毛細管網空調技術——實現可再生能源最大程度應用的空調技術 

一、毛細管網空調基本原理及發展史

1.人體恒溫原理

所有的恒溫動物都有一層富含毛細血管的表皮,我們人類也是一樣。

這層毛細血管幫助我們調節體內的溫度,在外部環境溫度發生變化時讓我們的體溫控制在36℃,從而使我們體內的器官不受外部環境溫度影響。

周圍溫度高:皮膚表面血管擴張,血流增加,皮膚散熱。

周圍溫度低:皮膚表面血管收縮,血流降低,防止體溫散失。


2.毛細管網空調原理

采用3.4x0.55mm或4.3x0.8mm的塑料材質毛細管組成間隔10mm-30mm的網柵,在網柵中和人體血管中的液體流動速度基本相同,都在0.05-0.2m/s之間。輻射60%,對流40%的形式使得此種制冷或供暖形式等同于自然界物體間的動態熱平衡規律,以及人體與周邊的傳熱比例。靜態環境使人體感到非常舒適,體感溫度比室溫高2~3℃,不會產生常規空調由于需要滿足制冷或制熱量而采用高速送風時帶來的吹風感和相應的干燥感覺。

PPR毛細管網是理想的高效換熱器,這是由其結構特點和材料特點決定的。毛細管熱泵空調系統是指利用毛細管作為采集能量的前端采集器或釋放能量的末端散冷散熱器。熱泵空調根據需要可以采用水源熱泵主機,也可以采用空氣源熱泵主機。在冬季毛細管輻射供熱工況,供水水溫只需30℃-35℃即能達到室溫20℃±2℃;夏季毛細管輻射供冷工況,輔以置換新風的除濕系統,供水水溫只需18℃即能達到室溫26℃±2℃。為了區別于傳統工況的空調系統,特命名為毛細管熱泵空調系統。


3.國內外毛細管網空調技術發展史

1985年,德國人Donald Herbs發明了毛細管網系統。

1986年,在德國柏林的一個項目中首次應用。

1994年,德國 CLINA毛細管技術有限公司在柏林成立。

在那前后,又成立了德國BEKA采暖制冷股份有限公司和德國地之氣環保設計有限公司。

至2016年,上述三家制造商公司在美國、澳洲、瑞士、瑞典、荷蘭、俄羅斯等西方國家已廣泛推廣毛細管網空調系統。

至2016年底,國內涉足毛細管技術推廣工作的公司已經多達幾十家以上。這些企業的發展路線不盡相同。有集生產銷售和技術服務于一體的碧巢氏/思開因、普來福、圖博、德貝納、帝思邁、森普達/瑞德同創、開思拓等制造/產品供應商, 也有際高建業、譽德控股、華陽舒適、塞夫納、唯綠科技、KARO、兆亨、華清地熱、震塑能源、盛禾佳筑、中瑞天銘等以工程服務為主的集成/安裝商,還有以中國金茂、中信國安、萬年基業、當代置業、萬科、中鐵置業、大苑地產、朗詩地產、萬通地產、南京鋒尚等走綠色建筑技術路線的開發商的積極參與。


4.毛細管網空調的低火用技術展示

眾所周知,火用的概念源于熱力學對熱變功的描述。由熱力學第二定律得知:熱力循環過程中,熱能不可能百分之百地轉變為機械能。其中,可以最大轉化為機械能形式的那部分熱能稱為火用,而無法轉化為機械能形式的那部分熱能稱為火無。因此,電能可以被看作為100%的火用,而與環境溫度相同的水則可以被看作為100%的火無。

在討論能量轉換和利用時,衡量能量品位高低不是能量的絕對擁有量,而是能量中所含火用的比例。正因為如此,人們將接近環境溫度的熱能稱為低火用能源,如海水,地熱,低溫廢熱,地道風等。相應地,將允許使用低品位能源來供熱和制冷的系統稱為低火用系統。利用低火用系統實現供熱和空調的建筑稱為低火用建筑。相應的技術則稱為低火用技術。

2000年以來,在德國興起的毛細管換熱技術不僅在歐美國家受到越來越多的建筑師和暖通工程師的青睞,而且在我國建筑業正在引起越來越大關注。將德國毛細管專利技術引入國內,結合我國不同地區氣象條件和建筑特點,研制開發出輻射換熱、重力循環、相變蓄能及各種換熱組合的毛細管換熱技術。其原理就是基于小溫差、大流量的低火用技術。

二、系統組件簡介

1.毛細管網柵

網柵模擬人體的毛細血管機制。網柵由直徑為4.3X0.8 mm或3.4x0.55的毛細管構成,進水和出水間距為10-40mm。集合管為圓形20x2.0或橢圓形20x12x2.0。網柵長度和寬度可根據房間尺寸定制。最大寬度1米(1000mm),長度定制范圍為1米-6米(1000-6000mm )。毛細管的材質是PP-R 或PERT塑料。


2.網柵安裝方式分類


    


3.毛細管重力循環柜

毛細管重力循環空調以自然對流和置換通風為基本原理,借助冷熱空氣的密度差為驅動力,促使空氣循環。 這種允許結露的超靜音柜體還能實現除濕功能。當空氣中多余的水分在冷柜內產生凝結時,冷凝水通過冷柜底部的排水管即時排出。將它們同室內不允許結露的冷吊頂結合使用,空調系統的整體效果更好。相關實驗證實:1.2mx0.19mx2.4m標準柜體制冷量可達1500W,除濕量0.5kg/h,相當于10個成年人靜坐所產生的濕量。


4.單元換熱站

分/集水器構成獨立的供暖循環控制系統,可單獨調節各供暖回路。在分水器前安裝了一個溫控閥,可靈敏、快速、準確地調節水流速度,保證快速調節。 為了通過壓力平衡來調解熱循環系統,從而達到整個被聯結的網柵得到均勻的水流,在集水器上安裝一個調節閥。我們通過耐腐蝕旋緊螺紋來實現調節水溫的目的。 自動快速排氣閥負責完成整個被連接網柵系統的排氣控制工作。




5.重要的配件及工具

  


6.露點感應器及控制器

露點感應器會自動探測到毛細管網柵和周圍環境的(濕度變化)電阻變化,這種變化將傳送到室內溫度控制器,并由它指揮控制閥開閉;控制器可設定室內溫度和控制多個電動閥門開啟。

三、毛細管網空調特點分析

1.優勢

1) 網柵高度僅幾個毫米,不占用房間內有效空間;

2) 小的網柵間隔能夠使得房間內部溫度場分布更均勻;

3) 冷卻吊頂的傳熱中輻射部分所占的比例較高,這樣可降低室內垂直溫度梯度,提高人體舒適感,使室內環境的舒適性較高;

4) 可以與低品位能冷熱源結合成多樣的制冷/制熱系統,為空調技術的發展提供一條新途徑;

5) 可以與不同類型的吊頂相結合,可實現不同的工藝做法,非常靈活。


2.局限性

1) 毛細管鋪設的表面溫度必須要高于室內空氣的露點溫度,使其單位面積制冷量受到限制;

2) 濕負荷需要新風機組承擔,加大了新風機組冷卻盤管的冷凍除濕負荷;

3) 由于毛細管管徑很細,對系統的水質要求很高;

4) 對設計與施工配合均有很高的要求;

5) 對建筑物外圍護結構的保溫和氣密性要求嚴格。


3.經濟技術性分析

1) 熱舒適性:    

熱舒適性是評價空調系統優劣的重要指標,對各種形式的空調系統舒適性的調查結果我們不難看出毛細管系統的受歡迎程度。

2) 毛細管的制冷能力:

毛細管席60%的冷量是通過輻射形式進行傳遞,40%的冷量是通過對流方式進行傳遞。毛細管席制冷能力受產品形式及安裝方式的影響, 可以和常規制冷機及鍋爐組合使用,也可以與土壤熱泵機組直接配套,與后者組合使用可達到最佳的節能效果。毛細管輻射系統一旦安裝完畢,無需任何維護費用。

3) 投資分析:

由于毛細管基本不占用吊頂空間,因而可降低房間層高要求,從而大大節省建筑投資。圖為毛細管系統與變風量系統的投資比較:

從圖中可以看出:毛細管系統與變風量系統相比,其在投資和安裝費用上均低于變風量系統,并且隨著建筑物規模及冷負荷的增大,這種優勢越明顯。


4.適合WELL及LEED標準的系統特點

1) 極高的室內環境熱舒適性,主要通過輻射方式供冷供熱 ,室內溫度分布均勻,無溫度死角,室內無吹風感,無風機噪音, 是國際上公認使室內舒適程度最高的空調末端系統。

2) 高空氣品質,新風系統有效改善室內空氣質量,降低室內CO2濃度。

3) 有效控制房間濕度,通過濕度傳感器自動實現冬季加濕、夏季除濕,各房間溫濕度可精確、靈活的進行調節和控制。

4) 節能,各組成部分的高效性能,使得整個系統的能耗顯著降低。

5) 運行費用低,全年運行費用比常規“風冷冷水機組+電/燃氣鍋爐+風機盤管系統”可節省60%~70%。

6) 無較低的復式吊頂,房間空間感好。

四、毛細管網空調基本設計方法

1. 按照人體最佳熱舒適區確定房間設計溫濕度。

2. 根據房間設計溫濕度確定人體感知溫度和房間露點溫度。人體感知溫度是室內溫度和房間表面溫度的平均值,露點溫度可通過焓濕圖確定。

3. 系統供水溫度的確定取決于露點溫度,在安全范圍內供水溫度應盡可能地接近露點溫度。理論研究表明,供水溫度高于露點溫度0.5 ℃既無結露危險。但為安全起見,一般取供水溫度高于露點溫度1 ℃。

4. 系統供回水溫差相應地選擇在2~3 ℃之間,不應太大。溫差的增加盡管會減少流量,但同時降低了供回水平均溫度和室內設計溫度的差,從而減少了制冷量。

5. 按不穩定傳熱法逐時計算冷熱負荷,并取典型房間冷負荷Q濕負荷W。

6. 根據建筑及裝修要求,確定典型房間毛細管網鋪設方式(吊頂、墻壁、地面),繪圖鋪設。

7. 根據不同的鋪設方式及平均中間溫度(即供回水平均溫度和室內設計溫度的差)查右側表,確定毛細管網所提供的顯熱負荷Qx。


8. 確定典型房間送風熱濕比線:

ε =(Q-Qx)/W  ,

注意:如室內溫濕度要求較為嚴格,新風就需沿ε2熱濕比線送風。

9. 新風量確定:

1) 室內人員所需新風量;

2) 消除室內余熱余濕所需新風量;

3) 保證室內正壓要求所需新風量

取其大值做為計算新風量。

如(1)、(2)計算得到的新風量遠大于(3)得到的新風量,考慮設排風熱回收裝置。

10. 確定新風處理方式:

 冷凍除濕;⑵ 溶液除濕; 固體除濕;

11. 確定冷熱源 

1) 優先按照新風機組和毛細管網的需求分別配置冷熱源,即溫濕度獨立控制;

2) 如條件限制必須采用同一冷熱源,毛細管供水溫度應獨立可調節。

12. 根據單位面積制冷量和系統供回水溫差即可求出單位面積水流量。

13. 根據房間設計冷熱負荷和上述的單位面積制冷、制熱量來計算房間毛細管鋪設面積,并取其中的較大值作為最終鋪設面積。同時保證有效安裝面積為房間凈使用面積的75~90%。

14. 根據鋪設區域的短邊來確定毛細管席長度。

15. 根據房間毛細管最終鋪設面積和單位面積水流量可計算出房間設計水流量。

16. 根據房間設計水流量和毛細管席集合管(De20x2.0)的允許最大流量來確定并聯環路的個數。

17. 根據已確定的毛細管席長度所允許的最大流量來確定每個并聯環路的毛細管席個數。

18. 根據每個并聯環路的設計水流量和已確定的毛細管席長度查下表來確定該環路的壓力損失。

19. 為確保每層各房間阻力平衡,可采取如下措施:

1) 設計中盡可能地使各房間毛細管長度接近;

2) 設計中盡可能讓房間支干管比摩阻減小。

3) 各房間回水管設置靜態平衡閥,并在初調試中確定管徑和調整圈數。

五、成本增量

價格成本增量的原因,是該系統施工的周期和人工成本相對傳統空調要長的多、貴的多,一個正常的毛細管系統施工周期是:

1. 先于裝修進場劃線定位,并開始風管系統施工;

2. 地面毛細管鋪設和新風管鋪設要和裝修單位有兩個交叉配合層面;

3. 頂面毛細管鋪設和表面抹灰處理也和裝修單位兩兩交叉配合;

4. 最后裝修撤場還有全面的系統調試和記錄。而傳統空調涉及隱蔽的室內掛機及管網幾乎2周工作日就能完成。

目前,有幾種在家裝毛細管輻射空調系統實施的方式,其造價也會不一樣,僅在此作為參考:

1. 以毛細管地面輻射采暖為主,兼考慮節省冬季采暖運行費用。夏季空調或者換氣仍通過傳統空調解決。這類應用不含冷熱源、新風系統和采暖設備,毛細管末端部分造價在300-450元/建面不等(材料、工藝等區別)。

2. 以毛細管頂棚輻射制冷、制熱為主,新風考慮室內濕度,無需傳統室內空調和地暖。這類應用不含冷熱源,組合毛細管末端+新風末端+機房設備+系統自控的造價在350-600元/建面不等(材料、工藝等區別)。

3. 以毛細管頂棚輻射制冷、毛細管地面輻射采暖為主(在建筑節能指標較高條件下,地面采暖也可用常規地暖替代),新風考慮室內濕度。這類應用不含冷熱源下,組合毛細管末端+新風末端+機房設備+系統自控的造價在350-800元/建面不等(材料、工藝等區別)。

4. 只考慮室內空氣鮮氧度和無塵環境,采用地板式置換新風系統,室內冷熱由傳統空調解決,不含冷熱源的新風設備+風系統末端造價在250-350元/建面不等(材料、工藝等區別)。

以上價格基于住宅建面來計算,一般建面越大造價成本反而越低。有些人會有疑問,為什么以建面為概算指標而不是空調面積或者套內面積計算,那是因為,建筑物的冷熱負荷要考慮室內與建筑結構的傳熱,另外像儲藏室和車庫這類非空調區域也分擔著建筑物的負荷與能耗,故我們以建筑面積作為概算指標基礎,待方案確定后會出具詳細的施工預算和材料清單。


總體通過經驗與實例分析,針對住宅集中集中冷熱源系統,毛細管空調的單方成本增量可以控制在350-450元/建面(含冷熱源)。

結語

鑒于現行毛細管空調系統的一些弊端:

 

在推廣毛細管空調系統運用建議考慮空氣源熱泵的冷熱源模式:

 

毛細管輻射空調系統主要由四大部分組成:

1. 室外的冷熱源

即與建筑物室內環境交換熱量的源頭或者說是目標方向。常見的有涉及江河湖海或地下水源,土壤源(一般60-100米深度取能居多),空氣源(最為常見)。

2. 機房設備及輸送系統

即將建筑物與冷熱源交換能量的媒介。涉及的設備有熱泵主機、新風主機、水泵、換熱站等水力輸送系統。

3. 室內末端系統

有解決室內相對濕度、無塵、鮮氧度的送回風系統,有解決室內溫度均勻的毛細管輻射系統(可以出現頂棚、墻面、地面鋪設幾種方式,也可并存)。

4. 智能控制系統

有相關子系統比如:室內分室溫度、濕度控制,環境露點保護控制,機房設備一鍵控制,水力節能分配控制,遠程控制等。


從以上系統組成并結合毛細管輻射空調系統的功能特點來看,我們會發現要實現環境衡溫、舒濕、鮮氧、無塵、無噪的健康居住品質,幾乎把這套系統作為潔凈空調來處理,而因此系統確實復雜,涉及的產品成本確實有所提高。而一般常規空調頂多滿足下溫度處理(溫度波動在6-8度),室內偶爾的換氣處理,也不需要考慮設備少而依賴自動化控制。