毛细管换热技术---- 低火用技术理论下的节能潜力与手段

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开思拓空调系统技术有限责任公司与苏州科技学院产学研相结合，对低火用理论的相关基本概念和基于低火用理论的毛细管技术做了较为详细的研究。小温差换热是毛细管换热技术的热力学基本特征。通过降低热水供水温度、提高冷冻水供水温度，提高了锅炉、冷机和热泵的工作效率。本文的理论分析和低火用建筑实例表明毛细管换热技术的研发与应用为充分利用低火用能源开辟了新的途径。随着该技术的不断完善与大力推广，必将成为我国实现节能减排的最有效手段之一。   关键词： 毛细管 毛细管换热 低火用技术
  在世界能源短缺和区域经济快速发展的今天，各种节能理论和技术层出不穷， 其中低火用理论及其应用技术不断完善， 并引起越来越多的人们的注意。开思拓空调系统技术有限责任公司（开思拓）与苏州科技学院产学研相结合，对低火用理论的相关基本概念和基于低火用理论的毛细管技术做了系统的研究。本文将对适用于低火用理论的毛细管技术以及应用实例做如下介绍。        一、低火用理论简介   众所周知，火用的概念源于热力学对热变功的描述。由热力学 第二定律得知：热力循环过程中，热能不可能百分之百地转变为机械能。其中，可以最大转化为机械能形式的那部分热能称为火用，而无法转化为机械能形式的那部分热能称为火无。因此，电能可以被看作为100%的火用，而与环境温度相同的水则可以被看作为100%的火无。 下面讨论一下两个系统含有相同的能量但具有不等量的火用。一个是12V、2.3Ah的蓄电池，另一个是盛有1kg、43 ℃的热水锅。这两个系统所具有的能量是同等的，都是100kJ。但是，这个蓄电池所拥有的能量可以视同为100%的火用，可以进行几乎所有形式的能量转换。而那锅热水所拥有的能量中可视为火用的部分只有8%，即8kJ。因此，人们通常将电能称为高品位能量，而将热能称为低品位能量。另外，同等能量不同温度的水其火用也不相同。比如0.3kg，100℃的热水同样具有100kJ的能量，但所拥有的火用为27%，即27kJ。几种形式的能量的火用对比见表1。   表1：几种形式的能量的火用对比

能源形式 能量 kJ 火用kJ 火用% 蓄电池 100 100 100 热水@100℃ 100 27 27 热水@43℃ 100 8 8

     以上计算是以环境温度20℃为计算基准。在讨论能量转换和利用时，衡量能量品位高低不是能量的绝对拥有量，而是能量中所含火用的比例。正因为如此，人们将接近环境温度的热能称为低火用能源，如海水，地热，低温废热，地道风等。相应地，将允许使用低品位能源来供热和制冷的系统称为低火用系统。利用低火用系统实现供热和空调的建筑称为低火用建筑。相应的技术则称为低火用技术。 二、低火用技术下的建筑节能前景 维持建筑物适当温度所需的能量，绝大部分可使用称为“低火用”的能量，即已无法进行能量形式转换的各类自然冷、热源（太阳能、地热、江河湖海水等）。而维护建筑物所需要的必须的“火用”（输送冷、热介质的水泵、风机等）根据国外文献提供不超过15%。也就是说85% 的供热空调能耗是可以节省下来的。它们是可以通过各类廉价甚至是免费的方式得到的。 根据2004年中国能耗统计，建筑能耗为8610亿 kWh/年。其中70%为供热空调能耗，即6140亿 kWh/年。如果按其中的85%可以采用廉价或免费能源计算，则每年有5220亿 kWh高品位能源节约空间。如果平均电价为0.5元/kWh，则相当于年节约2610亿元。按每1吨标煤能发2777 kWh电计算，则相当于每年约约2亿吨标煤。按中国2005年统计数字，全国一次能源产量为20.6亿吨标煤，则节约空间占一次能源产量的10%。 从减排角度看待该技术的潜力，按每吨标煤排放2.6吨二氧化碳计算，则每年减少二氧化碳排放量5.2亿吨。按国家“十一 · 五”计划，2010年全国一次能源产量为27亿吨标煤，而建筑能耗预计上升为12000亿KWh/年，则节约空间为同比2.7亿吨标煤，二氧化碳排放量减少7.0亿吨。 三、毛细管换热技术 2000年以来，在德国兴起的毛细管换热技术不仅在欧美国家受到越来越多的建筑师和暖通工程师的青睐，而且在我国建筑业正在引起越来越大关注。开思拓率先将德国毛细管专利技术引入国内，结合我国不同地区气象条件和建筑特点，研制开发出辐射换热、重力循环、相变蓄能及各种换热组合的毛细管换热技术。其原理就是基于小温差、大流量的低 技术。迄今为止，比较成熟和具有开发潜力的毛细管换热技术有：

1. 以辐射为主的毛细管网栅换热技术

毛细管网栅是采用3.4×0.55 mm 或4.3×0.8 mm 的PP-R塑料毛细管组成的间隔为10 mm – 30 mm 的网栅，犹如人体中的毛细血管，起到着分配、输送和搜集液体的功能。以超大的换热面积来降低换热温差。所以即使在热交换表面和室内空气之间温差非常小的情况下也能进行很大的能量交换。

2. 毛细管重力循环空调柜

由德国毛细管技术的创始企业Clina公司与中国合作伙伴开思拓空调系统技术有限公司共同研发出新一代毛细管空调技术，即毛细管重力循环空调柜专利技术。它的主要特点是：1）具有除湿功能，解决了毛细管辐射末端的结露问题；2）换热量大，由于采用了对流换热技术，使单位面积的毛细管网栅的换热量提高了将近3倍；3）不需要额外的新风处理系统，充分发挥了毛细管技术的节能潜力；4）毛细管重力循环技术的应用不受地区限制，对高温高湿地区应用效果更为理想。

3. 相变蓄能技术

根据毛细管换热强，占地小的特点，开思拓发明了一种毛细管蓄能罐专利技术。蓄能罐主要是由毛细管、相变蓄能材料和罐体构成。在供暖季节，蓄能罐白天存储太阳能，夜晚供热。在夏季，蓄能罐白天吸收空调房间的热量，降低房间温度，夜晚对蓄能罐进行自然冷却。基于塑料毛细管的耐腐蚀性能，这种蓄能装置可以很好地利用经济性好，但对装置耐腐蚀性能要求高的各类无机镶边材料。

4. 毛细管海水冷却器

德国Clina公司提供了毛细管能量收集器专利技术。毛细管集热器是用防腐PP-R塑料制成。因此，研制毛细管海水能量收集器，不仅可以解决海水腐蚀问题，而且为海水冷却技术的发展开辟了一条新的道路。   四、低火用建筑应用实例 开思拓与Clina公司合作，全面使用自主知识产权的毛细管供热空调设备和相关技术为上海某建筑设计院办公楼设计和安装了全套的低 供暖空调系统。该办公楼共四层附加一层地下室。总建筑面积6258平米。其中供暖空调面积4000平米。 该供暖空调系统的组成和特点如下： 1.      一套独立的毛细管网栅辐射换热系统； 2.      一套独立的毛细管重力循环换热系统； 3.      附加的毛细管冷筒系统； 4.      无动力新风自动调节系统； 5.      热泵内置式热回收新风机组 6.      两套独立的、适用于毛细管技术的模块化风冷热泵系统，总容量240kW，压缩机功率70kW； 7.      空调末端温、湿度自动控制 该套系统供热时系统内水温只需30-45 ˚C的低温热水。制冷时冷水循环水温为16-19˚C左右。由此可见，冬季降低了热水供水温度，夏季提高了冷冻水供水温度。这样提高了锅炉和制冷机的效率，降低了系统运行能耗。据初步估算该系统可节约电能15%至20%。夏季高峰用电节约15kW左右。全年节电大约58,000kWh。   五、结论 毛细管换热技术的研发与应用为充分利用低火用能源开辟了新的途径。随着该技术的不断完善与大力推广，必将成为我国实现节能减排的最有效手段之一。