金屬微孔頂板輻射空調系統運行測試與分析

陳遠平李燦*明錦

1 湖南工業大學土木工程學院

2 湖南省建筑節能與環境控制關鍵技術協同創新中心

金屬微孔頂板輻射空調系統運行測試與分析

陳遠平1，2李燦1，2*明錦1，2

1 湖南工業大學土木工程學院

2 湖南省建筑節能與環境控制關鍵技術協同創新中心

為深入了解某圖書館閱覽室金屬微孔頂板輻射空調系統的能耗及室內空氣品質情況，通過對該空調控制系統終端運行數據進行采集，得出該空調系統冬、夏工況下的空調運行負荷及閱覽室CO2濃度，并進行了計算與經濟分析。結果表明，該空調系統實際運行相對傳統空調系統節能，投資回收期為9年。測試發現閱覽室空氣品質沒有達到設計標準，CO2濃度總體基本維持在720ppm～860ppm之間，分析是新風量不足所導致，提出了相應的改善措施。

金屬微孔頂板輻射空調系統 經濟性 空氣品質

輻射式空調作為一種新型的空調系統，是指通過降低或者提高圍護結構表面的溫度，形成冷（熱）輻射面，利用輻射面與人體及其他物體間的輻射熱交換，調節室內溫度。其具有良好的熱舒適性、優越的節能性、噪聲影響較小及安裝方便等巨大優勢[1]。近年來，一種新型的空氣載能型輻射空調系統發展起來，與常規輻射空調的區別主要是載冷（熱）的介質由水改為空氣，但是，關于空氣載能型輻射空調的相關研究與實踐不足[2～3]，因此，利用已建成的實際工程案例進行全面實時監測與分析總結，為全面推廣應用做技術支撐，就顯得非常必要。本文選取株洲市某圖書館閱覽室金屬微孔頂板輻射空調系統作為測試研究對象，通過現場實測的數據分析其節能特性和空氣品質情況，以期為同類工程提供經驗。

1　測試對象及結果

1.1工程概況

該空調系統安裝于該圖書館四樓的一個面積為520m2的獨立閱覽室內，屬于空氣載能型輻射空調的一種形式，通過風機盤管將冷（熱）風送至頂棚內，與微孔頂板換熱后大部分返回風機盤管，冷（熱）頂板再與室內進行輻射換熱，頂棚內小部分空氣在壓力差作用下可以從頂板的微孔中滲漏出流，增加與室內空氣對流作用并吸收室內余熱余濕,同時新風機組送入新風，改善室內空氣品質，其工作原理示意如圖1所示。

圖1　微孔頂板輻射空調系統運行原理示意圖

由于空調系統處于調試試驗階段，此閱覽室并沒有投入使用，但是長期與其他正常使用的閱覽室通過門連通，使得此閱覽室積累了一定濃度的CO2。頂板多孔輻射空調能否在一定的時間內有效地降低室內CO2濃度且運行節能，需要進行運行經濟性分析和CO2測試與分析，為金屬微孔頂板輻射空調系統的優化設計與研究提供參考。

1.2測試原理與方法

根據株洲市實時氣象條件，確定冬季工況具體測試時間為2014年1月7日～2014年1月8日，夏季工況具體測試時間為2014年6月4日～2014年6月5日。該空調系統每日實際運行時間段為08:00～17:00，選取的測試時間段為09:00～16:00。測試期間，關閉所有的門窗，記錄有關參數的初始數據，開機后，每半個小時記錄一次。

測試參數有送回風溫濕度、供回水溫度、水流量及閱覽室CO2濃度，通過空調系統參數監控系統軟件讀取，再根據讀取參數計算出空調運行負荷。

空調末端的冷（熱）量，可按空氣側或冷凍（熱）水側進行測量與計算，且空氣放出的熱量按式（1）計算：

式中：Q1為空調末端冷（熱）量，kW；L為風量，m3/s；ρ為空氣密度，計算時取值1.2kg/m3；△i為空氣焓差，kJ/kg，可按式（2）、式（3）計算[7]。

式中：d為對應于1kg干空氣的濕空氣中所含有的水蒸氣量，kg/kg·干；Pq為濕空氣的水蒸氣分壓力，Pa；B為大氣壓，Pa；Pq.b為空氣在相應溫度下的飽和水蒸氣分壓力，Pa；φ為濕空氣的相對濕度，%；i為空氣焓值，kJ/kg；cp.g為干空氣的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，常溫下cp.q=1.005kJ/(kg·K)，近似取1或1.01kJ/(kg·K)；cp.q為水蒸氣的比定壓熱容，在常溫下cp.q=1.84 kJ/(kg·K)。

冷熱源機組供給微孔頂板輻射空調末端的冷（熱）量可按式（4）計算。

式中：Q2為冷熱源機組供空調末端的冷（熱）量，kW；C為冷凍（熱）水的比熱容，J/(kg·℃)；ρ為水的密度，kg/m3；G為空調水流量，m3/s；△t為供回水溫差，℃。

1.3能耗測試結果

冬季工況、夏季工況（分別以2014年1月8日、2014年6月5日的監測數據為分析依據）下閱覽室送回風的焓差及供熱（冷）量變化數據統計于表1。

表1　送回風的焓差及供熱（冷）量變化數據

當天室內環境參數與設計條件一致，室外氣象條件接近設計值，閱覽室設計熱負荷為30.3kW，設計冷負荷為72.8kW，從表1可見，供熱（冷）量正常?？紤]室外氣象參數的波動及測量誤差，表明該系統能耗可達到原設計目標。

1.4CO2濃度測試結果

利用微孔頂板輻射空調遠程控制系統終端對閱覽室內CO2濃度進行監測記錄。因2014年1月7日與8日、2014年6月4日與5日的CO2濃度變化都幾乎一樣，所以分別選取2014年1月8日、2014年6月5日的監測數據作為代表進行分析，如圖2所示。

由圖2可知，冬季工況CO2濃度全天在720～860ppm之間；夏季工況CO2濃度在720～820ppm之間。高于設計值500ppm甚遠，說明通風效果較差。

圖2　閱覽室CO2濃度監測結果

2　結果分析

2.1經濟性比較

金屬微孔頂板輻射空調系統的末端——多孔金屬輻射板單位面積造價為150元/m2，普通全空氣中央空調系統風管單位面積造價80元/m2。兩種空調系統其他部分相同的情況下，金屬微孔頂板輻射空調系統初投資相對傳統中央空調系統多36400元。

株洲市電價為0.8元/kWh。按照當室外空氣溫度大于28℃時開始供冷，室外空氣溫度小于12℃時開始供暖的設定計算空調系統全年冷熱耗量如下：根據株洲市標準年氣象數據，全年供熱1379h，供冷1117h。根據文獻[1]，該閱覽室空調方案設計，金屬微孔頂板輻射空調系統年供冷總負荷為66736kW，年供熱負荷為44999kW。制冷工況能效比為6.11，制熱工況能效比為4.89。則夏季運行費用為66736×0.8/6.11=8738元，冬季運行費用為44999×0.8/4.89=7362元，年總運行費為16100元。傳統空調系統年供冷總負荷為78198kW，年供熱負荷為53039kW。制冷工況能效比為5.43，制熱工況能效比為 4.89。則夏季運行費用為 78178× 0.8/5.43=11518元，冬季運行費用為53039×0.8/4.89= 8677元，年總運行費為20195元。綜上可知金屬微孔頂板輻射空調系統相對傳統空調年運行費少4095元。按照動態回收計算等額年金，可由式（5）表達[4]。

式中：A為等額年金，元；P為初投資，元；i為年利率，一般按5.1875%計；n為計息期數。

通過上述分析，可知A=4095元，P=36400元，由此可以算得n≈9，因此，系統動態投資回收期為9年，有較好的應用前景。

2.2通風效果分析

從閱覽室空調系統的風道原理看，分析室內通風效果差的原因，可能是新風因通過過濾器進風機阻力較大，回風不通過過濾器進風機阻力小，因此在室內無機械排風的情況下，不能確保設計的新風量進入室內所致。

為進一步驗證上述原因，對實際新風量進行估算。冷熱（凍）水側熱量得失等于新風側新風熱量得失，如式（6）所示，通過計算冷熱（凍）水側供熱（冷）量，算得冬、夏季工況下新風負荷，如圖3所示。

式中：L為頂板多孔對流輻射空調新風量，m3/s；ρ1為空氣密度，計算時取值1.2kg/m3；△i為空氣焓差，kJ/kg；C為冷凍（熱）水的比熱容，J/(kg·℃)；ρ2為水的密度，kg/m3；G為空調水流量，m3/s；△t為供回水溫差，℃。

圖3　新風負荷變化示意圖

由圖3可知，冬季工況下的新風負荷在5kW至10kW之間，11點后室內溫度升至設置溫度18℃，此時室外溫度為6.2℃，熱負荷維持在6kW左右；夏季工況下的新風負荷在11kW至18kW之間，12點后室內溫度降至設置溫度27℃，此時室外溫度為29.7℃，冷負荷，維持在12kW左右。根據文獻[1]，相同的室內外參數時，閱覽室空調新風負荷設計值如表2。

表2　閱覽室空調新風負荷設計值

根據表2，供熱新風負荷設計值為31.44×520=16.3kW，實測負荷為6kW，僅為設計值36.8%；供冷新風負荷設計值為117.55×520=24kW，實測負荷為12kW，僅為設計值的50%。忽略室外新風相對濕度的變化，由式（6）可知實際新風量不足，夏季實際新風量只有設計值的一半，冬季僅為設計值的三分之一，導致室內空氣品質差。

2.3改進措施

針對新風量不足問題，通過機械排風，減小室內壓強，使得新風能夠順利進入室內，改善室內的空氣品質，如圖4所示。并且利用全熱交換機將排風與新風進行熱交換，熱回收循環利用，減少能量損失。

圖4　改進空調系統原理圖

3　結論

通過空調控制系統終端運行數據對該空調系統的冬、夏工況下的空調運行負荷及閱覽室CO2濃度進行分析，得出如下結論：

1）閱覽室微孔頂板輻射空調系統冬夏季能耗均低于常規空調系統，其動態投資回收期為9年，有較好的應用前景。

2）現有系統實際新風量送入不足，導致CO2濃度遠高于設計值500ppm，應采取措施增加實際供入閱覽室的新風量才能保障室內空氣品質。

[1]劉勝酉.夏熱冬冷地區閱覽室輻射空調系統研究[D].湖南:湖南工業大學,2013

[2]王晨光,馬小飛.言樹清.輻射空調系統的發展研究現狀綜述[J].建筑熱能通風空調,2014,33(5):47-49

[3]龔光彩,楊厚偉,蘇歡.空氣載能輻射空調末端系統輻射傳熱簡化算法研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2013,40(12):31-38

[4]黃有亮,徐向陽,談飛.工程經濟學[M].南京:東南大學出版社, 2006

Test and Analysis of the Micro-porous Metal Roof Radiation Air Conditioning System Operation

CHEN Yuan-ping1,2,LI Can1,2*,MING Jin1,2
1 School of Civil Engineering,Hunan University of Technology
2 Collaborative of Innovation Center,Hunan University of Technology

To investigate the energy consumption of the micro-porous metal roof radiation air conditioning system operation and indoor air quality in a library reading room,the concentration of CO2in the reading room was acquired through test experiment and the air conditioning operation load in winter and summer conditions was calculated.Then, by studying on energy saving of this system and economic analysis,it came to the conclusion that the air conditioning system provides superior performance on energy saving compared with traditional air-conditioning and its investment payback period is 9 years.Test indicated that the CO2concentration in the reading room remained a high level a high level from 720 ppm to 860 ppm which was not up to standard for lacking of fresh air.Relevant measures were proposed to improve such conditions.

the micro-porous metal roof radiation air conditioning system,energy consumption,indoor air quality

1003-0344（2015）06-005-4

2014-9-15

李燦（1968～），女，教授，博士；湖南株洲湖南工業大學土木工程學院（412007）；E-mail:lc19992@126.com

湖南省自然科學基金項目（13JJ9015）