輻射吊頂供冷加獨立新風系統的設計及控制策略

易伶俐,孫婷婷

(1.深圳機械院建筑設計有限公司,深圳518000;2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,哈爾濱150001)

1 概述

輻射吊頂供冷起源于20世紀50年代,經過二十多年的研究和發展逐漸在歐洲、美國、大洋洲等地區得到推廣和應用。輻射吊頂供冷的應用領域也逐漸從單一的住宅建筑拓展到商業建筑。輻射吊頂供冷加置換通風系統由于其結露問題、冷卻頂板冷輻射能力問題及一次投資問題逐漸被輻射吊頂供冷加獨立新風系統所取代。2002年,輻射吊頂供冷加獨立新風系統憑借舒適、節能等優點,被美國能源部列為美國當今和未來最具優勢的15項暖通空調節能技術之一[1]。國內外學者對輻射吊頂供冷加獨立新風系統也進行了深入的研究。University of Pennsylvania的Mumma教授通過實驗和模擬指出輻射冷吊頂加獨立新風系統比輻射冷吊頂加置換通風系統節能10%,比單純用輻射冷吊頂系統節能15%[2]。湖南大學的殷平通過工程實例分析了采用輻射吊頂供冷加獨立新風系統房間內的熱濕平衡,結果表明輻射吊頂供冷加獨立新風系統明顯提高室內空氣品質、人體舒適感[3]。盡管國內北京、上海等地輻射吊頂供冷加獨立新風系統得到了應用,但是由于室內溫度、濕度對地輻射吊頂供冷加獨立新風系統的影響很復雜,系統的運行和控制需進一步加強。

2 輻射吊頂供冷+獨立新風水系統的形式

輻射吊頂供冷+獨立新風水系統有三種供水方式:第一種,新風機組和輻射吊頂水路串連,制冷機先供水給新風機組,然后為輻射吊頂供冷,如圖1所示;第二種,制冷機同時為新風機組和輻射吊頂并聯供水,如圖2所示;第三種,新風機組和輻射吊頂獨立供水,如圖3所示。

由于第一種方式水的流量控制難度大,難以準確控制輻射吊頂的進水溫度,實際運行時較少選用這種系統。第二種供水方式是采用板式換熱器把制冷機組產生的低溫冷水轉換成高溫冷水,輻射吊頂利用轉換的高溫水制冷,減少了結露的危險。第三種方式采用了兩組制冷機,設備的初投資會有所增加,但是與第一種和第二種供水方式相比在控制和節能方面都相對優越。當輻射吊頂和新風機組獨立供水時,高溫制冷機組性能系數大大提高,發揮了節能優勢。高溫機組與低溫機組獨立運行,系統的自動控制也得以簡化。

圖3 新風機組和輻射吊頂水路獨立供水示意圖

3 輻射吊頂供冷+獨立新風控制流程

由于輻射吊頂供冷+獨立新風系統換熱方式的不同,它與對流空調系統在運行和控制上差別很大。輻射吊頂供冷+獨立新風系統主要是通過吊頂輻射頂板輻射來消除室內顯熱負荷,通過新風系統來消除室內潛熱負荷及部分顯熱負荷。系統運行時既要滿足室內溫度的穩定和室內的舒適要求,又要解決和地面結露問題。影響輻射吊頂供冷+獨立新風系統的因素很多,包括了供回水溫度、太陽輻射、室內人數、建筑結構等。為了保證輻射吊頂供冷+獨立新風系統有效地運行,必須對這些參數進行嚴格的控制,并且制定合理的控制流程。

對于采用輻射吊頂供冷+獨立新風系統的空調房間,新風與輻射板水管閥門的開啟流程如圖4所示。開啟信號輸入時,新風首先開啟,為房間除濕,接下來輻射板水管閥門開啟。

當室內溫度與設定值相比較高時新風風量加大,輻射板供水水溫降低。當探頭檢測到外窗開啟室內濕度上升時,新風風量加大,輻射板供水水溫升高。必要時采取報警措施,強制關閉水管閥門。當系統輸入關閉信號時輻射板水管閥門首先關閉,其次新風關閉,保證室內較低的相對濕度,減少結露的危險。

圖4 空調房間控制流程示意圖

4 輻射吊頂供冷加獨立新風系統的設計要點

4.1 輻射吊頂盤管內冷凍水水溫的控制

在輻射吊頂供冷加獨立新風系統運行時,控制的難點主要是室內空氣結露,控制輻射吊頂供水溫度是解決方案之一。當輻射吊頂供水溫度高于其室內空氣露點溫度,就可以避免結露。

在空調設計時,室內空氣溫度和相對濕度是一定的,但是在實際運行中,夏季室內溫度在23.5～28℃之間變動,相對濕度在40%～89%范圍內變動,因外界環境溫濕度的改變而發生改變。因此,在實際運行中,室內空氣的露點溫度是一個變數,應進行實時的監控檢測。輻射吊頂盤管內供水溫度的設定也應隨著露點溫度的改變而發生相應的變化。當供水溫度達到設定的下限時,機組的供水溫度提高。

4.2 室內溫度與濕度探頭及報警裝置的設定

輻射吊頂供冷加獨立新風系統影響因素較多,在人員頻繁進出房間或者較大面積開啟外窗、外門的情況下,將會引起較大的室內空氣溫濕度變化,為了使系統正常有效地運行,必須在室內設定有效地溫濕度探頭。

室內溫濕度探頭一般設置三個點,位置如圖5所示。探頭1設于房間外門頂棚,距離外墻水平距離300～400mm,探頭2設于房間中間的頂棚,探頭3設于靠近窗戶的頂棚,距離窗戶水平距離300～400mm。

當探頭測試到門或者窗戶開啟時,新風風量加大,室內保持正壓,阻止室外空氣進入室內,并調節輻射板的供水溫度,使其維持在比室內空氣露點溫度高0.5～2℃[4]。必要時發出警告,告知住戶或者客人關閉,門或者窗。當警告得不到回應或者室內的濕度超過限值時,強制關閉冷凍水,避免結露的危險。

圖5 室內溫濕度探頭布置圖

4.3 末端風機的設計

常用的空調系統如風機盤管加新風、全新風系統等,空氣經處理后直接送入室內,末端設置調節閥或者電動閥調節空氣量。

由于輻射吊頂供冷加獨立新風系統室內除濕全部由新風承擔,新風的輸送不僅到關系室內的舒適,而且是避免室內結露的有效措施,合理的設計新風系統及系統控制策略是關鍵。

在空調設計時,各送風末端設置小變頻風機。風機的風量根據探頭的測試結果調節新風量,保證室內的舒適度及系統的正常運行。

4.4 建筑材料的選擇

建筑的圍護結構包括墻體、屋面、門窗和地面等,圍護結構的保溫隔熱性能的高低,對輻射吊頂供冷加獨立新風系統供冷的影響很大。外圍護結構傳熱系數小的建筑,外環境對內環境的影響相對較小,有利于系統的控制。窗戶的密封性更是輻射吊頂供冷加獨立新風系統嚴格控制的指標之一。

輻射面的材料對輻射供冷有一定影響。導熱系數小的材料,導熱延遲時間較長,表面溫度降低速度慢,不會立即出現結露,這段緩沖時間可以通過系統的調節來防止結露,研究表明采用導熱系統較小的材料可以降低地板表面結露[5]。

材料的光滑度也是影響結露的因素之一,根據文獻研究表明表面光滑的材料結露主要發生在表面,對內部結構不會產生太大的影響,然而對于粗糙的表面,容易在材料的內部形成結露,對材料具有破壞性。輻射板板的材料應采用超疏水表面技術,超疏水表面材料的冷輻射板可以避免空調冷表面凝露。

5 總結

本文介紹了輻射吊頂供冷+獨立新風水系統的形式,并對設計和控制要點進行了總結。

(1)系統運行時采用合理的控制流程避免結露危險。

(2)在空調設計中,室內空氣的露點溫度是一個變數,應進行實時的監控檢測。輻射吊頂盤管內供水溫度的設定也應隨著露點溫度的改變而發生相應的變化。

(3)合理布置溫濕度探頭。

(4)新風送風末端設置變頻風機保證新風的輸送。

(5)選擇傳熱系數小的維護結構。輻射面的材料應導熱系數小,且具有疏水性。

[1] Stanley A.Mumma.Chilled ceilings in parallel with dedicated outdoor air systems addressing the concerns of condensation,capacity,and cost[J].ASHRAETransactions,2002,108(2):1-12

[2] Stanley A.Murnma.Ceiling panel cooling systems[A].ASHRAE Journal[C],2001,43(11):1-5

[3] 殷平.獨立新風系統 (DOAS)研究(2):設計方法[J].暖通空調,2004,34(2):37-43

[4] 孫麗穎,馬最良.冷卻吊頂空調系統的設計要點[A].全國暖通空調制冷 2000年學術年會論文集 [C],2000:659-662

[5] 李常河,永安.板輻射供冷系統地面溫度的確定[J].建筑技術,2005,(2):94-95