毛细管网空调技术——实现可再生能源最大程度应用的空调技术 

一、毛细管网空调基本原理及发展史

1.人体恒温原理

所有的恒温动物都有一层富含毛细血管的表皮,我们人类也是一样。

这层毛细血管帮助我们调节体内的温度,在外部环境温度发生变化时让我们的体温控制在36℃,从而使我们体内的器官不受外部环境温度影响。

周围温度高:皮肤表面血管扩张,血流增加,皮肤散热。

周围温度低:皮肤表面血管收缩,血流降低,防止体温散失。


2.毛细管网空调原理

采用3.4x0.55mm或4.3x0.8mm的塑料材质毛细管组成间隔10mm-30mm的网栅,在网栅中和人体血管中的液体流动速度基本相同,都在0.05-0.2m/s之间。辐射60%,对流40%的形式使得此种制冷或供暖形式等同于自然界物体间的动态热平衡规律,以及人体与周边的传热比例。静态环境使人体感到非常舒适,体感温度比室温高2~3℃,不会产生常规空调由于需要满足制冷或制热量而采用高速送风时带来的吹风感和相应的干燥感觉。

PPR毛细管网是理想的高效换热器,这是由其结构特点和材料特点决定的。毛细管热泵空调系统是指利用毛细管作为采集能量的前端采集器或释放能量的末端散冷散热器。热泵空调根据需要可以采用水源热泵主机,也可以采用空气源热泵主机。在冬季毛细管辐射供热工况,供水水温只需30℃-35℃即能达到室温20℃±2℃;夏季毛细管辐射供冷工况,辅以置换新风的除湿系统,供水水温只需18℃即能达到室温26℃±2℃。为了区别于传统工况的空调系统,特命名为毛细管热泵空调系统。


3.国内外毛细管网空调技术发展史

1985年,德国人Donald Herbs发明了毛细管网系统。

1986年,在德国柏林的一个项目中首次应用。

1994年,德国 CLINA毛细管技术有限公司在柏林成立。

在那前后,又成立了德国BEKA采暖制冷股份有限公司和德国地之气环保设计有限公司。

至2016年,上述三家制造商公司在美国、澳洲、瑞士、瑞典、荷兰、俄罗斯等西方国家已广泛推广毛细管网空调系统。

至2016年底,国内涉足毛细管技术推广工作的公司已经多达几十家以上。这些企业的发展路线不尽相同。有集生产销售和技术服务于一体的碧巢氏/思开因、普来福、图博、德贝纳、帝思迈、森普达/瑞德同创、开思拓等制造/产品供应商, 也有际高建业、誉德控股、华阳舒适、塞夫纳、唯绿科技、KARO、兆亨、华清地热、震塑能源、盛禾佳筑、中瑞天铭等以工程服务为主的集成/安装商,还有以中国金茂、中信国安、万年基业、当代置业、万科、中铁置业、大苑地产、朗诗地产、万通地产、南京锋尚等走绿色建筑技术路线的开发商的积极参与。


4.毛细管网空调的低火用技术展示

众所周知,火用的概念源于热力学对热变功的描述。由热力学第二定律得知:热力循环过程中,热能不可能百分之百地转变为机械能。其中,可以最大转化为机械能形式的那部分热能称为火用,而无法转化为机械能形式的那部分热能称为火无。因此,电能可以被看作为100%的火用,而与环境温度相同的水则可以被看作为100%的火无。

在讨论能量转换和利用时,衡量能量品位高低不是能量的绝对拥有量,而是能量中所含火用的比例。正因为如此,人们将接近环境温度的热能称为低火用能源,如海水,地热,低温废热,地道风等。相应地,将允许使用低品位能源来供热和制冷的系统称为低火用系统。利用低火用系统实现供热和空调的建筑称为低火用建筑。相应的技术则称为低火用技术。

2000年以来,在德国兴起的毛细管换热技术不仅在欧美国家受到越来越多的建筑师和暖通工程师的青睐,而且在我国建筑业正在引起越来越大关注。将德国毛细管专利技术引入国内,结合我国不同地区气象条件和建筑特点,研制开发出辐射换热、重力循环、相变蓄能及各种换热组合的毛细管换热技术。其原理就是基于小温差、大流量的低火用技术。

二、系统组件简介

1.毛细管网栅

网栅模拟人体的毛细血管机制。网栅由直径为4.3X0.8 mm或3.4x0.55的毛细管构成,进水和出水间距为10-40mm。集合管为圆形20x2.0或椭圆形20x12x2.0。网栅长度和宽度可根据房间尺寸定制。最大宽度1米(1000mm),长度定制范围为1米-6米(1000-6000mm )。毛细管的材质是PP-R 或PERT塑料。


2.网栅安装方式分类


    


3.毛细管重力循环柜

毛细管重力循环空调以自然对流和置换通风为基本原理,借助冷热空气的密度差为驱动力,促使空气循环。 这种允许结露的超静音柜体还能实现除湿功能。当空气中多余的水分在冷柜内产生凝结时,冷凝水通过冷柜底部的排水管即时排出。将它们同室内不允许结露的冷吊顶结合使用,空调系统的整体效果更好。相关实验证实:1.2mx0.19mx2.4m标准柜体制冷量可达1500W,除湿量0.5kg/h,相当于10个成年人静坐所产生的湿量。


4.单元换热站

分/集水器构成独立的供暖循环控制系统,可单独调节各供暖回路。在分水器前安装了一个温控阀,可灵敏、快速、准确地调节水流速度,保证快速调节。 为了通过压力平衡来调解热循环系统,从而达到整个被联结的网栅得到均匀的水流,在集水器上安装一个调节阀。我们通过耐腐蚀旋紧螺纹来实现调节水温的目的。 自动快速排气阀负责完成整个被连接网栅系统的排气控制工作。




5.重要的配件及工具

  


6.露点感应器及控制器

露点感应器会自动探测到毛细管网栅和周围环境的(湿度变化)电阻变化,这种变化将传送到室内温度控制器,并由它指挥控制阀开闭;控制器可设定室内温度和控制多个电动阀门开启。

三、毛细管网空调特点分析

1.优势

1) 网栅高度仅几个毫米,不占用房间内有效空间;

2) 小的网栅间隔能够使得房间内部温度场分布更均匀;

3) 冷却吊顶的传热中辐射部分所占的比例较高,这样可降低室内垂直温度梯度,提高人体舒适感,使室内环境的舒适性较高;

4) 可以与低品位能冷热源结合成多样的制冷/制热系统,为空调技术的发展提供一条新途径;

5) 可以与不同类型的吊顶相结合,可实现不同的工艺做法,非常灵活。


2.局限性

1) 毛细管铺设的表面温度必须要高于室内空气的露点温度,使其单位面积制冷量受到限制;

2) 湿负荷需要新风机组承担,加大了新风机组冷却盘管的冷冻除湿负荷;

3) 由于毛细管管径很细,对系统的水质要求很高;

4) 对设计与施工配合均有很高的要求;

5) 对建筑物外围护结构的保温和气密性要求严格。


3.经济技术性分析

1) 热舒适性:    

热舒适性是评价空调系统优劣的重要指标,对各种形式的空调系统舒适性的调查结果我们不难看出毛细管系统的受欢迎程度。

2) 毛细管的制冷能力:

毛细管席60%的冷量是通过辐射形式进行传递,40%的冷量是通过对流方式进行传递。毛细管席制冷能力受产品形式及安装方式的影响, 可以和常规制冷机及锅炉组合使用,也可以与土壤热泵机组直接配套,与后者组合使用可达到最佳的节能效果。毛细管辐射系统一旦安装完毕,无需任何维护费用。

3) 投资分析:

由于毛细管基本不占用吊顶空间,因而可降低房间层高要求,从而大大节省建筑投资。图为毛细管系统与变风量系统的投资比较:

从图中可以看出:毛细管系统与变风量系统相比,其在投资和安装费用上均低于变风量系统,并且随着建筑物规模及冷负荷的增大,这种优势越明显。


4.适合WELL及LEED标准的系统特点

1) 极高的室内环境热舒适性,主要通过辐射方式供冷供热 ,室内温度分布均匀,无温度死角,室内无吹风感,无风机噪音, 是国际上公认使室内舒适程度最高的空调末端系统。

2) 高空气品质,新风系统有效改善室内空气质量,降低室内CO2浓度。

3) 有效控制房间湿度,通过湿度传感器自动实现冬季加湿、夏季除湿,各房间温湿度可精确、灵活的进行调节和控制。

4) 节能,各组成部分的高效性能,使得整个系统的能耗显著降低。

5) 运行费用低,全年运行费用比常规“风冷冷水机组+电/燃气锅炉+风机盘管系统”可节省60%~70%。

6) 无较低的复式吊顶,房间空间感好。

四、毛细管网空调基本设计方法

1. 按照人体最佳热舒适区确定房间设计温湿度。

2. 根据房间设计温湿度确定人体感知温度和房间露点温度。人体感知温度是室内温度和房间表面温度的平均值,露点温度可通过焓湿图确定。

3. 系统供水温度的确定取决于露点温度,在安全范围内供水温度应尽可能地接近露点温度。理论研究表明,供水温度高于露点温度0.5 ℃既无结露危险。但为安全起见,一般取供水温度高于露点温度1 ℃。

4. 系统供回水温差相应地选择在2~3 ℃之间,不应太大。温差的增加尽管会减少流量,但同时降低了供回水平均温度和室内设计温度的差,从而减少了制冷量。

5. 按不稳定传热法逐时计算冷热负荷,并取典型房间冷负荷Q湿负荷W。

6. 根据建筑及装修要求,确定典型房间毛细管网铺设方式(吊顶、墙壁、地面),绘图铺设。

7. 根据不同的铺设方式及平均中间温度(即供回水平均温度和室内设计温度的差)查右侧表,确定毛细管网所提供的显热负荷Qx。


8. 确定典型房间送风热湿比线:

ε =(Q-Qx)/W  ,

注意:如室内温湿度要求较为严格,新风就需沿ε2热湿比线送风。

9. 新风量确定:

1) 室内人员所需新风量;

2) 消除室内余热余湿所需新风量;

3) 保证室内正压要求所需新风量

取其大值做为计算新风量。

如(1)、(2)计算得到的新风量远大于(3)得到的新风量,考虑设排风热回收装置。

10. 确定新风处理方式:

 冷冻除湿;⑵ 溶液除湿; 固体除湿;

11. 确定冷热源 

1) 优先按照新风机组和毛细管网的需求分别配置冷热源,即温湿度独立控制;

2) 如条件限制必须采用同一冷热源,毛细管供水温度应独立可调节。

12. 根据单位面积制冷量和系统供回水温差即可求出单位面积水流量。

13. 根据房间设计冷热负荷和上述的单位面积制冷、制热量来计算房间毛细管铺设面积,并取其中的较大值作为最终铺设面积。同时保证有效安装面积为房间净使用面积的75~90%。

14. 根据铺设区域的短边来确定毛细管席长度。

15. 根据房间毛细管最终铺设面积和单位面积水流量可计算出房间设计水流量。

16. 根据房间设计水流量和毛细管席集合管(De20x2.0)的允许最大流量来确定并联环路的个数。

17. 根据已确定的毛细管席长度所允许的最大流量来确定每个并联环路的毛细管席个数。

18. 根据每个并联环路的设计水流量和已确定的毛细管席长度查下表来确定该环路的压力损失。

19. 为确保每层各房间阻力平衡,可采取如下措施:

1) 设计中尽可能地使各房间毛细管长度接近;

2) 设计中尽可能让房间支干管比摩阻减小。

3) 各房间回水管设置静态平衡阀,并在初调试中确定管径和调整圈数。

五、成本增量

价格成本增量的原因,是该系统施工的周期和人工成本相对传统空调要长的多、贵的多,一个正常的毛细管系统施工周期是:

1. 先于装修进场划线定位,并开始风管系统施工;

2. 地面毛细管铺设和新风管铺设要和装修单位有两个交叉配合层面;

3. 顶面毛细管铺设和表面抹灰处理也和装修单位两两交叉配合;

4. 最后装修撤场还有全面的系统调试和记录。而传统空调涉及隐蔽的室内挂机及管网几乎2周工作日就能完成。

目前,有几种在家装毛细管辐射空调系统实施的方式,其造价也会不一样,仅在此作为参考:

1. 以毛细管地面辐射采暖为主,兼考虑节省冬季采暖运行费用。夏季空调或者换气仍通过传统空调解决。这类应用不含冷热源、新风系统和采暖设备,毛细管末端部分造价在300-450元/建面不等(材料、工艺等区别)。

2. 以毛细管顶棚辐射制冷、制热为主,新风考虑室内湿度,无需传统室内空调和地暖。这类应用不含冷热源,组合毛细管末端+新风末端+机房设备+系统自控的造价在350-600元/建面不等(材料、工艺等区别)。

3. 以毛细管顶棚辐射制冷、毛细管地面辐射采暖为主(在建筑节能指标较高条件下,地面采暖也可用常规地暖替代),新风考虑室内湿度。这类应用不含冷热源下,组合毛细管末端+新风末端+机房设备+系统自控的造价在350-800元/建面不等(材料、工艺等区别)。

4. 只考虑室内空气鲜氧度和无尘环境,采用地板式置换新风系统,室内冷热由传统空调解决,不含冷热源的新风设备+风系统末端造价在250-350元/建面不等(材料、工艺等区别)。

以上价格基于住宅建面来计算,一般建面越大造价成本反而越低。有些人会有疑问,为什么以建面为概算指标而不是空调面积或者套内面积计算,那是因为,建筑物的冷热负荷要考虑室内与建筑结构的传热,另外像储藏室和车库这类非空调区域也分担着建筑物的负荷与能耗,故我们以建筑面积作为概算指标基础,待方案确定后会出具详细的施工预算和材料清单。


总体通过经验与实例分析,针对住宅集中集中冷热源系统,毛细管空调的单方成本增量可以控制在350-450元/建面(含冷热源)。

结语

鉴于现行毛细管空调系统的一些弊端:

 

在推广毛细管空调系统运用建议考虑空气源热泵的冷热源模式:

 

毛细管辐射空调系统主要由四大部分组成:

1. 室外的冷热源

即与建筑物室内环境交换热量的源头或者说是目标方向。常见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),空气源(最为常见)。

2. 机房设备及输送系统

即将建筑物与冷热源交换能量的媒介。涉及的设备有热泵主机、新风主机、水泵、换热站等水力输送系统。

3. 室内末端系统

有解决室内相对湿度、无尘、鲜氧度的送回风系统,有解决室内温度均匀的毛细管辐射系统(可以出现顶棚、墙面、地面铺设几种方式,也可并存)。

4. 智能控制系统

有相关子系统比如:室内分室温度、湿度控制,环境露点保护控制,机房设备一键控制,水力节能分配控制,远程控制等。


从以上系统组成并结合毛细管辐射空调系统的功能特点来看,我们会发现要实现环境衡温、舒湿、鲜氧、无尘、无噪的健康居住品质,几乎把这套系统作为洁净空调来处理,而因此系统确实复杂,涉及的产品成本确实有所提高。而一般常规空调顶多满足下温度处理(温度波动在6-8度),室内偶尔的换气处理,也不需要考虑设备少而依赖自动化控制。