毛细管空调系统理论及其应用
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1.2 国外研究现状

毛细管空调系统是一种基于新型毛细管网辐射末端的、以湿度独立控制为特点并与相应的风系统协调运行的气—水式复合空调系统(Air-and-water Air Conditioning System),其属于广义的辐射供冷/供暖顶板空调系统。在欧洲,辐射型末端(包括毛细管网)多与置换通风相结合;而在美国,独立新风与辐射型末端的结合是最近几年的研究热点。目前,我国的相关研究整体上正在由高校和科研单位的理论研究层面向实际工程应用中延伸。

1.2.1 置换通风与独立新风

起源于20世纪40年代北欧的置换通风(displacement ventilation,DV)和新世纪初发轫于美国的独立新风系统(dedicated outdoor air system,DOAS),作为两种可以与毛细管辐射末端相结合的典型新风配置,是近年来欧美暖通界热议的题目之一。

(1)置换通风

欧美学者对于置换通风的研究和评价鲜有一致之处,而在几个核心问题上几乎是针锋相对的。欧洲的相关研究普遍基于置换通风下的室内温度呈现性变化这一假设(Nielsen,Skistad 和 Mundt等,1987)。而美国的相关研究表明这个假定在大多数情况下是不成立的(Chen,Q.Glicksman,1999),并假设在0.1~1.1m的范围内的温度分布是线性的。正是在这种基础之上,欧洲供热、通风与空调协会联盟(REHVA,Federation of European Heating and Air-conditioning Association)和美国采暖、制冷与空调工程师协会(ASHRAE,American Society of Heating,Refrigerating and Air-conditioning Engineers)先后于2002年和2003年,分别颁布了自己的置换通风系统设计指南——《非工业建筑用置换通风系统》和《置换通风系统的性能及其设计指南》。两者在充分肯定各自在过去几十年的研究成果的同时,给出了不同的设计思路,但并非殊途同归。近年来,被一贯视为置换通风特点的羽状气流也在相关研究中受到质疑(Ferro等,2004)。而对其鲁棒性的分析(Li等,2004)和不同粒径污染物颗粒下通风效果的深入研究正在进行8。在满足人体舒适要求的条件下,Glicksman认为置换通风的最大制冷量为40W/m2,Loveday等(2002)认为最大制冷量为30W/m2,而Snadbegr等(1989),认为最大制冷量为25W/m2

另外,在节能潜力方面,REHVA的相关研究表明置换通风系统与传统的混合风系统相比没有明面的优势可言(Skistad等,2001)。美国学者通过不同的方案设计,在风机的年能耗有所增加的前提下,实现了系统年能耗的整体降低(Roth,Chen等,2005)。

值得注意的是,置换通风在欧美并不用于冬季供暖(Stefano Schiavon,M.Sc,2005)。这是因为在冬季工况下,尽管室内空气流速较低,空气温度趋于均匀,但空气处于混合状态,人员呼吸区域的污染物浓度较供冷运行时高得多,不具备较好的抑制交叉污染的能力。换句话说,冬季供况下的所谓“置换风”本质上只是一种下送上回式的混合通风,而后者形成的风场对室内空气品质甚至会起到恶化而不是净化作用。因此,REHVA标准和ASHRAE标准均不推荐在冬季使用置换通风。

(2)独立新风

独立新风作为一个新概念被提出是在20世纪80年代,但直到9·11事件的发生,该系统才真正引起美国暖通界的广泛关注。特别是在SARS爆发后,有着“反恐空调”之称的DOAS真正成为暖通领域一个新的研究热点。其最主要的特点有三,一是系统的节能潜力巨大(Roth等,2002);二是回风与新风无被动混合,从而大大降低了细菌利用空调系统进行传播的速度和空间分布密度(Mumma等,2007);三是系统对于湿度的控制灵活而高效(Steven J.Emmerich和Tim McDowell,2005)。对于该系统的仿真研究(Klein等,2000;McDowell和Jeory等,2003)和现场研究(Fischer 和Bayer等,2003)均印证了上述三点。特别是Mumma领导着一个研究小组针对DOAS系统进行了大量系统而深入的研究1014。内容涵盖系统配置、自动控制、结露问题、节能潜力、室内空气品质和热舒适性等多个方面,并通过专用网站http//doas.psu.edu进行学术交流和资源共享1618。 

事实上,美国能源部在2002年公布的商业建筑暖通空调系统最有价值的15项节能措施中,独立新风与辐射型末端所组成的复合系统(“DOAS-Radiant” Approach),以其在技术成熟性、节能潜力和回收年限上的优异表现而名列第一。Mumma(2006)也认为,在多个针对显热处理的备选系统中,辐射冷板系统(包括毛细管型末端)因其在初投资、节能、舒适度以及室内空气品质诸方面的优势而可能成为最好的选择。

2005年,Steven J.Emmerich和Tim McDowell在美国商务部(U.S.DOC)联合国家技术管理局(TA)以及国家标准和技术研究所(NIST)共同起草的《关于置换通风与独立新风在美国商业建筑中使用的初步评价》中指出,在大范围应用DOAS之前的主要方向是进行更多更深入的现场测试研究(field study)。

1.2.2 毛细管空调

对于广义的辐射供冷/供暖顶板空调系统的研究在欧洲已经进行了近半个世纪。

冷却顶板在1940年左右就已出现,但直到1990年左右才建立了它的标准测试方法。冷却顶板早期一般可以提供60~80W/m2的冷量。故相关产品主要使用在欧洲特别是北欧地区。这个地区的房间热湿负荷都较低,很多情况房间的制冷设备就只有冷却顶板,没有专门的通风系统,主要通过自然通风换气。近年来随着设备的改进,冷却顶板的供冷量有所增加,但始终未突破100W/m2。目前,欧洲针对毛细管干式末端的热工研究基于两大标准:德国国家标准化组织的DN4715和工厂、设计制造安装公司组织制定的FGK标准。研究表明,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。