辐射供冷及地源热泵系统探讨

辐射供冷及地源热泵系统探讨

刘焕光

【摘要】本文论述了低温辐射供冷方式的特点及辐射供冷设计的关键问题——除湿，分析了不同的除湿方式，并结合辐射供冷系统要求的冷热源温度较常规空调方式的不同，选择地源热泵系统作为辐射供冷供暖系统的冷热源。

【关键词】辐射供冷；除湿；地源热泵

前言

在自然界中，植物的叶脉或人的皮下组织利用充满液体的毛细管进行散热，由于毛细管换热的速度极快，换热效率高，因此利用毛细管散热对室内环境温度进行调节的空调方式就出现了，也就是目前市场上流行的低温辐射供冷供暖系统。首先被应用的是低温辐射供暖系统，也就是我们通常所说的地板采暖系统。随着低温辐射供暖技术的推广使用，人们很自然地想到辐射供暖系统也可以用于辐射供冷，因此低温辐射供冷技术就成了一种新技术被推广使用。

1．辐射供冷

辐射供冷是通过降低空调区围护结构中的一个或者几个表面的温度，形成冷辐射面，通过辐射的方式与人体、家具等进行热交换进行降温的技术。由于辐射供冷系统中辐射传热所占份额在50%以上，采用辐射供冷时室内温度比传统空调系统可提高1~2℃即可保证人体的舒适性［1］。辐射供冷具有节能、舒适低污染等优点。根据空气的物理特性，如果换热表面的温度低于空气的湿球温度，冷却表面将会结露，所以采用辐射供冷时辐射面表面的温度不能低于空气的露点。如果不对房间进行除湿除湿，随着房间余湿的增加，房间的含湿量就会增加，当房间的温度保持不变时，相对湿度就会增加，露点温度就会提高。当辐射表面温度低于空气露点温度时就会结露，所以如果采用辐射供冷，首先解决的问题就是除湿。

2．除湿系统

通过上面的论述，我们可以发现，采用辐射供冷系统必须配备除湿系统，如何除湿已经选择何种除湿方式称为辐射供冷系统的重点，以下对不同的除湿方式进行论述，以讨论其优缺点。

2.1常规冷冻除湿

常规冷冻除湿系统，空气在冷却过程中，随着温度下降，当冷却设备盘管表面温度低于空气露点温度时，空气中的水汽就会凝结在上面，这是一个从等湿减焓到减湿减焓的连续过程。冷却除湿是最常用的除湿过程。

下面通过举例论述常规冷冻除湿系统的除湿过程，分析其除湿过程的缺点并提出一种新式除湿系统。

我们首先假设一个房间：

建筑功能为办公室；

室内设计温度为25℃；

室内设计相对湿度为60%；

面积500㎡；

层高3m；

则房间的冷负荷及湿负荷如下：

围护结构冷指标为40W/㎡；

照明指标为20W/㎡；

人员为0.1人/㎡。

房间的总余热和余湿如下：

围护结构冷负荷：40*500=20kW

照明冷负荷：20*500=10kW

人员冷负荷：0.1*500X61=3.05kW

余热总计：33.05kW

余湿=人员散湿量：0.1*500X109=5.45Kg/h

新风量：0.1X500X30=1500m3/h

常规的冷冻除湿系统就是通过对送入室内的新风进行降温除湿，通过含湿量低的新风来稀释室内的余湿，以维持室内空气的湿球温度，避免结露。在焓湿图上可以查到室内空气的含湿量为：11.87g/kg•干空气

通过室内余湿量和新风量可以得到送入室内新风的含湿量：

采用冷冻除湿，新风处理的最终状态点可以从焓湿图上查出，新风终状态点为：

干球温度：13℃

湿球温度：12.5℃

含湿量:8.84g/kg•干空气

焓:35.45kJ/kg•干空气

图1新风处理过程及除湿过程

2.2余热增温型除湿

由上面新风处理过程及送入室内的除湿过程可以知道，冷冻除湿主要依靠低温的冷冻水对新风进行降温，使新风达到露点析出凝结水来除湿，由此导致了送入室内的新风温度很低（13℃），所以常规的低温除湿系统有如下缺点：

(1)送风温度低，舒适度差；

(2)为将新风处理到指定的干度，除湿设备盘管增多，阻力大，导致除湿设备庞大；

(3)冷冻除湿需要的冷冻水温度低，制冷机效率低，运行费用高；

因此，在此介绍另外一种除湿方式，并对这种除湿设备进行简单的分析.下图为预热增温型除湿设备的工作原理图，可以看出，此设备将常规除湿机的冷却盘管分成了如下几部分：

(1)预冷盘管，利用冷却水对进入机器的新风进行预冷，降低新风的温度，属于等湿降温过程；

(2)蒸发器，此除湿设备内置独立的小型压缩机，因为冷媒直接蒸发，温度低，较少的换热面积即可达到除湿的效果，属于除湿降温过程；

(3）冷凝器，经过蒸发器的新风温度低，利用冷凝余热可以将送风温度提高，属于等湿升温过程；

图2余热增温型除湿工作原理示意图

(4)热湿室外空气先经冷却盘管初步降温除湿，再进入蒸发器进一步冷却除湿，干冷空气通过风冷冷凝器等湿升温后，经挡水板由风机送入室内。

(5)低温低压的制冷剂在蒸发器内吸收新风的热量，压缩机将气态的制冷工质压缩到高压，分为两路，一路经水冷冷凝器冷却后进入风冷冷凝器继续冷却，液态工质进入干燥过滤器、膨胀阀减压降温；另一路经热气旁通阀进入蒸发器入口，与膨胀阀出口的气液两相的制冷剂相混合，进入蒸发器，以吸收空气的热量。

(6)外界冷水进入冷却盘管吸收热量，然后进入水冷冷凝器，带走制冷剂的冷凝热。

(7)过渡季节，仅风机运转，向室内送入新风；制热季节，热水进入冷却盘管，风机启动，即可向室内送热风。

余热升温型除湿机避免常规冷冻除湿系统得弊端，是针对辐射供冷空调系统而开发，它主要承担新风负荷及室内湿负荷，其特点如下:

1)单位电能除湿量高。空气处理系统包含一个换热单元和一个冷冻单元，换热单元对新风进行预冷，减小制冷系统处理范围，提高单位电能除湿量；

2)送风温度可调。空气经冷冻除湿后吸收部分冷凝热升温，送风温度适宜；

3)一年四季均可向室内提供经不同处理的新风，满足人们高品质的生活需求；所以余热增温型除湿机相对于冷冻除湿机更节能且舒适性更高。

3.地源热泵系统

辐射供冷系统采用高温冷冻水，冷冻水供水温度一般为16~18℃，余热增温型除湿机需要的冷却水供水温度一般为30~32℃，对于采用余热增温型除湿的辐射供冷系统，需要两个温度的冷源。

地源热泵系统是一种先进的高效节能、无任何污染的采暖空调方式，2003年国家将地源热泵技术列为建筑节能新技术成果大力推广［2］。地源热泵空调系统主要包括两大部分：一是建筑物内的水环路空调系统；二是地源热泵空调系统的地下部分，即地下耦合热泵系统的地下热交换器。地表向下30～130米左右，一年四季的温度是相对恒定的，一般在15℃左右，地源热泵地下换热器经过与地下换热后，可提供16~18℃的高温冷冻水，可直接作为辐射供冷末端的冷源，在供冷季中期及后期，地下温度逐渐升高，在温度高于18℃后，地下换热器不能直接为辐射供冷末端提供冷源，此时需要启动地源热泵机组，地下换热器提供的冷却水作为热泵机组的冷源，热泵机组为辐射末端提供冷冻水，冷冻水与冷却水温差小，热泵可高效运行。地下换热器同时为除湿机提供冷却水。

在冬季，地下换热器可作为热泵机组的低位热源，热泵机组提供40℃以上的热水作为为辐射末端及新风机的热源。

4.结论

辐射供冷相比常规末端系统供冷温度可提高1~2℃而不系统空间的舒适性，同时供水温度比常规供冷末端高约10℃，相比常规系统冷负荷低且系统COP高，运行费用低。

余热增温型除湿新风机，可在保证除湿量的前提下，以较高的温度提供新风，避免了低温送风可能导致的风口结露，且保证室内的舒适性。

地源热泵系统夏季作为冷源，冬季作为热源，在夏季初期可以充分利用地下换热器的温度较低的冷水，直接作为辐射末端的冷源，无需开启热泵机组，地下换热器换出的冷水亦可作为除湿新风机的冷源。冬季热泵机组可为辐射末端提供低温热水，机组可高效运行。

据上分析，辐射末端配合余热增温型除湿新风机，以地源热泵系统提供冷热源是一种经济节能的空调系统。

参考文献：

［1］康宁，宣永梅，殷清海，辐射供冷现状及发展趋势[J]，建筑节能，2009年第5期，74~76.

［2］曹振华，浅析地源热泵技术的特点及发展前景[J]，洁净与空调技术，2012年第3期.

作者简介：刘焕光（1967-），男，广东省汕头市人，身份证：440524196708110019，研究方向：暖通与空调设备安装设计与施工。