輻射空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化建議

池鴻鷗

（歐陸生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展（上海）有限公司，上海2000 41）

0 引言

輻射空調(diào)系統(tǒng)是一種新型的空調(diào)系統(tǒng)，最早起源于20世紀70年代的歐洲和北美，目前在國內(nèi)已經(jīng)有一定的應(yīng)用。輻射空調(diào)系統(tǒng)由輻射系統(tǒng)和置換新風(fēng)系統(tǒng)組成，利用高溫冷水作為冷媒介質(zhì)，溫濕度分別控制，因此，系統(tǒng)能耗大大減低同時營造了舒適的室內(nèi)環(huán)境。但是，這一空調(diào)系統(tǒng)在實際中應(yīng)用中也受到地域和建筑類型的限制。因此，如何改善輻射空調(diào)系統(tǒng)和擴大其應(yīng)用性，成為工程設(shè)計人員實際設(shè)計中值得考慮的問題。

1 輻射系統(tǒng)簡介

輻射空調(diào)系統(tǒng)由輻射系統(tǒng)和置換新風(fēng)除濕系統(tǒng)組成如圖1所示。其中的輻射系統(tǒng)的主要形式有混凝土樓板埋管式，毛細管席和金屬輻射冷吊頂。這3種形式都是以輻射傳熱為主，而不是對流進行熱量交換，營造出和人體舒適溫度接近的室內(nèi)環(huán)境。置換新風(fēng)系統(tǒng)是將處理后的新鮮空氣從位于房間下部或側(cè)下部的送風(fēng)口低風(fēng)速送至人員活動區(qū)域[1]。置換通風(fēng)的低風(fēng)速和高效率的特點，不僅能為室內(nèi)人員提供有效的新風(fēng)量而且能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗運行。置換新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)全部室內(nèi)濕負荷和部分顯熱負荷，而輻射系統(tǒng)僅承擔(dān)室內(nèi)顯熱負荷，實現(xiàn)了溫濕度的分別控制。所以，輻射空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境的高舒適性又節(jié)能環(huán)保。但是這一系統(tǒng)也有著局限性，主要表現(xiàn)為兩點：易結(jié)露和輻射制冷能力有限。

圖1 毛細管網(wǎng)輻射空調(diào)系統(tǒng)

1.1 結(jié)露

結(jié)露現(xiàn)象是當(dāng)周圍環(huán)境溫度高于物體表面的露點溫度的情況下，物體表面出現(xiàn)凝結(jié)水的現(xiàn)象。這是輻射空調(diào)系統(tǒng)實際工程中常會遇到的問題之一。目前，輻射空調(diào)系統(tǒng)在國內(nèi)多應(yīng)用在住宅建筑，下面以建筑面積100 m2，層高：2.8 m的住宅單元為例進行簡化分析。

空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為26℃，50%，主要參數(shù)計算如下：

（1）新風(fēng)量Q

Q=Vfn（m3/h） （1）

式中 V—體積，m3；

f—空調(diào)面積和建筑面積的比值，取0.7；

n —換取次數(shù)，h-1，根據(jù)文獻[2]取n=0.5 h-1。

則有新風(fēng)量Q=100 m3/h。

（2）人員數(shù)N

N=Q/v （2）

式中v—人均新風(fēng)量，m3/（h·人），取50 m3/（h·人），見文獻[2]。

則有人員數(shù)N=2人。

所需處理的含濕量Δd：

Δd=G/（1.2 Q）（3）

式中 G—人員散濕量，g/h，在室內(nèi)溫濕度條件下，成年男子靜坐情況下的散濕量68 kg/h[3]。

則所需處理的含濕量Δd=2.27 g/kg（干），由此可得出新風(fēng)的處理點。最后，把空調(diào)室內(nèi)設(shè)計點N，對應(yīng)露點D以及新風(fēng)處理點L體現(xiàn)在焓濕圖進行分析，詳見表1和圖2。

如圖所示，當(dāng)人員由原來2個增加至4個時，室內(nèi)濕負荷翻倍，則室內(nèi)點由N偏離到N’（26℃60%）。當(dāng)輻射系統(tǒng)設(shè)計供水溫度為16℃，低于N’的新的露點溫度17.6℃，將會發(fā)生結(jié)露。通常輻射系統(tǒng)供水溫度采用較高的18℃而不是16℃，目的是降低結(jié)露風(fēng)險，但是也引起了輻射制冷能力的降低。另一方面，采取防結(jié)露措施。工程設(shè)計中，在易發(fā)生結(jié)露風(fēng)險的地方安裝露點探頭例如靠窗位置，當(dāng)環(huán)境空氣的露點溫度高于頂棚表面溫度時，這一區(qū)域的水環(huán)路關(guān)閉。但是，即使安裝了防結(jié)露控制系統(tǒng)，瞬時的結(jié)露現(xiàn)象仍然可能發(fā)生，主要是受到系統(tǒng)響應(yīng)時效的限制。

圖2 I-D圖

表1 狀態(tài)點基本參數(shù)

除了運行階段中的結(jié)露問題，系統(tǒng)啟動階段也易出現(xiàn)結(jié)露問題。以毛細管席輻射為例，相比于混凝土樓板埋管輻射，它有著調(diào)節(jié)能力快的優(yōu)點。當(dāng)系統(tǒng)剛啟動時，室內(nèi)空氣接近室外空氣，此時開啟毛細輻射系統(tǒng)，毛細管席表面降溫較快，而新風(fēng)除濕系統(tǒng)剛啟動，因此，易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。通常的解決方法是新風(fēng)除濕系統(tǒng)先開啟對室內(nèi)空氣進行預(yù)處理。但是，實際運行效果并不好，除濕能力差并且啟動階段除濕時間過長。這是因為新風(fēng)系統(tǒng)的除濕能力是根據(jù)消除室內(nèi)余濕能力以及人員衛(wèi)生要求來設(shè)計的，并沒有考慮啟動階段預(yù)除濕能力。根據(jù)文獻[4]，如果設(shè)計時考慮預(yù)除濕量，所需新風(fēng)量將會翻倍。但是，具體實施受到建筑空間的限制。

1.2 制冷能力不足

輻射空調(diào)系統(tǒng)的另外一個主要問題是制冷能力不足。輻射面單位換熱量以輻射傳熱為主，而供回水溫度平均溫度是影響傳熱量的重要影響因素。當(dāng)供回水溫度平均溫度升高時，在相同的其他條件下，同間距同構(gòu)造，輻射面單位供冷能力下降。通常輻射系統(tǒng)的供水溫度高于室內(nèi)設(shè)計點露點溫度2℃，取16～19℃，供回水溫差采取2～3℃。以混凝土樓板埋管輻射為例，根據(jù)廠家數(shù)據(jù)顯示在同等間距同管徑的情況下，供回水溫度16℃/19℃比18℃/21℃時輻射制冷能力提高約40%。正如上文所述，為了降低結(jié)露的風(fēng)險，常常采取供水溫度提高的方法，卻大大降低了輻射系統(tǒng)的制冷能力，也會引起室內(nèi)溫度升高。

總得來說，混凝土樓板埋管管徑為20 mm，輻射制冷能力約為30～40 W/m2，而毛細管網(wǎng)管徑較細，約4 mm，同等安裝面積下有著相對高的換熱面積，輻射制冷能力約60 W/m2。因此，較之傳統(tǒng)系統(tǒng)，輻射系統(tǒng)對圍護結(jié)構(gòu)熱工性能要求更高，更適用室內(nèi)顯熱負荷不高的建筑類型，例如賓館，住宅等。

圖3 毛細管網(wǎng)重力循環(huán)柜主要形式

所以，如何改善并使這一系統(tǒng)得到更廣泛地應(yīng)用，成為設(shè)計人員在實際工程中值得考慮的問題。就此問題，筆者結(jié)合工程經(jīng)驗提出了設(shè)計優(yōu)化建議。

2 設(shè)計優(yōu)化建議

毛細管網(wǎng)重力循環(huán)柜（簡稱‘重力柜’）是毛細管網(wǎng)在重力循環(huán)空調(diào)技術(shù)下的應(yīng)用，重力柜內(nèi)設(shè)置毛細管網(wǎng)，下部設(shè)置凝水盤，基本原理是利用冷熱空氣的密度差進行重力循環(huán)。循環(huán)柜內(nèi)空氣與循環(huán)柜外的空氣存在密度差（ρin-ρout），在重力作用下產(chǎn)生驅(qū)動力（ρin-ρout）·g·h，使柜內(nèi)空氣流動。供冷工況時，室內(nèi)熱空氣溫度較高，密度較小，隨著浮力上升，由重力柜上部開口進入重力柜。之后熱空氣通過毛細管網(wǎng)換熱器被冷卻，在重力的作用沿著毛細管網(wǎng)下降，從底部的開口流出重力柜，壓向室內(nèi)擴散開來形成冷氣流，這樣室內(nèi)空氣不斷的通過重力柜循環(huán)流動，從而減低了室內(nèi)溫度，起到制冷效果。毛細管網(wǎng)重力柜的安裝方式可通過配合裝修實現(xiàn)多種形式的安裝，如圖3所示。主要從制冷能力、除濕能力和室內(nèi)環(huán)境舒適度三個方面分析重力柜的特點。

2.1 除濕能力

由于通入重力柜毛細管網(wǎng)中的冷水溫度較低，通常采用8～10℃，遠低于從上部開口處進來的室內(nèi)熱空氣的露點溫度，凝結(jié)水會在毛細管席壁面析出，并通過冷凝盤排出從而實現(xiàn)了系統(tǒng)除濕。毛細管重力循環(huán)柜除濕能力和毛細管席的片數(shù)（換熱面積）以及進水溫度有關(guān)，并隨著進水溫度的提高除濕量下降。根據(jù)廠家數(shù)據(jù)，標準重力柜標準尺寸為1000×200×2500（L×W×H），內(nèi)設(shè)置5組毛細管席，進水溫度8℃時，流量400 kg/h時，除濕量為450 g/h，如圖4所示。

圖4 標準重力柜制冷和除濕能力

2.3 制冷能力

重力柜換熱量與毛細管席的片數(shù)（換熱面積），進水溫度，柜體的高度等參數(shù)有關(guān)。金梧鳳[5]進行了毛細管網(wǎng)重力柜制冷能力的評估測試，實驗結(jié)果表明重力柜可以滿足住宅特性建筑物的夏季冷負荷。如上圖所示，夏季供回水溫度為8℃，流量為400 kg/h時，顯熱供冷量約為1.1 kW。另外，重力柜也可配置貫流風(fēng)機，風(fēng)機僅耗電幾瓦，由于增加了空氣的擾動增強了對流換熱，使得制冷制熱能力得到了顯著的提高。其它條件不變的情況下，貫流風(fēng)機風(fēng)量為500 m3/h時，顯熱供冷量約為1.4 kW，較之無風(fēng)機的重力柜顯熱制冷能力提高了30%（如圖5所示）。除此之外，新增風(fēng)機后還還可以縮短系統(tǒng)啟動時間，在系統(tǒng)運行之初除濕且滿足高峰負荷需求，而平時正常工作運行時可關(guān)閉風(fēng)機。

2.4 室內(nèi)環(huán)境舒適度

毛細管網(wǎng)循環(huán)重力柜可以提供高舒適度的室內(nèi)環(huán)境。通常認為非熱舒適性的最主要的影響因素是：垂直空氣溫差，表面輻射溫度、吹風(fēng)感，送風(fēng)溫度。研究表明，通過對重力循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)房間進行數(shù)值模擬，得到室內(nèi)風(fēng)速大多滿足小于等于0.25 m/s的要求[6]。而通過實驗分析也得出了類似的結(jié)論，指出重力柜供冷風(fēng)速平均流速為0.05 m/s，滿足ASHRAE（1992）及I S O（1994）舒適度標準[5]。除此之外，重力柜主要是通過無動力方式產(chǎn)生氣流進行循環(huán)，因此實現(xiàn)了低噪節(jié)能。

通過以上3個方面的分析，毛細管網(wǎng)重力柜可以實現(xiàn)和輻射空調(diào)系統(tǒng)有機結(jié)合，也可獨立形成空調(diào)系統(tǒng)。這一優(yōu)化方案不僅保留了原輻射空調(diào)系統(tǒng)的熱舒適性和節(jié)能性，還加強了系統(tǒng)的制冷能力并有效解決了結(jié)露問題。因此，毛細管網(wǎng)重力柜是輻射空調(diào)系統(tǒng)的一種合理的設(shè)計優(yōu)化，可以應(yīng)用在輻射空調(diào)的改造項目中，也可以在設(shè)計之初考慮，提高輻射空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用性。下面筆者結(jié)合實際案例淺析重力柜和輻射空調(diào)系統(tǒng)有機結(jié)合的可行性。

3 工程實例

圖5 標準重力柜配500 m3/h貫流風(fēng)機的制冷能力

上海地區(qū)某辦公樓為中央空調(diào)系統(tǒng)，形式為混凝土樓板埋管式輻射系統(tǒng)加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。原建筑使用功能為大空間廠房，現(xiàn)在為辦公室出租，且每層用戶結(jié)合實際需求對空間進行了重新劃分。以某層用戶的會議室和活動室為例，由于人員密度增大，出現(xiàn)了冷量不足和結(jié)露的問題，因此需要增加空調(diào)系統(tǒng)，解決問題而不破壞原室內(nèi)環(huán)境舒適度。

3.1 系統(tǒng)原理

新增空調(diào)系統(tǒng)采用了獨立的風(fēng)冷熱泵+毛細管網(wǎng)重力柜系統(tǒng)，為用戶提供輔助除濕和輔助制冷。系統(tǒng)原理如圖6所示。

3.2 設(shè)計計算

圖6 系統(tǒng)原理圖

計算新增冷負荷和濕負荷，負荷的變化主要由于人員的增加。在室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為26℃50%，則成年男子靜坐情況下的顯熱量為63 W，潛熱量為45 W和散濕量68 kg/h[3]，則活動室和會議室新增冷負荷和濕負荷見表2。

表2 新增冷負荷和濕負荷

主機供回水溫度為7/12℃，末端設(shè)備選型考慮安全系數(shù)以8℃供水溫度考慮，分別計算各房間顯熱負荷和濕負荷所需臺數(shù)，實際臺數(shù)取二者大值，結(jié)果見表3。

表3 選型結(jié)果

3.3 結(jié)論

重力柜系統(tǒng)保留了原輻射空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，還解決了冷量不足和結(jié)露的問題。另外，用戶裝修時大量使用了高隔斷以及書柜進行分隔，毛細管網(wǎng)重力柜則可替代部分裝飾分隔，不僅實現(xiàn)了空間的分隔，還有效得利用室內(nèi)空間。因此，筆者認為這一優(yōu)化方案在實際工程應(yīng)用中有著很強的可行性，也在一定程度上拓展了輻射空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

4 結(jié)語

輻射空調(diào)系統(tǒng)提供了高品質(zhì)的室內(nèi)環(huán)境又節(jié)能環(huán)保，有著傳統(tǒng)空調(diào)不可比擬的優(yōu)勢，符合未來空調(diào)的發(fā)展方向，健康，節(jié)能和人性化。但是輻射空調(diào)系統(tǒng)有著自身的局限性，因此，筆者提出了輔助重力柜這一設(shè)計優(yōu)化方案。通過理論數(shù)據(jù)和工程實踐二方面分析，這一設(shè)計優(yōu)化方案都顯示出合理性和可行性，從而進一步擴展了輻射空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使得這一系統(tǒng)具有更廣闊的發(fā)展前景。

[1]王瑋，徐文華.置換通風(fēng)和地板送風(fēng)在住宅輻射頂板空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用比較[J].制冷技術(shù)，2009，（3）：48～51.

[2]GB 5073 6-2012.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[4]唐凱，張旭，劉暢，等.輻射吊頂供冷除濕特性研究與實測分析[J].流體機械，2011，（6）：59～63.

[5]金梧鳳，鄒同華，余銘錫.毛細管重力循環(huán)供冷裝置的供冷性能研究[J].制冷與空調(diào)，2010，（10）：16～20.

[6]馬國斌，魏學(xué)孟.重力循環(huán)空調(diào)房間氣流組織的數(shù)值模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2002，（2）：40～43.