毛細管換熱技術---- 低火用技術理論下的節(jié)能潛力與手段

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開思拓空調系統(tǒng)技術有限責任公司與蘇州科技學院產學研相結合，對低火用理論的相關基本概念和基于低火用理論的毛細管技術做了較為詳細的研究。小溫差換熱是毛細管換熱技術的熱力學基本特征。通過降低熱水供水溫度、提高冷凍水供水溫度，提高了鍋爐、冷機和熱泵的工作效率。本文的理論分析和低火用建筑實例表明毛細管換熱技術的研發(fā)與應用為充分利用低火用能源開辟了新的途徑。隨著該技術的不斷完善與大力推廣，必將成為我國實現(xiàn)節(jié)能減排的最有效手段之一。   關鍵詞： 毛細管 毛細管換熱 低火用技術
  在世界能源短缺和區(qū)域經濟快速發(fā)展的今天，各種節(jié)能理論和技術層出不窮， 其中低火用理論及其應用技術不斷完善， 并引起越來越多的人們的注意。開思拓空調系統(tǒng)技術有限責任公司（開思拓）與蘇州科技學院產學研相結合，對低火用理論的相關基本概念和基于低火用理論的毛細管技術做了系統(tǒng)的研究。本文將對適用于低火用理論的毛細管技術以及應用實例做如下介紹。        一、低火用理論簡介   眾所周知，火用的概念源于熱力學對熱變功的描述。由熱力學 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變?yōu)闄C械能。其中，可以最大轉化為機械能形式的那部分熱能稱為火用，而無法轉化為機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。 下面討論一下兩個系統(tǒng)含有相同的能量但具有不等量的火用。一個是12V、2.3Ah的蓄電池，另一個是盛有1kg、43 ℃的熱水鍋。這兩個系統(tǒng)所具有的能量是同等的，都是100kJ。但是，這個蓄電池所擁有的能量可以視同為100%的火用，可以進行幾乎所有形式的能量轉換。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

     以上計算是以環(huán)境溫度20℃為計算基準。在討論能量轉換和利用時，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。正因為如此，人們將接近環(huán)境溫度的熱能稱為低火用能源，如海水，地熱，低溫廢熱，地道風等。相應地，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)實現(xiàn)供熱和空調的建筑稱為低火用建筑。相應的技術則稱為低火用技術。 二、低火用技術下的建筑節(jié)能前景 維持建筑物適當溫度所需的能量，絕大部分可使用稱為“低火用”的能量，即已無法進行能量形式轉換的各類自然冷、熱源（太陽能、地熱、江河湖海水等）。而維護建筑物所需要的必須的“火用”（輸送冷、熱介質的水泵、風機等）根據(jù)國外文獻提供不超過15%。也就是說85% 的供熱空調能耗是可以節(jié)省下來的。它們是可以通過各類廉價甚至是免費的方式得到的。 根據(jù)2004年中國能耗統(tǒng)計，建筑能耗為8610億 kWh/年。其中70%為供熱空調能耗，即6140億 kWh/年。如果按其中的85%可以采用廉價或免費能源計算，則每年有5220億 kWh高品位能源節(jié)約空間。如果平均電價為0.5元/kWh，則相當于年節(jié)約2610億元。按每1噸標煤能發(fā)2777 kWh電計算，則相當于每年約約2億噸標煤。按中國2005年統(tǒng)計數(shù)字，全國一次能源產量為20.6億噸標煤，則節(jié)約空間占一次能源產量的10%。 從減排角度看待該技術的潛力，按每噸標煤排放2.6噸二氧化碳計算，則每年減少二氧化碳排放量5.2億噸。按國家“十一 · 五”計劃，2010年全國一次能源產量為27億噸標煤，而建筑能耗預計上升為12000億KWh/年，則節(jié)約空間為同比2.7億噸標煤，二氧化碳排放量減少7.0億噸。 三、毛細管換熱技術 2000年以來，在德國興起的毛細管換熱技術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注。開思拓率先將德國毛細管專利技術引入國內，結合我國不同地區(qū)氣象條件和建筑特點，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管換熱技術。其原理就是基于小溫差、大流量的低 技術。迄今為止，比較成熟和具有開發(fā)潛力的毛細管換熱技術有：

1. 以輻射為主的毛細管網(wǎng)柵換熱技術

毛細管網(wǎng)柵是采用3.4×0.55 mm 或4.3×0.8 mm 的PP-R塑料毛細管組成的間隔為10 mm – 30 mm 的網(wǎng)柵，猶如人體中的毛細血管，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空氣之間溫差非常小的情況下也能進行很大的能量交換。

2. 毛細管重力循環(huán)空調柜

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

3. 相變蓄能技術

根據(jù)毛細管換熱強，占地小的特點，開思拓發(fā)明了一種毛細管蓄能罐專利技術。蓄能罐主要是由毛細管、相變蓄能材料和罐體構成。在供暖季節(jié)，蓄能罐白天存儲太陽能，夜晚供熱。在夏季，蓄能罐白天吸收空調房間的熱量，降低房間溫度，夜晚對蓄能罐進行自然冷卻?；谒芰厦毠艿哪透g性能，這種蓄能裝置可以很好地利用經濟性好，但對裝置耐腐蝕性能要求高的各類無機鑲邊材料。

4. 毛細管海水冷卻器

德國Clina公司提供了毛細管能量收集器專利技術。毛細管集熱器是用防腐PP-R塑料制成。因此，研制毛細管海水能量收集器，不僅可以解決海水腐蝕問題，而且為海水冷卻技術的發(fā)展開辟了一條新的道路。   四、低火用建筑應用實例 開思拓與Clina公司合作，全面使用自主知識產權的毛細管供熱空調設備和相關技術為上海某建筑設計院辦公樓設計和安裝了全套的低 供暖空調系統(tǒng)。該辦公樓共四層附加一層地下室?？偨ㄖ娣e6258平米。其中供暖空調面積4000平米。 該供暖空調系統(tǒng)的組成和特點如下： 1.      一套獨立的毛細管網(wǎng)柵輻射換熱系統(tǒng)； 2.      一套獨立的毛細管重力循環(huán)換熱系統(tǒng)； 3.      附加的毛細管冷筒系統(tǒng)； 4.      無動力新風自動調節(jié)系統(tǒng)； 5.      熱泵內置式熱回收新風機組 6.      兩套獨立的、適用于毛細管技術的模塊化風冷熱泵系統(tǒng)，總容量240kW，壓縮機功率70kW； 7.      空調末端溫、濕度自動控制 該套系統(tǒng)供熱時系統(tǒng)內水溫只需30-45 ˚C的低溫熱水。制冷時冷水循環(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的效率，降低了系統(tǒng)運行能耗。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、結論 毛細管換熱技術的研發(fā)與應用為充分利用低火用能源開辟了新的途徑。隨著該技術的不斷完善與大力推廣，必將成為我國實現(xiàn)節(jié)能減排的最有效手段之一。