毛細(xì)管換熱技術(shù)---- 低火用技術(shù)理論下的節(jié)能潛力與手段

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開思拓空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司與蘇州科技學(xué)院產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，對低火用理論的相關(guān)基本概念和基于低火用理論的毛細(xì)管技術(shù)做了較為詳細(xì)的研究。小溫差換熱是毛細(xì)管換熱技術(shù)的熱力學(xué)基本特征。通過降低熱水供水溫度、提高冷凍水供水溫度，提高了鍋爐、冷機(jī)和熱泵的工作效率。本文的理論分析和低火用建筑實(shí)例表明毛細(xì)管換熱技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用為充分利用低火用能源開辟了新的途徑。隨著該技術(shù)的不斷完善與大力推廣，必將成為我國實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的最有效手段之一。   關(guān)鍵詞： 毛細(xì)管 毛細(xì)管換熱 低火用技術(shù)
  在世界能源短缺和區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，各種節(jié)能理論和技術(shù)層出不窮， 其中低火用理論及其應(yīng)用技術(shù)不斷完善， 并引起越來越多的人們的注意。開思拓空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司（開思拓）與蘇州科技學(xué)院產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，對低火用理論的相關(guān)基本概念和基于低火用理論的毛細(xì)管技術(shù)做了系統(tǒng)的研究。本文將對適用于低火用理論的毛細(xì)管技術(shù)以及應(yīng)用實(shí)例做如下介紹。        一、低火用理論簡介   眾所周知，火用的概念源于熱力學(xué)對熱變功的描述。由熱力學(xué) 第二定律得知：熱力循環(huán)過程中，熱能不可能百分之百地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。其中，可以最大轉(zhuǎn)化為機(jī)械能形式的那部分熱能稱為火用，而無法轉(zhuǎn)化為機(jī)械能形式的那部分熱能稱為火無。因此，電能可以被看作為100%的火用，而與環(huán)境溫度相同的水則可以被看作為100%的火無。 下面討論一下兩個(gè)系統(tǒng)含有相同的能量但具有不等量的火用。一個(gè)是12V、2.3Ah的蓄電池，另一個(gè)是盛有1kg、43 ℃的熱水鍋。這兩個(gè)系統(tǒng)所具有的能量是同等的，都是100kJ。但是，這個(gè)蓄電池所擁有的能量可以視同為100%的火用，可以進(jìn)行幾乎所有形式的能量轉(zhuǎn)換。而那鍋熱水所擁有的能量中可視為火用的部分只有8%，即8kJ。因此，人們通常將電能稱為高品位能量，而將熱能稱為低品位能量。另外，同等能量不同溫度的水其火用也不相同。比如0.3kg，100℃的熱水同樣具有100kJ的能量，但所擁有的火用為27%，即27kJ。幾種形式的能量的火用對比見表1。   表1：幾種形式的能量的火用對比

能源形式 能量 kJ 火用kJ 火用% 蓄電池 100 100 100 熱水@100℃ 100 27 27 熱水@43℃ 100 8 8

     以上計(jì)算是以環(huán)境溫度20℃為計(jì)算基準(zhǔn)。在討論能量轉(zhuǎn)換和利用時(shí)，衡量能量品位高低不是能量的絕對擁有量，而是能量中所含火用的比例。正因?yàn)槿绱?，人們將接近環(huán)境溫度的熱能稱為低火用能源，如海水，地?zé)?，低溫廢熱，地道風(fēng)等。相應(yīng)地，將允許使用低品位能源來供熱和制冷的系統(tǒng)稱為低火用系統(tǒng)。利用低火用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供熱和空調(diào)的建筑稱為低火用建筑。相應(yīng)的技術(shù)則稱為低火用技術(shù)。 二、低火用技術(shù)下的建筑節(jié)能前景 維持建筑物適當(dāng)溫度所需的能量，絕大部分可使用稱為“低火用”的能量，即已無法進(jìn)行能量形式轉(zhuǎn)換的各類自然冷、熱源（太陽能、地?zé)帷⒔雍Ｋ龋６S護(hù)建筑物所需要的必須的“火用”（輸送冷、熱介質(zhì)的水泵、風(fēng)機(jī)等）根據(jù)國外文獻(xiàn)提供不超過15%。也就是說85% 的供熱空調(diào)能耗是可以節(jié)省下來的。它們是可以通過各類廉價(jià)甚至是免費(fèi)的方式得到的。 根據(jù)2004年中國能耗統(tǒng)計(jì)，建筑能耗為8610億 kWh/年。其中70%為供熱空調(diào)能耗，即6140億 kWh/年。如果按其中的85%可以采用廉價(jià)或免費(fèi)能源計(jì)算，則每年有5220億 kWh高品位能源節(jié)約空間。如果平均電價(jià)為0.5元/kWh，則相當(dāng)于年節(jié)約2610億元。按每1噸標(biāo)煤能發(fā)2777 kWh電計(jì)算，則相當(dāng)于每年約約2億噸標(biāo)煤。按中國2005年統(tǒng)計(jì)數(shù)字，全國一次能源產(chǎn)量為20.6億噸標(biāo)煤，則節(jié)約空間占一次能源產(chǎn)量的10%。 從減排角度看待該技術(shù)的潛力，按每噸標(biāo)煤排放2.6噸二氧化碳計(jì)算，則每年減少二氧化碳排放量5.2億噸。按國家“十一 · 五”計(jì)劃，2010年全國一次能源產(chǎn)量為27億噸標(biāo)煤，而建筑能耗預(yù)計(jì)上升為12000億KWh/年，則節(jié)約空間為同比2.7億噸標(biāo)煤，二氧化碳排放量減少7.0億噸。 三、毛細(xì)管換熱技術(shù) 2000年以來，在德國興起的毛細(xì)管換熱技術(shù)不僅在歐美國家受到越來越多的建筑師和暖通工程師的青睞，而且在我國建筑業(yè)正在引起越來越大關(guān)注。開思拓率先將德國毛細(xì)管專利技術(shù)引入國內(nèi)，結(jié)合我國不同地區(qū)氣象條件和建筑特點(diǎn)，研制開發(fā)出輻射換熱、重力循環(huán)、相變蓄能及各種換熱組合的毛細(xì)管換熱技術(shù)。其原理就是基于小溫差、大流量的低 技術(shù)。迄今為止，比較成熟和具有開發(fā)潛力的毛細(xì)管換熱技術(shù)有：

1. 以輻射為主的毛細(xì)管網(wǎng)柵換熱技術(shù)

毛細(xì)管網(wǎng)柵是采用3.4×0.55 mm 或4.3×0.8 mm 的PP-R塑料毛細(xì)管組成的間隔為10 mm – 30 mm 的網(wǎng)柵，猶如人體中的毛細(xì)血管，起到著分配、輸送和搜集液體的功能。以超大的換熱面積來降低換熱溫差。所以即使在熱交換表面和室內(nèi)空氣之間溫差非常小的情況下也能進(jìn)行很大的能量交換。

2. 毛細(xì)管重力循環(huán)空調(diào)柜

由德國毛細(xì)管技術(shù)的創(chuàng)始企業(yè)Clina公司與中國合作伙伴開思拓空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)有限公司共同研發(fā)出新一代毛細(xì)管空調(diào)技術(shù)，即毛細(xì)管重力循環(huán)空調(diào)柜專利技術(shù)。它的主要特點(diǎn)是：1）具有除濕功能，解決了毛細(xì)管輻射末端的結(jié)露問題；2）換熱量大，由于采用了對流換熱技術(shù)，使單位面積的毛細(xì)管網(wǎng)柵的換熱量提高了將近3倍；3）不需要額外的新風(fēng)處理系統(tǒng)，充分發(fā)揮了毛細(xì)管技術(shù)的節(jié)能潛力；4）毛細(xì)管重力循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用不受地區(qū)限制，對高溫高濕地區(qū)應(yīng)用效果更為理想。

3. 相變蓄能技術(shù)

根據(jù)毛細(xì)管換熱強(qiáng)，占地小的特點(diǎn)，開思拓發(fā)明了一種毛細(xì)管蓄能罐專利技術(shù)。蓄能罐主要是由毛細(xì)管、相變蓄能材料和罐體構(gòu)成。在供暖季節(jié)，蓄能罐白天存儲(chǔ)太陽能，夜晚供熱。在夏季，蓄能罐白天吸收空調(diào)房間的熱量，降低房間溫度，夜晚對蓄能罐進(jìn)行自然冷卻?；谒芰厦?xì)管的耐腐蝕性能，這種蓄能裝置可以很好地利用經(jīng)濟(jì)性好，但對裝置耐腐蝕性能要求高的各類無機(jī)鑲邊材料。

4. 毛細(xì)管海水冷卻器

德國Clina公司提供了毛細(xì)管能量收集器專利技術(shù)。毛細(xì)管集熱器是用防腐PP-R塑料制成。因此，研制毛細(xì)管海水能量收集器，不僅可以解決海水腐蝕問題，而且為海水冷卻技術(shù)的發(fā)展開辟了一條新的道路。   四、低火用建筑應(yīng)用實(shí)例 開思拓與Clina公司合作，全面使用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的毛細(xì)管供熱空調(diào)設(shè)備和相關(guān)技術(shù)為上海某建筑設(shè)計(jì)院辦公樓設(shè)計(jì)和安裝了全套的低 供暖空調(diào)系統(tǒng)。該辦公樓共四層附加一層地下室。總建筑面積6258平米。其中供暖空調(diào)面積4000平米。 該供暖空調(diào)系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)如下： 1.      一套獨(dú)立的毛細(xì)管網(wǎng)柵輻射換熱系統(tǒng)； 2.      一套獨(dú)立的毛細(xì)管重力循環(huán)換熱系統(tǒng)； 3.      附加的毛細(xì)管冷筒系統(tǒng)； 4.      無動(dòng)力新風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)； 5.      熱泵內(nèi)置式熱回收新風(fēng)機(jī)組 6.      兩套獨(dú)立的、適用于毛細(xì)管技術(shù)的模塊化風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)，總?cè)萘?40kW，壓縮機(jī)功率70kW； 7.      空調(diào)末端溫、濕度自動(dòng)控制 該套系統(tǒng)供熱時(shí)系統(tǒng)內(nèi)水溫只需30-45 ˚C的低溫?zé)崴?。制冷時(shí)冷水循環(huán)水溫為16-19˚C左右。由此可見，冬季降低了熱水供水溫度，夏季提高了冷凍水供水溫度。這樣提高了鍋爐和制冷機(jī)的效率，降低了系統(tǒng)運(yùn)行能耗。據(jù)初步估算該系統(tǒng)可節(jié)約電能15%至20%。夏季高峰用電節(jié)約15kW左右。全年節(jié)電大約58,000kWh。   五、結(jié)論 毛細(xì)管換熱技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用為充分利用低火用能源開辟了新的途徑。隨著該技術(shù)的不斷完善與大力推廣，必將成為我國實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的最有效手段之一。