粟燁嶺,張燦
安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院,安徽 合肥230601;中能建城市投資發(fā)展有限公司合肥事業(yè)部,安徽 合肥230601
傳統(tǒng)的分體式空調(diào)由于吹風(fēng)感、空調(diào)機(jī)運行噪聲及溫度場不均勻會導(dǎo)致舒適度降低,輻射空調(diào)在舒適度和節(jié)能性方面具有明顯的優(yōu)勢。輻射空調(diào)的冷水溫度較高,可以使用高溫冷水或自然低溫水直接供冷,大大提高設(shè)備的COP,降低設(shè)備的能源消耗,且房間的熱舒適度較高。輻射空調(diào)系統(tǒng)在使用過程中,容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,造成墻面發(fā)霉、涂料脫落等。另外,凝結(jié)水會在輻射板上形成一層薄薄的水膜,影響制冷系統(tǒng)的正常制冷,長時間還會造成輻射板的腐蝕和霉變。同時,結(jié)露也會導(dǎo)致細(xì)菌、真菌等微生物的繁殖,對室內(nèi)環(huán)境造成一定的影響,嚴(yán)重時還會形成“辦公室雨”。輻射空調(diào)系統(tǒng)在夏天供冷時產(chǎn)生的結(jié)露是制約該系統(tǒng)推廣使用的最大障礙,因此研究輻射制冷系統(tǒng)的防結(jié)露措施至關(guān)重要。
合肥某住宅小區(qū)按照綠色三星級建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計,在運行期推行綠色物業(yè)管理和節(jié)能運行體系,實現(xiàn)對綠色建筑從設(shè)計到施工到運行的全程控制。
項目所有住宅均為精裝修,有效實現(xiàn)了土建和裝修一體化的設(shè)計與施工,避免了裝修時對已有建筑構(gòu)件的破壞,提高了施工質(zhì)量,減少了材料浪費,同時保證了戶(間)內(nèi)隔墻、樓板的良好隔聲性能。項目均采用“地源熱泵系統(tǒng)集中空調(diào)+置換新風(fēng)系統(tǒng)+天棚輻射末端+排放熱回收”空調(diào)供暖系統(tǒng),保證室內(nèi)的高舒適度;采用空氣源熱水系統(tǒng),充分利用可再生能源;采用2 級以上高效節(jié)水器具,在提高品質(zhì)的同時,降低運營階段的水資源消耗;采用電動調(diào)節(jié)外遮陽系統(tǒng),節(jié)能降耗的同時提升戶內(nèi)采光舒適性。同時,在場地內(nèi)設(shè)置雨水收集裝置,將雨水經(jīng)過濾消毒處理后用于綠化澆灑、道路沖洗、洗車等,有效提高水資源利用率并順應(yīng)海綿城市建設(shè)要求;地庫設(shè)計CO 濃度監(jiān)控系統(tǒng),提升地庫空氣品質(zhì)。并且,項目采用了BIM 技術(shù),提升設(shè)計和施工效率。該項目因地制宜地采用多項綠色建筑技術(shù)措施,在行業(yè)內(nèi)樹立了綠色建筑的新標(biāo)桿。
由于采用天棚輻射系統(tǒng),受合肥地區(qū)氣候特點和住戶使用習(xí)慣影響,項目不可避免地會產(chǎn)生結(jié)露問題,故必須進(jìn)行輻射制冷系統(tǒng)防結(jié)露措施研究,若能妥善解決結(jié)露問題,則可以更有效地發(fā)揮綠色科技住宅的優(yōu)勢。
傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)是對溫濕度進(jìn)行統(tǒng)一處理,“吹風(fēng)感”大,噪聲大,不能滿足人們對舒適度的高要求。毛細(xì)管輻射與置換式換氣空調(diào)系統(tǒng),可以實現(xiàn)對室內(nèi)溫、濕度的單獨控制,解決室內(nèi)的濕度與空氣質(zhì)量問題。作為一種節(jié)能、舒適的空調(diào)系統(tǒng),毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)近年來受到廣泛關(guān)注[1]。
在冬季供水溫度約32℃、夏季供水溫度約18℃時,毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)即可實現(xiàn)較好的供暖與制冷效果。該空調(diào)系統(tǒng)可直接或間接地使用太陽能、地?zé)?、工業(yè)余熱以及其他低等級的能量,以節(jié)省礦物燃料能源,減少廢氣和廢物排放。因此,毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)是一種節(jié)能型的空調(diào)系統(tǒng),對緩解我國城市霧霾問題具有重要意義,也是節(jié)能減排、發(fā)展綠色建筑的重要途徑和方法。
與常規(guī)空調(diào)相比,毛細(xì)管輻射空調(diào)具有以下優(yōu)勢。一是舒適度高。以輻射換熱為主,室內(nèi)溫度均勻,噪聲小。二是易維護(hù)。通常不會有漏水的問題,若其漏水,可以采用熱熔連接的方法進(jìn)行維修。三是安裝方便。毛細(xì)管輻射板的厚度薄,而且毛細(xì)管可以被布置成各種造型,輻射板荷載很低,容易與室內(nèi)裝飾結(jié)合在一起,在室內(nèi)地面、墻壁或天花板上都可以安裝,不會影響建筑裝修的美觀。四是高效節(jié)能。毛細(xì)管系統(tǒng)的熱輻射面積非常大,冬季可以保持室內(nèi)在20—24℃左右,夏季可以保持室內(nèi)在22—28℃左右,更重要的是還可以結(jié)合可再生能源,實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效益。五是綠色環(huán)保。原材料的生產(chǎn)制造,通過相關(guān)的質(zhì)量檢驗,可以在預(yù)期的使用壽命里安全使用,采用的材料不僅衛(wèi)生環(huán)保,而且沒有毒性,可以循環(huán)利用,降低對環(huán)境的破壞。
輻射空調(diào)系統(tǒng)的基本組成包括冷熱源主機(jī)、置換新風(fēng)系統(tǒng)、末端系統(tǒng)等。冷熱源主機(jī)一般采用集中式的地源熱泵主機(jī)或空氣源熱泵主機(jī),提供合適溫度的冷熱水。置換新風(fēng)系統(tǒng)是輻射空調(diào)系統(tǒng)正常運行的一個重要組成部分,能夠保證空調(diào)房間合理的濕度,從而防止輻射板的表面產(chǎn)生結(jié)露,同時提供室內(nèi)需要的新風(fēng),滿足室內(nèi)對空氣品質(zhì)的要求。輻射空調(diào)系統(tǒng)的末端系統(tǒng)的主要構(gòu)成有金屬輻射頂板、天棚管和毛細(xì)管輻射管席。輻射空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成原理如圖1 所示。
圖1 輻射空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成原理
天棚供暖與制冷系統(tǒng)是一種新型的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng),包括室內(nèi)混凝土樓板頂棚供暖與制冷、置換新風(fēng)、熱工性能好的外墻保溫與節(jié)能技術(shù)。天棚輻射供暖制冷與新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是將PB盤管鋪設(shè)在屋頂水泥樓板內(nèi),利用載體的持續(xù)循環(huán),對上部混凝土樓面進(jìn)行加熱或冷卻,同時提供適當(dāng)?shù)男迈r空氣。夏季,系統(tǒng)將18℃的冷水埋入混凝土中的聚丁烯螺旋管,使樓板降溫,吸收室內(nèi)熱量,保持室內(nèi)的舒適溫度,使其恒溫;冬季,聚丁烯螺旋管內(nèi)的熱水供水溫度達(dá)到35℃,并將熱量輻射到室內(nèi)。這種低溫差輻射模式具有比空氣對流更高的供熱、制冷效率。它的輻射換熱形式?jīng)]有其他空調(diào)形式的空氣對流帶來的吹風(fēng)不適感,室內(nèi)的溫度也比較均勻,從而創(chuàng)造一個較好的熱濕環(huán)境[2]。
為滿足使用者對新鮮空氣的需要,置換新風(fēng)系統(tǒng)是輻射系統(tǒng)的必要條件,本系統(tǒng)設(shè)置新風(fēng)空調(diào)處理系統(tǒng),對送入室內(nèi)的新風(fēng)進(jìn)行冷卻除濕或預(yù)熱加濕,實現(xiàn)室內(nèi)恒溫恒濕目的。但是室外空氣進(jìn)入室內(nèi)空調(diào)房間,容易引起天花板和地面結(jié)露。室內(nèi)結(jié)露的產(chǎn)生容易引發(fā)霉變,既影響美觀,還滋生細(xì)菌,嚴(yán)重影響人們的健康生活。
結(jié)露指物體表面溫度低于附近空氣露點溫度時表面出現(xiàn)冷凝水的現(xiàn)象,是客觀存在的一種氣候?qū)W現(xiàn)象。某一溫度下,水蒸氣達(dá)到了水蒸氣分壓飽和狀態(tài)時,就會釋放出熱量,從而形成水露。在潮濕的非飽和氣體中,如果物體空隙部位、表面、內(nèi)部的溫度都比空氣要低,則會使周圍空氣中的水蒸氣發(fā)生結(jié)露。水蒸氣的凝固可分為兩種:珠狀凝固和膜狀凝固。熱空氣在與輻射冷板的壁面接觸時,形成了一種不完全的珠狀凝固,它是一種介于珠狀和薄膜狀兩種形式之間的新型凝固形式。
輻射冷板的供水溫度太低,以及室溫太高,都是導(dǎo)致輻射板面結(jié)露的主要因素。在實際中,室內(nèi)空氣濕度突然增加,超出空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計狀態(tài),就會導(dǎo)致輻射冷板結(jié)露。因此,在合理的設(shè)計條件下,應(yīng)加強(qiáng)對系統(tǒng)運行期的防結(jié)露控制。Tang et al. 實驗結(jié)果顯示,當(dāng)冷頂板的過冷度低于3℃時,從結(jié)露到形成水滴所需時間在10h 以上[3]??梢娊Y(jié)露過程極其緩慢,只要系統(tǒng)控制合理有效,就可以避免結(jié)露的產(chǎn)生。
輻射冷板防結(jié)露控制理論可從以下兩方面考慮。
第一,當(dāng)室內(nèi)控制目標(biāo)一定,即室內(nèi)設(shè)計溫度及相對濕度一定時,可從約束輻射冷板表面溫度著手。冷板表面溫度必須高于室內(nèi)空氣露點溫度以保證冷板表面不結(jié)露[4]。表1 是不同相對濕度下對應(yīng)的露點溫度。
表1 不同相對濕度下對應(yīng)的露點溫度
從表中可以看出,隨著相對濕度的增加,露點溫度不斷升高。要使輻射冷板表面不結(jié)露,輻射冷板的溫度必須大于露點溫度。當(dāng)濕度足夠大時,輻射冷板的溫度已經(jīng)很高,無法達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的。因此通過控制輻射冷板溫度高于露點溫度的方法是可行的,但具有限制輻射冷板供冷量的缺點。
第二,在輻射冷板的供水溫度不變的情況下,可以從控制室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)入手。當(dāng)室內(nèi)空氣的干球溫度是固定的,且冷板的表面溫度是恒定的時候,相對濕度小于臨界結(jié)露的相對濕度就不會發(fā)生結(jié)露。表2 為17℃下冷板的最終結(jié)露相對濕度。
表2 冷板表面為 17 ℃時的極限結(jié)露相對濕度
從表2 中可以看出,當(dāng)輻射冷板表面溫度恒定時,隨著干球溫度的升高,為了保證輻射冷板表面不結(jié)露,室內(nèi)空氣相對濕度必須小于臨界結(jié)露的相對濕度。室內(nèi)空氣相對濕度越低,所需消耗的能量就越多,而且相對濕度過低影響人體熱舒適性。因此降低室內(nèi)空氣相對濕度,使其低于臨界結(jié)露的相對濕度的方法不可取。
綜上所述,輻射冷板的防結(jié)露宜采用控制輻射冷板表面溫度的方法,且輻射冷板表面溫度必須高于空氣露點溫度。
Miriel et al. 利用TRNSYS 軟件,對采用毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)房間的舒適度及能量消耗進(jìn)行了模擬分析,得出為避免出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,輻射頂板下表面的最低溫度為17℃的結(jié)論[5]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者也紛紛提出了空調(diào)系統(tǒng)溫度、濕度的智能化控制措施。我們在室內(nèi)設(shè)置溫度探測器,檢測到溫度與空調(diào)室內(nèi)露點溫度相近時,調(diào)整屋頂下表面的溫度,以達(dá)到超過空氣露點溫度的目的。表3 中列出了需要監(jiān)測的空調(diào)室節(jié)點。
表3 空調(diào)房間監(jiān)控節(jié)點
為防止出現(xiàn)結(jié)露,按上述方法配置露點檢測器,在毛細(xì)管輻射空調(diào)供水端口前端安裝兩個電磁閥,并與露點檢測器聯(lián)動。在檢測到空調(diào)室內(nèi)溫度到達(dá)臨界溫度時,報警器報警,并關(guān)閉毛細(xì)管輻射空調(diào)送水端口前端的兩個電磁閥,使冷源停止對毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冷卻,使毛細(xì)管頂部的溫度上升,警報消失后,閥門重新開啟,重新進(jìn)入正常的給水狀態(tài)。毛細(xì)管式空調(diào)露點溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 毛細(xì)管式空調(diào)露點溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)
我們采用數(shù)值模擬的方法計算了空調(diào)室內(nèi)的溫度分布,發(fā)現(xiàn)在頂板下側(cè)2.8m 附近,采用上送風(fēng)口的形式,可以更好地控制室內(nèi)的空氣流動,從而防止結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生。對露點溫度探測器的具體安裝方法進(jìn)行詳細(xì)的分析并實驗后發(fā)現(xiàn),這種檢測器采用正三角形布置,既滿足了技術(shù)規(guī)范的要求,又比正方形的重復(fù)檢測面積小,并且具有更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。毛細(xì)管輻射空調(diào)的供水水溫不應(yīng)低于毛細(xì)管輻射空調(diào)供水的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),而毛細(xì)管輻射空調(diào)供水水溫的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)定為露點溫度加0.5℃是安全可靠的。另外,由于供水的溫度越高,制冷量就越低,在26—28℃的溫度,40%—60%的相對濕度下,露點溫度在17.5—19.5℃之間,所以可以設(shè)定供水水溫在18—21℃之間。
毛細(xì)管輻射供冷技術(shù)雖然具有良好的舒適度和節(jié)能效果,但由于室外空氣濕度大,輻射壁表面的露點溫度高,墻體易結(jié)露;要獲得足夠的制冷量必須降低供水溫度,但結(jié)露現(xiàn)象會變嚴(yán)重??梢?,地面輻射供冷的核心是供冷量與結(jié)露的博弈。供冷量受室外氣溫和供水溫度的雙重影響,結(jié)露與地面露點溫度和地面溫度有關(guān),地面溫度分布不均,會造成地面結(jié)露面積不均勻。根據(jù)此原理,應(yīng)利用改變供冷量及除濕的措施,均衡室溫和結(jié)露問題。
采用輻射式冷卻系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行預(yù)冷除濕,將17℃左右的低溫冷凍水送入風(fēng)機(jī)盤管,除去室內(nèi)的潛熱和局部顯熱,然后輸送到毛細(xì)管中,使空氣中的濕度逐步上升,平均相對濕度為70%,輻射地面供冷供水的水溫在12℃以上。在此條件下,地面基本不會結(jié)露,室溫保持在24.6—26.5℃,相對濕度保持在60%—78%。
理論上,為了防止輻射頂板的結(jié)露,可在1h內(nèi)開啟換氣系統(tǒng)。置換通風(fēng)系統(tǒng)可以將新鮮的空氣引入到空調(diào)房中,使室內(nèi)的氣流速度加快。實際發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象,不僅是由于室內(nèi)的濕度比較高,還有一個重要的原因是室內(nèi)的空氣不流通,而使用強(qiáng)化換氣設(shè)備就可以有效減少結(jié)露的出現(xiàn)。在采用毛細(xì)管式輻射空調(diào)與置換通風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)中,置換式的通風(fēng)換氣設(shè)備主要承擔(dān)室內(nèi)的濕負(fù)荷,而空調(diào)房內(nèi)的顯熱負(fù)荷由毛細(xì)管輻射頂板和置換通風(fēng)裝置送至室內(nèi)的新風(fēng)共同承擔(dān)。毛細(xì)管輻射空調(diào)與換氣系統(tǒng)組合的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 毛細(xì)管輻射空調(diào)與換氣系統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)
在露點溫度傳感器檢測到的溫度與空調(diào)室內(nèi)露點溫度相近時,必須調(diào)整其輻射板表面的溫度,以達(dá)到防結(jié)露的目的。
針對毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)存在的結(jié)露問題,采用了在輻射板上涂覆憎水膜,并在憎水薄膜和毛細(xì)管輻射板之間加一層空氣夾層的方法。張順波等對輻射板建立傳熱模型并進(jìn)行實驗測試,通過改變空氣夾層的厚度優(yōu)化輻射板的相關(guān)性能,既提高了制冷能力,又具有較好的防結(jié)露能力[6]。但改進(jìn)后的輻射板的防結(jié)露能力是否可靠還有待進(jìn)一步驗證。通過對多個項目調(diào)研發(fā)現(xiàn),設(shè)置空氣夾層防結(jié)露的方法技術(shù)目前還不夠成熟,在實際工程的輻射空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用為零,不適宜大規(guī)模推廣使用。
一般房間采用輻射頂板和頂板送風(fēng)的方式,最易結(jié)露的位置在離地面2.8m 處。輻射板在結(jié)露時的傳質(zhì)系數(shù)與Sh 數(shù)、Ra 數(shù)有關(guān),當(dāng)過冷溫度為5℃,輻射板、輻射墻、輻射吊頂?shù)膫髻|(zhì)系數(shù)分別為1.22mm/s、3.35mm/s、4.15mm/s 時,冷吊頂更容易結(jié)露,其凝結(jié)速度是輻射地板的3.5 倍,是冷墻壁的1.25 倍[7]。恒溫恒濕室中,冷水溫度在16℃以上時,毛細(xì)管不結(jié)露,而在15℃以下時,則出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,傳熱性能迅速提高,這主要是由于露水與管道的接觸熱阻小于空氣[8]。因此,采用輻射板供冷可以較好地降低結(jié)露產(chǎn)生。
結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生必須要滿足凝結(jié)的兩個條件:一是要有形成臨界半徑的凝結(jié)核心,二是要滿足一定的過冷度[9]。輻射板表面發(fā)生結(jié)露時,首先出現(xiàn)凝結(jié)水滴的地方就是輻射板面上的細(xì)小縫隙或凹陷的小孔。當(dāng)輻射板面無裂縫且平整光滑時,只有當(dāng)溫度更低即過冷度更高的時候才會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。因為輻射板表面的粗糙程度對凝結(jié)核心的數(shù)目和其分布規(guī)律有直接影響:當(dāng)輻射板材料相對比較光滑時,發(fā)生結(jié)露初期所需要的凝結(jié)核心就不容易形成;當(dāng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)高時,輻射板面溫度會進(jìn)一步降低,此時會加劇結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生。
從表4 中可以看出,橡木材料的導(dǎo)熱系數(shù)最小,在其他條件均相一致的前提下,輻射板表面溫度均比其他兩種材料的輻射板表面溫度要高。因此降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以提高輻射板表面溫度,發(fā)生結(jié)露的風(fēng)險就更低。輻射空調(diào)系統(tǒng)在去除室內(nèi)顯熱負(fù)荷時,通過適當(dāng)增加供水溫度,減少供水流量,并使用導(dǎo)熱性小的裝飾面板,可避免出現(xiàn)結(jié)露。
表4 不同材質(zhì)的輻射板表面溫度
研究發(fā)現(xiàn),蚊子復(fù)眼表面是由微小的納米尺度眼和納米尺度乳突組成,也就是微納的復(fù)合結(jié)構(gòu),在低溫、高濕度條件下具有良好的抗霧性能。采用該結(jié)構(gòu)制造的材料,可以有效地延緩霧的產(chǎn)生[10]。冷凝作用對微納復(fù)合組織的表面效應(yīng)至今尚無定論,有研究發(fā)現(xiàn):在高濕、低溫條件下,荷葉表面的凸起會穿透露珠的基部,使其與表面的黏附力增加,而微納復(fù)合材料表面在空氣濕度低于60%時仍然維持超疏水狀態(tài);另外,在高濕度條件下,盡管表面在冷凝作用下會喪失其超疏水性,但在干燥后仍能恢復(fù)其超疏水性[11-12]。以上結(jié)果表明,超疏水性的表面可以防結(jié)露,這種防結(jié)露對制冷系統(tǒng)等的防露和防腐蝕有很大的作用。根據(jù)涂料的防結(jié)露原理與制備技術(shù),將其分為兩類:一類是通過添加多孔礦物材料實現(xiàn);另一類是通過添加改性樹脂實現(xiàn)。
多孔礦物材料中有許多相互連接的中孔或小孔,這些孔隙可以有效地吸收水蒸氣,從而實現(xiàn)涂料的防結(jié)露。目前,已應(yīng)用的多孔礦物有沸石、硅藻土、膨脹蛭石、膨脹珍珠石等。除此之外,材料的用量、樹脂的粒徑、涂層厚度等相關(guān)因素都會直接影響涂料的防結(jié)露效果。特別是涂層的厚度,對防水涂料的抗結(jié)露性能起決定性的作用,涂層的厚度越大,防水涂料的抗結(jié)露作用就越強(qiáng)[13]。
目前最成熟的防結(jié)露措施是控制輻射板表面溫度高于環(huán)境露點溫度。應(yīng)加大露點控制系統(tǒng)的研發(fā),加速推動輻射空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。由于輻射空調(diào)供冷能力總受露點溫度的限制,對輻射制冷系統(tǒng)綜合性能提升還需開展更進(jìn)一步的研究工作,如通過發(fā)展新材料、新技術(shù)推動制冷輻射空調(diào)技術(shù)工程的應(yīng)用。