的進口溫度一般不宜小于3℃，按常規冷水機組冷水工況（7/12℃）可達到最低送風溫度為10℃，這一般也是低溫送風的送風溫度分界點。冰蓄冷系統進入盤管的冷媒溫度可達到1～4℃，最低送風溫度可達到7℃或以下。由表3可知，如果新風系統承擔室內所有濕負荷，當室溫低于26℃時常規冷凍除濕無法滿足要求。此時可采用冰蓄冷技術、增大新風量（不建議）、新風系統采用部分回風或溶液除濕等措施，以滿足除濕需求。

對于輻射空調系統而言，為滿足除濕需求，早晨新風系統提前運行以防輻射板結露。當新風系統與冰蓄冷系統結合時，一方面新風處理的較為干燥，有利于早晨的啟動除濕；另一方面，可利用電價的峰谷差、大溫差技術（冷水大溫差、送風大溫差）以降低水泵、風機能耗和減小水管、風管尺寸，實現系統的經濟性和節能性。但新風送風溫度較低，新風系統承擔負荷比例升高，輻射末端承擔顯熱負荷比例下降，系統的節能性可能有限。同時冰蓄冷裝置的融冰特性也很關鍵，一般融冰末期供水溫度高，新風系統承擔負荷和除濕能力均變小，工程中需根據實際情況進行相應分析。

1.2.2冰蓄冷輻射空調系統

文獻［5，6］對冰蓄冷與輻射供冷系統的結合有一定分析。圖1為文獻［5］的冰蓄冷輻射空調系統原理圖，系統采用主機上游串聯、主機優先工作模式，負荷較小時采用融冰供冷模式，負荷較大時采用制冷機組、融冰聯合供冷模式。冰蓄冷系統負擔新風除濕所需冷量和部分毛細管輻射供冷所需冷量，同時可利用地下土壤這一免費冷源為毛細管提供主要的冷量。文獻［5］通過對杭州市某一建筑面積為6800m2的辦公室進行計算，得出如下結論：冰蓄冷輻射空調系統相對常規空調系統供冷季節的能耗減少31.02%。

表3　輻射空調系統除濕分析

圖1　冰蓄冷輻射空調系統原理圖［5］

1.3地源熱泵

1.3.1土壤源熱泵

由于地下10m以下土壤溫度幾乎保持常年不變，約等于當地年平均氣溫［7］。夏季作為”冷凝器”向土壤放熱，冬季作為”蒸發器”從土壤吸熱。地源熱泵可與新風系統結合，對新風系統冷凍除濕；或提供高溫冷水（16/19℃）、低溫熱水（32/29℃）與輻射末端結合，提高機組的COP降低系統能耗。同時，冬季采用地源熱泵供暖，與燃油燃氣鍋爐相比，減少了污染物的排放。

輻射末端所需冷水溫度約為16℃，對于諸如哈爾濱、北京等城市，可利用土壤源免費供冷，可直接利用地埋管與土壤換熱，對輻射板進行供冷，參考圖1。但需注意地源熱泵的熱平衡、熱堆積問題，應盡量保證地源熱泵冬夏季的取放熱量一致，如差別較大時需考慮增設輔助冷熱源、控制運行時間等措施。土壤溫度的“恒溫”建立在熱平衡的基礎上。季節性的一味取熱或放熱，均會影響機組的制熱量或制冷量。

1.3.2水源熱泵

水源熱泵應用同土壤源熱泵。地下水源熱泵存在回灌問題，存在一定隱患。而地表水源熱泵系統如果設計不當，也會導致水體熱污染，破壞生態環境。文獻［8］對地表水源熱泵的熱污染有如下分析：當湖水水溫升高后水中溶解氧減少，一般當水體溶解氧降到1mg/l時，大部分魚類會發生窒息而死亡。即使是暖水種的魚類往往也很難承受30～35℃的高溫水環境。另有研究表明，表面水溫的升高還會影響魚類的產卵以及降低魚卵存活率；魚類對水體的溫升非常敏感，即使只有1℃的溫升，都會對魚類的生存繁殖造成不小的影響。水溫的升高還會使水中含有的病毒、細菌大量滋生泛濫或有毒物質濃度增加，造成疫病流行；水溫由8℃升至18℃水體中的氰化鉀對魚的危害就會增加1倍。應此使用地表水源熱泵時，應校核其釋熱量，建議不超過《地源熱泵工程技術指南》中推薦的12～13W/m2的數值。

表4　我國主要城市年平均溫度［7］℃

1.4冷卻塔免費供冷

當室外濕球溫度較低時，可關閉冷水機組，利用冷卻水免費供冷。由于輻射空調末端裝置所需冷水溫度一般為16℃，比常規7℃冷水溫度要高，因此，冷卻塔運行時間更長，有較大節能潛力。以上海地區為例進行相關分析。

表5為根據常規的辦公時間（8∶00～18∶00）統計的上海濕球溫度累計小時數。由表5可知，濕球溫度小于等于16℃共有2066h，約占總小時數的51.8%；濕球溫度小于等于7℃共有943h，約占總小時數的23.6%。采用輻射空調技術，冷卻塔免費供冷時間比常規空調系統更長，有利于節能。

表5　上海全年8：00～18：00濕球溫度累計小時［9］

而文獻［10］針對某辦公樓標準層（54m×54m）的模擬結果顯示：1）當采用冷卻塔直接供冷系統時（供冷溫度13℃），七個城市（哈爾濱、烏魯木齊、西安、蘭州、北京、上海、廣州）中除廣州外，其余6個城市中冷卻塔供冷系統與常規供冷系統相比節能率可達12.47%～34.74%，廣州地區為2.26%。當采用冷卻塔間接供冷且供冷溫度13℃時，除廣州、上海外，其節能率也在10%以上；供回水溫差2.7℃時，廣州地區節能率為0.59%，上海地區節能率為5.60%。2）西北地區（如廣州、烏魯木齊），采用冷卻塔供冷系統的節能效果最佳，其次是北方一些城市（如哈爾濱、北京等），南方沿海城市（如廣州）節能效果最差。

1.5蒸發冷卻技術

蒸發冷卻技術有其地域性。理想情況下，間接蒸發冷卻裝置冷水的出口溫度可接近于進口空氣的露點溫度。因此，對于中國氣候比較干燥的西部、北部等地區，若采用常規冷凍除濕方式，可能需降溫加濕。此時可利用間接蒸發冷卻方式產生較高溫度的冷水，與輻射空調末相結合用。新風采用直接蒸發冷卻或間接+直接蒸發冷卻方式，滿足除濕需求。

當室內設計參數為26℃、相對濕度60%時，對于金屬輻射吊頂而言，當供回水溫度為20/23℃時，輻射吊頂的制冷能力約44W/m2。當供回水溫度為16/19℃時，輻射吊頂的制冷能力約98W/m2，可滿足西北部干燥地區室內顯熱負荷需求。

文獻［11］對新疆地區建筑面積5100m2的一棟辦公樓分析比較，得出如下結論：蒸發冷卻-輻射空調系統運行功率為相同情況下常規機械制冷-風機盤管系統的37%，比蒸發冷卻-風機盤管系統節約19%的電量。

1.6冷熱電三聯供（CCHP）系統

冷熱電聯產（CCHP）系統是指以天然氣為主要燃料在用戶側安裝燃氣輪機發電機組，利用燃料高品位的能量進行發電，產生的電力滿足用戶的電力需求。同時通過余熱回收利用設備（溴化鋰吸收式機組或余熱鍋爐）回收發電所產生的煙氣熱量，向用戶供熱、供冷，滿足用戶的冷熱需要。對于小型系統，內燃機發電效率高，部分負荷調節性能稍好，有一定優勢。

如圖2所示，使用天然氣內燃機發電時，發動機排出的300℃左右的煙氣可直接驅動煙氣型吸收式冷水機組制取16℃的冷水，而80～90℃的缸套水可作為新風溶液除濕系統的再生熱源。而排出的低溫煙氣可進一步加熱生活熱水，實現了能源的階梯利用。

由于電力部門的規定，冷熱電聯供發電只能自給自足，不能上網。從能源利用的角度來看，應該盡量避免采用“以電定熱”策略。若采用“以熱定電”策略，應根據建筑冷熱電負荷特性對機組配置容量仔細分析，避免機組容量過大滿負荷運行時間短、發電不能上網等現象。

圖2　能源的階梯利用

冷熱電聯供技術一般是犧牲發電效率為前提，小型發電機組的發電效率低于大型發電廠。而需說明的是，天然氣冷熱電聯供系統節能與否比較的基準應是天然氣發電系統而非燃煤發電系統。與冷熱電分產系統相比，供熱工況內燃機發電效率一般較高，節能率一般可高達14%以上；供冷工況只有發電效率和總效率很高的情況下才具有節能性，多數情況下并不節能；純發電工況天然氣熱電聯供系統的效率低于大型的燃氣-蒸汽聯合循環發電，不節能［12］。

2　結語

本文分析了輻射空調系統可利用的幾種“節能”技術。冰蓄冷技術和冷熱電聯供技術并不一定節能，輻射空調新風系統可與冰蓄冷技術結合，一方面有利于新風除濕，另一方面有利于早晨輻射空調系統的啟動。輻射空調顯熱末端夏季冷水供水溫度較高，可與高溫冷水機組、冷卻塔免費供冷、地源熱泵、水源熱泵、蒸發冷卻技術相結合，降低系統能耗。冷卻塔免費供冷應注意季節性，蒸發冷卻技術應注重氣候適宜性。地源熱泵系統應注意熱平衡問題。地表水源熱泵需注意水體污染問題，向水體的釋熱量盡量控制在12～13W/m2。

任一項技術均有其適用性，應用過程中應因地制宜。輻射空調系統應用時，應對其節能性和經濟性具體分析。

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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

楊偉（1982-），男，山東人，碩士，工程師，從事機電設計工作。

2015-03-19

2015-04-29