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1、毛细管空调系统的热力学研究刘学来 12，李永安 2，李继志 1，刘学亭 2,马玉奇 21.中国石油大学机电工程学院 山东东营 2570612.山东建筑大学热能工程学院 山东济南 250101摘要：本文介绍了毛细管平面空调系统的特点，指出毛 细 管平面空调系统热湿独立控制带来的革命性技术进步。通 过对冬夏季风机盘管系统；毛 细管平板系统以及冬季散热器供热系统的 火用 分析，得出毛细管平面空调系统具有巨大的节能潜力。这为毛细管平面空调系统的推广具有一定的推动作用。关键词：毛细管空调系统；风机盘管；节能；散热器Energy Efficiency of Capillary Tube Air-condi
2、tioning SystemLiu Xuelai12, Li Yongan2, Li jizhi1, Liu Xueting2，Ma Yuqi 21School of machinery and electricity engineering, China Petroleum of University ,257061,Dongying,Shandong Province, China2School of thermal energy engineering, Shandong Jianzhu University,250101,Jinan, Shandong Province, ChinaA
3、bstract: This paper introduces the features of capillary plane air-conditioning system，and point out it independently controlled of heat and moisture that brings revolutionary technological advances. Its excellence and potential of energy efficiency is analyzed by comparing with the fan-coil system
4、in summer and winter, and radiator heating system in winter using exergy analyse. It has a certain role in promoting of capillary plane air-conditioning system. Key words: Capillary tube air-conditioning system；Fan-coil；Energy efficiency ；Radiator1.前言到目前为止，全国空调负荷已达到 4500 万 KW，相当于 2.5 个三峡电站满负荷出力，空调高峰
5、负荷更可达到相当于 10 个三峡电站满负荷出力。致使有些城市到夏季电力严重不足，出现拉闸限电现象。我国传统的空调大多是集中的风系统和半集中的风机盘管加新风系统。而这两种空调系统所采用的均为热湿耦合的处理方式，也就是对室内的热负荷和湿负荷同时用比较低的冷水（7/12 ）来处理，这样就造成能源品味上的损失，也就造成能源浪费。另外传统的空调系统还有噪声大；湿的表冷器表面容易产生霉菌；占用较大的建筑空间；具有吹冷风感等不可克服的弊端。为了实现我国的节能减排的可持续发展目标，达到建筑节能 65的目标，也为建筑环境达到更高的要求，很有必要寻求更加合理的空调方式。毛细管平面空调系统以先进的温湿独立控制技术，
6、以辐射为主要传热的方式，给人们带来了解决传统空调弊端的方法和思路。2.毛细管空调系统简介毛细管平面辐射采暖空调系统（capillary tubes mat air-conditioning system）20 世纪末起源于欧洲。是顶棚辐射供冷的第三代（第一代是混凝土楼板埋管式。第二代是金属吊顶辐射式） 。其当用作供冷时也被称为“冷却格栅” （cooling grid system） 。一般以塑料为材料，制成直径小（外径 23 毫米） 、间距小（1020 毫米）的密布细管，两端与分水、集水联箱相连，形成“冷网格”结构，这一结构可与金属板结合形成模块化辐射板产品，也可以直接与楼板或吊顶板连接，因而
7、在改造项目中得到较广泛的应用 1,2。毛细管平面辐射空调系统一般安装在房间吊顶或者墙壁内，在格栅表面进行液体石膏喷涂，使它和建筑装饰相互结合。也可以将格栅埋入石膏板或者嵌在金属板上做成辐射板。毛细管平面辐射空调系统管内水流速度较慢，大约在 0.10.2m/s,因此系统运行时的噪声较低。同时由于这种格栅的表面积大，所以温度分布比较均匀，而且布置灵活，使用于新建和改造项目。它对冷负荷变化的反应时间介于金属辐射板和混凝土辐射板之间。其结构如图 1 所示。毛细管平面辐射空调系统一般由热交换器、带循环泵的分配站、温控调节系统、毛细管平板以及配套的独立除湿新风系统等组成。夏季毛细管供给 1821 冷水，冬
8、季毛细管供给 2832 热水，图 2 为基于溶液除湿的毛细管顶板复合系统 3,5,6 浓 溶 液稀 溶 液 溶 液 泵储 液 罐溶 液 泵 再 生 器夏季18度（冬季32度）毛 细 管 末 端冬 季 度夏 季 0度 ，地 板 送 风 口 冷 热 水 机 组除 湿 新 风 机 新 风 排 风新 风热 回 收 装 置回 风图 2 基于溶液除湿的毛细管平面复合空调系统示意图3.毛细管空调系统的特点毛细管平面空调系统具有以下特点：1）夏季不需低温冷冻水，冬季不需高温热水。毛细管辐射空调末端系统可以和任何形式的冷热源结合使用，尤其是与土壤源热泵、闭式地表水水源热泵配套使用，有些时间夏季可以利用地下、海水
9、等自然资源换热后直供（即不需要开启机组制冷） ，节能效果明显。2）独立新风系统。在满足室内人员健康需要的同时，去除室内湿负荷。通过独立新风系统，不断地除去室内的余湿量，防止室内湿度过大，冷表面结露。在新风和排风系统上设置全热回收装置，回收排风中的能量对新风进行预处理，降低了新风负荷，减少了能源浪费。3）由于水管末端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。毛细管空调系统还具有安装方便、快捷，经济性好等优点。4)高标准的人体舒适感， 由于毛细管辐射空调系统采用辐射供冷，它提供极佳的热舒适度，即使在得热量高的房间也无吹风感；使室内垂直温差可下降到 3 ；送风采用全新图 1
10、毛细管平面空调系统示意图1.金属面板；2.石膏板；3.矿毛绝缘纤维；4.毛细管网栅；5.接头风方式，提高了室内的空气品质。5)低运行费用，较高的冷水温度允许采用多种形式的冷源，在一年的某部分季节，制冷机可以不运行，还可以利用冷却塔进行自然冷却；由于水的高热值和高密度，只须耗费很少的水泵能量，冷量就可以运输至目的地。与常规的空调系统比较，可以节省风机能耗，减少空调系统的峰值用能；通过提高冷水机组的回水温度，进而提高了冷水机组的蒸发温度，增加了冷水机组的能效比（COP）值，使制冷机的效率得到提高。 6)毛细管辐射空调系统即可用于夏季的空调也可用于冬季的采暖，这弥补了置换通风只能制冷而不能制热的缺点
11、。4.毛细管空调系统与传统空调系统的能耗分析与比较4.1 用于能耗分析的 火用 理论根据热力学理论，能量满足热力学第一定律，也就是在数量上保持平衡；同时它还应满足热力学第二定律，也就是能量具有品味，在自然状态下，热量只能向温度低的方向传递，也就是温度越高，能量品味越高。从能源的形式上，能量品味依此是电能，机械能，热能。为了更好的衡量能量的应用效率，在此引入 火用 这个即从数量上又从品味上评价能量的利用率。对于稳定流动的开口系统，1kg 工质从冷媒状态经过可逆过程变化到环境状态，工质可能作出的最大有用功为 4: (1)ln()()()( 0000max TCTsThWe pp式中： 工质 火用
12、(焓 火用 )， ； 工质的最大有用功, ； 工质的进口焓kJ/gmaxkJ/gh值， ； 工质在环境状态下的焓值， ； 工质的进口熵值， ；kJ/g0hkJ/gsJ/(kg.)工质在环境状态下的熵值， ； 环境温度，K； 工质进口温度，K ；0s J/(.)0TT定压比热， 。pCJ/(k.)4.2 毛细管空调与传统空调系统夏季的能耗比较对于毛细管平板和风机盘管均为稳定流动的开口系统。在夏季风机盘管的供回水温度为 7/12，供回水温差为 5 ；毛细管平板夏季的供水温度 18/20，供回水温差为 2，计算传统风机盘管和毛细管平板空调的 火用 效率 (假设环境温度为 25) 。根据式 1，可以计
13、算出冷介质在不同温度下的 火用 值见表 1 所示。表 1 各种不同温度下的工质 火用温度（） 18 20 7 12 28 32 50 60 70 95火用 值（ ）kJ/g0.35 0.18 6.37 1.22 0.45 1.00 6.03 10.49 16.07 34.45室内围护结构表面温度的降低使平均辐射温度降低，从而室内实感温度提高，在相同的舒适度情况下，要比传统空调系统节省能量。研究表明，风机盘管供冷室内温度设定为24所达到的舒适度，对于毛细管平板设定为 26就可以达到。取毛细管平板的单位面积冷负荷为 0.8 倍的风机盘管热负荷。另外，风机盘管具有风机，风机耗用电能，每千瓦的供冷量，
14、风机耗能为 15w，取风机盘管的供冷量为 1kw，则风机盘管的能耗为 1015w，与之对应的毛细管平板则为 800w，根据系统的工质质量流量可按式 求得：两种TmCQp的工质水的质量流量之比为 2。 （ 为毛细管平板的流量； 为风机盘管的流量。1/m1 2m）对于毛细管平板单位建筑面积消耗的工质 火用 为： 11211 7.0)8.350()(exmE对于风机盘管单位面积消耗的工质 火用 为： 22432 5.).76()( m因此，在与风机盘管供冷效果相同的情况下，毛细管平板节能率为： 934.01.701.5022121 Es4.3 毛细管空调冬季与传统空调及散热器的能耗比较毛细管平板空调
15、系统在冬季运行供回水温度为 32/28，供回水温差为 4；传统散热器的供回水温度为 95/70，供回水温差为 25；风机盘管的供回水温度为 60/50，供回水温差为 10，室内空调温度取 20。根据式 1，可以计算出冬季热水在不同温度下的 火用值见表 1 所示。同样由于辐射的实感温度的舒适性，可以使室内供热温度适当降低，可以节能约20。对于散热器系统而言，热负荷为 1kw；与之对应的毛细管平板只需要 0.8kw；而风机盘管则需要 1.015kw；则三种供热系统的流量比为： ： 5：1.97：11m23式中 ， ， 分别为毛细管平板空调；风机盘管空调；散热器系统在满足室内 20时的流量，kg/s
16、。毛细管平板单位建筑面积冬季消耗的工质 火用 为： 112831 5.0)4.()( mmexE对于风机盘管单位面积冬季消耗的工质 火用 为： 225062 6.)3.9.()( 对于散热器单位面积冬季消耗的工质 火用 为： 3370953 8.1)07.45.()( mmexE 固有相对于风机盘管，毛细管平板冬季运行的节能率为： 65.09.465.6.4321211 w相对于散热器，毛细管平板冬季运行的节能率为： 84.8.10338.15031312 mmEw5结论通过以上的分析，可以得出如下结论：（1）毛细管平面空调系统具有高节能、高舒适、低运行费、低噪声、室内空气品质好、节约建筑空间等优点。（2）采用 火用 效率对毛细管平面空调系统进行
