天棚辐射采暖供冷系统的火用分析
青岛理工大学 周昂 王刚 刘国丹
摘要：天棚辐射采暖供冷技术是一种新型的采暖供冷技术。本文首先通过建立能量平衡方程和火用平衡方程，确定能量利用率和火用效率的计算公式，然后对计算结果进行分析，得出火用分析方法更能反映能耗的实质，而且该技术提高火用效率的关键因素是供回水温差。天棚辐射采暖供冷技术在供水温度设为定值的前提下，针对不同埋管管径的系统，供回水温差可经过优化达到双赢的目的。夏季设计工况运行时，火用效率最低为74.89％左右，比优化之前高出19.1％，冬季设计工况运行时，火用效率最低为63.1％左右，比优化之前高出18.6％。由此可见该技术具有很大的节能潜力。 关键词：天棚辐射采暖供冷技术 火用效率
Exergy analysis of the ceiling radiant cooling and heating system
Abstract :The ceiling radiant cooling and heating system is a kind of new technology .To evaluate the energy-saving potential of the ceiling radiant cooling and heating system, calculating formulas of energy utilization efficiency and exergy efficiency are obtained based on balance equations of energy and exergy. According to the analysis of the results, it can be concluded that exergy analysis method can reflect the principle of energy consumption better.Key factor of improving the exergy efficiency of the system is the temperature difference of water supply and return. Temperature difference of water supply and return is optimized assume that the water supply temperature and pipe diameter are determined. In summer, the exergy efficiency is about 74.89% which increases by 19.1% compared with the unoptimized result when the system is running in the designed condition. In winter, the exergy efficiency is about 63.1% which increases by 18.6% compared with the unoptimized result when the system is running in the designed condition.So we can conclude that this technology has great potential in energy efficiency.
Keywords: Ceiling radiant cooling and heating system; Exergy analysis; Energy
efficiency
1 前言
随着社会的进步和人民生活水平的提高，人们的节能意识也在不断加强，同时中国国民经济和社会发展\十一五\规划将环保和节能列为两项重要任务来完成，社会各个领域节能工作已广泛展开，科研工作者在用各种能量利用评价理论方法为合理用能和节约用能指明着方向。火用分析便是其中方法之一。火用是在能源科学领域中广泛用来评价能量利用价值的参数，它把能量的量和质结合起来评价能量的价值，着重分析能质的退化，找寻节能的关键所在。 天棚辐射采暖供冷技术是一项新型的采暖制冷技术。该技术就是将聚丁烯管敷设在楼顶板内，通过管中水的循环对楼顶板进行加热或降温，从而形成冷辐射或热辐射面，传热以辐射传热为主，并可在满足除湿需要的条件下配置新风系统。
1
图1 辐射天棚结构图
下面将分别从能量分析和火用分析两个方面，给出天棚辐射采暖供冷系统的能量效率和火用效率，然后根据分析的结果找寻提高用能效率的有效途径。最后与同类系统进行对比，给天棚辐射采暖供冷系统是否具有更大的节能优势下个定论。 2 天棚辐射采暖供冷系统的能量分析和火用分析 2.1能量分析
依据热力学第一定律，天棚辐射采暖供冷系统能量平衡式为：
E1?Es?E2?Q E1：输入工质焓值，kJ； E2：输出工质焓值，kJ；
Es：收益能，kJ；
Q：热量损耗，kJ。
因为天棚辐射采暖供冷系统中在埋管楼板上面加设导热系数很小的保温板，再加上地面装饰层的保温效果，所以热量损耗项Q可忽略不计，因此能量效率为：
??收益能EsE1?E2＝＝＝100％
支付能E1E1由此可见能量分析得出的结果为该系统用能效率为100％，即使在实际情况中热量损耗
存在的情况下，系统用能效率也有90％多。 2.2 火用分析
依据热力学第一、二定律，天棚辐射采暖供冷系统火用平衡方程式为：
Ex1?Exs?Ex2?Exq?L
Ex1：输入工质的焓火用，kJ；
2
Ex2：输出工质的焓火用，kJ； Exs：收益火用，kJ； Exq：损失的热量火用，kJ；
L：火用损失，kJ。
同样是因为天棚辐射采暖供冷系统中在埋管楼板上面加设导热系数很小的保温板，同时还有地面装饰层保温隔热效果的缘故，在此不计损失的热量火用。在天棚辐射采暖供冷系统中，我们近似认为埋管进出口压力相等P1＝P2，所以因为摩擦生热不可逆过程造成的火用损失L，也忽略不计。所以系统火用平衡方程式简化为：
Ex1?Ex2?Exs
由此可见，收益火用为输出工质与输入工质的焓火用之差，所以单位质量工质的收益火用为：
exs?ex1?ex2?(h1?h0)?T0(s1?s0)?(h2?h0)?T0(s2?s0)?(h1?h2)?T0(s1?s2)?cp(T1?T2)?cpT0lnT1T2【2】
其中P1：埋管进口侧压力，Pa；
P2：埋管出口侧压力，Pa；
T0：室内设计温度（夏季：26℃，299K，冬季：20℃，293K）； T1：进口处水温，K；
T2：出口处水温，K； h1：进口处水的焓值，kJ/kg； h2：出口处水的焓值，kJ/kg； h0：水的环境状态焓值，kJ/kg； ex1：进口处单位质量水的焓火用，kJ/kg；
ex1＝cp(T1?T0)?T0cplnT1T0【4】
；
ex2：出口处单位质量水的焓火用，kJ/kg；
3
ex2＝cp(T2?T0)?T0cplnT2T0【4】
；
Cp：水的比热，4.19kJ/(kg?K)；
?ex：火用效率。
夏季天棚辐射供冷系统供水温度20℃，回水温度22℃，冬季天棚辐射采暖系统供水温
【】
度28℃，回水温度26℃7，所以夏季工况：
T12934.19?(293?295)?4.19?299?lnT2295?55.8％， ?ex＝?T293cp(T1?T0)?cpT0ln14.19?(293?299)?4.19?299?ln299T0cp(T1?T2)?cpT0ln冬季工况：
T13014.19?(301?299)?4.19?293?lnT2299?43.5％ ?ex＝?T301cp(T1?T0)?cpT0ln14.19?(301?293)?4.19?293?ln293T0cp(T1?T2)?cpT0ln由此可见，在能量效率近乎100％的情况下，火用效率却仅为55.8％和43.5％，天棚辐射
采暖供冷系统的能质依然有被挖掘的潜力，火用分析更能反应用能的实质性问题。 3 提高天棚辐射采暖供冷系统火用效率方法的探讨
通过对天棚辐射采暖供冷系统的能量分析和火用分析，我们发现在供水温度T1一定的情况下，出水温度T2与?ex之间存在着下面的函数关系：
?ex?T1?T0lnT11T?T2?0lnT2???(夏季,20?t2?26)（冬季,20?t2?28)
（其中：??T1?T0?T0lnT1） T0(夏季,20?t2?26)（冬季,20?t2?28)
?ex'?11(T0?T2)?(t0?t2)?T2?T2所以火用效率随埋管出口侧水温变化曲线如下图所示
10.80.60.40.2020222426埋管出口侧水温（℃）28夏季工况 (t1=20℃)冬季工况 (t1=28℃)Yong效率图2
4
由此可见，埋管出口侧水温t2越接近室内设计温度t0，火用效率越高，但随着埋管出口侧水温t2的变化，进出口温差?t将会增大，对于任一给定的采暖供冷负荷Q，管中水流速v将会降低，水中气泡将会在管中积聚，对换热产生不利的影响，同时水流速如果太高，沿程阻力就会很大，需要水泵压头会很高，噪声很大。一般对天棚辐射采暖供冷系统管中水流
【】
速的要求为0.25m/s～0.5m/s3，以保证消除上述弊端。针对不同的设计负荷Q，为保证楼
【】
板温度的均匀性，室内环境的舒适性，供回水温差也不宜太大，一般3～5℃3，因此火用效率不可能取到最大值100％，必然将存在着一个界限。
【】
顶棚辐射采暖供冷量所占总冷量的份额一般为75％～80％，在此取75％6。 管径按照表格中规格选取。
【】
表1 聚丁烯（PB）管材规格系列表5 公称外径De 16 20 25 外径偏差（mm） +0.3 0 +0.3 0 +0.3 0 夏季工况10.950.90.850.80.750.70.650.620406080100室内设计冷负荷指标（W/m2）120壁厚（mm） 基本尺寸 2.2 2.8 2.3 偏差 +0.4 0 +0.4 0 +0.4 0 长度（m） 注 盘状L＝60m PE套管De25 盘状L＝60m PE套管De30 盘状L＝30m PE套管De34 夏季工况5.5供回水温差（℃）54.543.532.5220406080100120室内设计冷负荷指标（W/m2）Yong效率公称外径DE16公称外径DE20公称外径DE25公称外径DE16公称外径DE20公称外径DE25
图3 图4
冬季工况10.950.90.850.80.750.70.650.620406080100室内设计热负荷指标（W/m2）1205.5冬季工况供回水温差（℃）54.543.532.5220406080100120室内设计热负荷指标（W/m2）Yong效率公称外径DE16公称外径DE20公称外径DE25公称外径DE16公称外径DE20公称外径DE25
图5 图6
工程设计中建议按照图5、图6曲线选取供回水温差，当室内设计负荷指标一定时，选用对应的供回水温差，即选择了火用效率的最大值时对应的供回水温差。
夏季室内设计参数为26℃，相对湿度60％，对应的露点温度17.6℃，天棚顶板温度应
【】
高于室内空气露点温度1～2℃1，即大于19.6℃，而供水温度为20℃，所以设计工况下运行时，没有结露问题,特殊情况可通过自控装置调节。
5
4 结论
（1）通过能量分析和火用分析得出结论，冬夏均采用2℃的供回水温差，系统火用效率很低。 （2）通过对火用效率计算公式的理论分析，得出影响火用效率的关键因素为埋管出口侧水温，根据不同室内设计负荷，确定出火用效率最优时对应的供回水温差的数值，绘成曲线，以供设计参考。
（3）与优化前的系统火用效率进行比较，天棚辐射采暖供冷系统的火用效率有了明显提高，该技术经过优化设计之后，提高了能源利用的效率，充分挖掘了其节能潜力。 参考文献
[1]闫全英,齐正新,王威.天棚辐射供冷系统换热过程的研究.建筑热能通风空调，第23卷第6期，2004.12
[2]廉乐明,李力能,吴家正,等.工程热力学.中国建筑工业出版社，2003.8 [3]王子介.低温辐射供暖与辐射供冷.机械工业出版社，2004.6
[4]李廷贤，刘艳华.低温热水地板辐射采暖的火用分析.节能技术，第22卷第126期，2004.7 [5]上海市工程建设标准化办公室.建筑给水聚丁烯（PB）管道工程技术规程，2001.5 [6]张行周，王浚.置换通风和冷却顶板相结合的空调系统.流体机械，第30卷第1期，2002 [7]宋玲，赵洪明.柔和式天棚制冷采暖系统.山东建筑，第2期，2002
6