冷暖輻射與建筑節(jié)能(二)

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廊坊市金翼空調(diào)科技發(fā)展有限公司 作者 顧世章
    四、冷暖輻射與建筑節(jié)能的關(guān)系
    談建筑節(jié)能不研究冷暖輻射是不可能的。建筑節(jié)能、這里既包含建筑建設(shè)時的節(jié)能,也包含建筑使用階段的節(jié)能。也就是說,這里既包括建筑的設(shè)計技術(shù)(優(yōu)化設(shè)計)施工工藝、建筑產(chǎn)品、購件材料的節(jié)能,也包括供冷供熱方式的節(jié)能。在建筑總能耗中,建筑建設(shè)能耗約占20%,使用階段能耗約占80%。二者雖然能耗比例差距很大,但確是互為作用,相輔相成的。既可相互疊加,也能相互抵消。
    1.冷暖輻射
    合理利用太陽能、潮能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物能等可再生能源及煤、石油、燃氣等不可再生能源以及電、余熱等二次能源,特別是大力開發(fā)利用低品位自然冷熱源;科學(xué)選擇冷熱兼容的直燃機熱泵,太陽能空調(diào)等前端設(shè)備,為用戶終端夏季提供18℃-22℃中溫冷水、冬季提供35℃-45℃低溫?zé)崴?,通過末端模板輻射系統(tǒng)實現(xiàn)冬季輻射供暖,夏季輻射供冷,也可常年供應(yīng)生活用熱水。這種冷暖輻射空調(diào)項目,其中熱輻射模板系統(tǒng)已成功地應(yīng)用在地面輻射供暖的工程實踐中。輻射供冷在法國、德國、丹麥、泰國等國家已廣泛應(yīng)用。我國在新疆等地也有應(yīng)用先例。本公司近期已成功安裝一套冷暖輻射空調(diào)系統(tǒng)的樣板工程,運行數(shù)日,輻射供冷效果很好。在限定的供冷溫度和供冷時間的條件下,冷輻射的基面未出現(xiàn)任何結(jié)露現(xiàn)象。因此本輻射供冷暖系統(tǒng)對于輻射供冷來說,采用提高供冷溫度(18℃-22℃)增加輻射面積,加大供冷水流量,縮小供回水溫差的辦法,達到既能保證供冷冷量滿足室內(nèi)供冷效果,又能不冷凝結(jié)露。如果在濕度較大地區(qū)或環(huán)境溫度較高的地區(qū)和季節(jié),末端適當(dāng)配置風(fēng)機盤管系統(tǒng),新風(fēng)置換系統(tǒng)或凈化去濕裝置,即可提高供冷效果,緩解結(jié)露發(fā)生,也可改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。這一點已被本公司樣板工程所驗證。
    另外,用這滿足冷負荷的同一供冷輻射面積去輻射供暖,供暖溫度可降低20-30%,達到35℃-40℃。比單一的低溫輻射地面供暖更加節(jié)能。
    2.建筑節(jié)能
    建筑的規(guī)劃設(shè)計、施工圖設(shè)計的優(yōu)化組合,施工中新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用,建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、新產(chǎn)品、新材料的選擇都無不考慮保溫、隔熱,輻射、防輻射等與輻射緊密相關(guān)的因素。
    ① 施工圖的優(yōu)化設(shè)計――考慮環(huán)保節(jié)能,達到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。
    ② 屋面的保溫、防輻射――由選材與施工保證。
    ③ 外墻保溫、隔熱、防輻射――由選材與施工保證。
    ④ 外門窗的熱反射、熱輻射――由選材與安裝來保證。
    ⑤ 墻體空心磚,其它輕體材料的選擇與施工。
    3.相互關(guān)系
    冷暖輻射――生活能耗(即建筑使用期能耗)與建筑節(jié)能――建筑能耗(建筑建設(shè)期能耗)是建筑總能耗的兩個部分。兩者是相互作用,相互彌補的統(tǒng)一體。沒有一個高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能顯著的建筑圍護結(jié)構(gòu),使用期的能耗既降不下來,也更不會有一個良好的供冷供暖環(huán)境。反之,建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)再高,沒有一個低能耗的供冷供暖系統(tǒng),也達不到理想的供冷供暖的效果。因此,只有深入研究輻射原理及輻射能的應(yīng)用,把冷暖輻射和建筑節(jié)能做為一個完整的課題集中研究,統(tǒng)籌考慮,建筑總能耗才能按照以下趨勢走向。
    高能耗→低能耗→超低能耗→微能耗→零能耗
    五、冷暖輻射在建筑節(jié)能中的應(yīng)用――模板式冷暖輻射及風(fēng)機盤管空調(diào)系統(tǒng)裝置的首創(chuàng)
    各種同一前端設(shè)備及同一末端配置的冷暖空調(diào)系統(tǒng)已成為世人用于冬季供暖夏季供冷的首選產(chǎn)品。由于國家加大了環(huán)保節(jié)能宣傳導(dǎo)向和政策傾斜力度,由品種繁多的適合各種能源的供熱制冷設(shè)備以及花樣翻新的末端換熱配置組成的各類冷暖空調(diào)裝置均以節(jié)能30%-70%的身價紛紛問世。這里不失有貨真價實,方便實用的環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品,也有技術(shù)含量高,但價格昂貴難以普及的高科技產(chǎn)品,還有言過其辭,名不符其實的產(chǎn)品,甚至有有欺詐行為的偽科學(xué)產(chǎn)品。
    對于各種冷暖空調(diào)裝置的開發(fā)、研制、生產(chǎn)和選用,應(yīng)著力考慮三方面。一是能源。因地制宜,首選可再生能源,再選清潔能源。這是環(huán)保節(jié)能的根本;二是前端制冷供熱設(shè)備。要選簡單、價廉、耐用、易操作,COP(能效比)高的設(shè)備;三是末端冷熱交換方式。筆者首選可再生的地下水資源及熱泵機組,末端選用模板式冷暖輻射系統(tǒng),重點是冷輻射,這是對傳統(tǒng)冷暖對流式空調(diào)的挑戰(zhàn),是建筑節(jié)能的一個突破和飛躍。
    近日在北京大興區(qū)親自組持建立了一座水源熱泵式的,末端輻射加風(fēng)機盤管的冷暖空調(diào)系統(tǒng)。前端打一供一回兩眼60米淺水井,同時選用可供熱制冷的一小型熱泵機組,末端采用模板式地面和頂棚冷暖輻射系統(tǒng)以及風(fēng)機盤管系統(tǒng)。整套裝置設(shè)有地源直供和熱泵專供二個系統(tǒng)及不同換熱方式的換熱系統(tǒng)。此套裝置運行正值盛夏,運行數(shù)日,一直采用井水直供方式。室外溫度30℃-35℃相對濕度68-72%,室內(nèi)溫度24℃-26℃,地面溫度20℃-22℃。由于熱泵機組末開,其節(jié)能效果可想而知。該項目的建成及運行,突破了制冷領(lǐng)域的禁區(qū),解決了冷量與結(jié)露的矛盾。為大限度地采用低品位、低價位的可再生能源,創(chuàng)出了冷暖空調(diào)環(huán)保節(jié)能的一條新路。該項目的成功運行,進一步驗證:為達到足夠的供冷量,又確保不結(jié)露,通常采用的中溫供冷,大流量、小溫差的路子不是不可行的。而本項目采用的全國首創(chuàng)的模板式輻射供冷運行實踐深刻地揭示了二個問題,在此筆者愿意與同仁共同商榷與分享:①增加輻射面積,提高供冷效果。增加供冷輻射面積1.5-1.8倍(以低溫輻射地面供暖實鋪面積為1)形成地面與頂棚或地面與墻壁或頂棚與墻壁的立體輻射環(huán)境。而此方案恰恰利用了輻射模板與建筑圍護結(jié)構(gòu)的易鑲嵌,可融合的工藝性能這一優(yōu)勢。極大地體現(xiàn)了輻射熱交換的功效。②形成緩沖層,降低界面溫差。一般來講,做為冷量載體的介質(zhì),通過其管道(或容器)的壁輸出冷量與外界高溫環(huán)境(或濕度大的環(huán)境)接觸。如果在此壁的(管道壁或容器壁)界面上達到冷凝溫度,結(jié)露是必然的。這是個不可逆轉(zhuǎn)的自然規(guī)律。而冷輻射的工況情況卻與此完全不同,它的管壁(或容器壁)不是直接與環(huán)境接觸的,而是與輻射模板(或填充層)接觸的。這個通常稱謂的“蓄冷層”做為輻射的基體,在這里變成了一個過渡層。這個過渡層把冷介質(zhì)通過管壁(容器壁)傳導(dǎo)出的冷量與高溫度、高濕度的環(huán)境隔離開,人為的形成了二個界面。即:管道(容器)壁與輻射模板(填充層)的內(nèi)槽,輻射模板(填充層、裝飾層)表面層與工況環(huán)境。如果把冷介質(zhì)溫度設(shè)為t。,環(huán)境溫度設(shè)為t,環(huán)境濕度設(shè)為p 。那么為了達到一定制冷量,在通常情況下t。不可能不低。而t和p高到一定程度必然結(jié)露。要改變結(jié)露狀態(tài),要么提高t。溫度,要么降低t和p的數(shù)值,這都是不可能的。而在冷輻射的工況環(huán)境下,增加了輻射模板(填充層),其溫度為t1,層內(nèi)相對濕度為p1。這里to<t1<t,p1<p。在同樣冷負荷環(huán)境下對于t0來講,外界溫度t降低為t1,對于環(huán)境溫度t來講,其原t0溫度提高為t1。而且輻射模板(填充層)內(nèi)由于均設(shè)有保溫層、隔熱層,層內(nèi)相對濕度p1也遠小于環(huán)境相對濕度p。二個界面分解了結(jié)露條件,化解了結(jié)露的可能性。對于地面輻射供冷來講,結(jié)露的可能性還會減少。在人員少流動的情況下,地面自然籠罩著一層“冷湖”。這層冷空氣與室內(nèi)高溫環(huán)境進行熱交換(以對流為主)要有一個過程和時間。這樣,無形中這層“冷湖”對于輻射地面與高溫環(huán)境之間又生成一過渡層(緩沖層)。對于地面輻射基面來說,結(jié)露可能性又大大降低了。即使有人員流動,過渡層仍起一定的緩沖作用,只不過是這個“冷湖”即散即成罷了。
    通過模板式冷暖輻射及風(fēng)機盤管空調(diào)系統(tǒng)裝置的運行效果完全可以證明:由于①增加了輻射面積,提高供冷效果;②形成緩沖層,降低界面溫差二個關(guān)鍵點,輻射供冷既能滿足冷負荷要求,又能化解冷凝結(jié)露現(xiàn)象是不成問題的。
    增加輻射面積不僅可以化解冷凝結(jié)露,還有倍增效果??墒构┡墓┧疁囟却筝椂冉档汀?山抵?5℃-40℃。這種中溫供冷、低溫供暖的冷暖輻射系統(tǒng)其節(jié)能效果完全可達到50-70%。不僅如此,由于采用模板式冷暖輻射末端,可大限度利用低品位、低價位可再生能源,節(jié)能效果可達到70-90%。
    為避免輻射供冷“室內(nèi)氣悶”現(xiàn)象,提高室內(nèi)空氣質(zhì)量,增加制冷效果,我們采用了模板式冷暖輻射與風(fēng)機盤管聯(lián)動方式,打造一個溫度適宜,微風(fēng)習(xí)習(xí),空氣新鮮的生態(tài)環(huán)境。
    根據(jù)多年研究及近期工程實踐,筆者認為,在社會主義新農(nóng)村的建設(shè)和發(fā)展小城鎮(zhèn)建設(shè)以及有條件的房地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)中推廣模板式冷暖輻射及風(fēng)機盤管空調(diào)聯(lián)動系統(tǒng)是可行的。本工程項目適應(yīng)范圍廣,投資少,200元/m2左右,運行費用低,節(jié)能可達到50-70%以上,甚至更高,零排污,十分環(huán)保,可因地制宜就地取源。
    模板式冷暖輻射及風(fēng)機盤管聯(lián)動空調(diào)系統(tǒng),根據(jù)不同條件和要求,可匹配、組合成多種形式的空調(diào)系統(tǒng)。
    按著冷熱源及前端設(shè)備區(qū)分,可分為:
    ① 熱泵三聯(lián)供型(供冷、供暖、生活用熱水)
    ② 地(水)源直供單冷型(分單供回或分供回)
    ③ 地(水)源與太陽能冷暖聯(lián)供型
    ④ 地(水)源與其它熱源系統(tǒng)冷暖聯(lián)供型
    ⑤ 各種環(huán)保節(jié)能型冷熱源系統(tǒng)
    按著末端配置及冷熱交換方式區(qū)分
    ① 地面冷暖輻射+風(fēng)機盤管型
    ② 內(nèi)墻壁冷暖輻射+風(fēng)機盤管型
    ③ 頂棚冷暖輻射+風(fēng)機盤管型
    ④(地面+頂棚)冷暖輻射+風(fēng)機盤管型
    ⑤(地面+內(nèi)墻)冷暖輻射+風(fēng)機盤管型
    六、冷暖輻射空調(diào)干式末端裝置系統(tǒng)――輻射模板系列
    冷暖輻射為建筑節(jié)能提供了新的途徑和方法;而與建筑圍護結(jié)構(gòu)融為一體的或者鑲嵌附著在其表面的各類輻射模板又為冷暖輻射提供了先決條件和良好的工藝保障。不僅如此,生產(chǎn)各種模板的工業(yè)廢渣的利用及先進技術(shù)和工藝的采用,其本身就是一個環(huán)保節(jié)能的過程。因此,推廣輻射模板這種新型的冷暖輻射空調(diào)干式末端裝置,對于建筑節(jié)能就至關(guān)重要了。
    世界上發(fā)達國家研究和應(yīng)用冷暖輻射空調(diào)干式末端裝置系統(tǒng)有三十年的歷史。西歐、北歐等發(fā)達國家將此干式末端系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)劃分為:①“水泥核心型”(Conevete cove)簡稱“C型”。在瑞士應(yīng)用廣泛。蓄熱能力強,多用于地面;②“三明治型”(Sanowich)簡稱“S”型。多用于吊頂板;③“冷網(wǎng)格型”(CooLing Cria)簡稱“G”型。材料為塑料。為德國CLINA公司研制。適合于改造項目,多用于吊頂。目前這些產(chǎn)品已部分引進中國。但是,由于我國的冷暖輻射空調(diào)剛剛興起,這些產(chǎn)品價格又特別昂貴,基本沒有推開。本文詳細介紹的是適合中國國情的冷暖輻射空調(diào)干式末端裝置系統(tǒng)――輻射模板系列。該系列產(chǎn)品基本屬于“水泥核心型”;該系列產(chǎn)品具有多項自主知識產(chǎn)權(quán)。發(fā)明者在較長時間從事低溫輻射地面供暖研究與實踐的基礎(chǔ)上,不斷吸取失敗教訓(xùn),總結(jié)成功經(jīng)驗,自2001年起歷經(jīng)五年時間,潛心研究,反復(fù)試驗,針對我國的具體國情和冷熱輻射的原理特點研制出既適合于地面,又適合于墻壁和頂棚的不同加工工藝,不同生產(chǎn)配方,不同安裝方法的不同強度,多種規(guī)格的輻射模板(塊)系列產(chǎn)品,并自2002年起相繼申報了數(shù)項國家專利。