輻射供冷系統(tǒng)簡介和設(shè)計初探.doc

輻射供冷系統(tǒng)簡介和設(shè)計初探天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 王碩 田喆摘要：輻射吊頂系統(tǒng)供冷是一項新技術(shù)，其最大的優(yōu)越性在于極高的室內(nèi)空氣質(zhì)量和節(jié)能潛力。本文介紹了輻射吊頂系統(tǒng)的原理、分類和結(jié)構(gòu)形式，與一般傳統(tǒng)空調(diào)做了對比，著重指出了這種新技術(shù)的優(yōu)勢。文章的最后舉了一個例子來說明輻射吊頂?shù)脑O(shè)計方法和選型方法。關(guān)鍵詞：輻射供冷 冷梁 冷天花 設(shè)計方法 0引言輻射技術(shù)供冷起源于上世紀(jì)80年代的歐洲。到目前為止，輻射供冷已經(jīng)在歐洲的各大商場、銀行、超市得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是在德國和瑞士。輻射供冷的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)傳統(tǒng)空調(diào)傳遞熱量的介質(zhì)主要是空氣，但是空氣比熱容只有水的1/4200，在傳遞同樣熱量的條件下所需的水量遠(yuǎn)小于空氣，輻射供冷在輸配傳熱介質(zhì)上的耗能要比傳統(tǒng)空調(diào)小得多。(2)傳統(tǒng)的風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)噪音大，冷凝存在易造成細(xì)菌滋生，但輻射供冷無噪音、無冷凝水。(3)傳統(tǒng)的空調(diào)如果要想實現(xiàn)溫、濕度的同步控制，一般需要對送風(fēng)再熱，導(dǎo)致能耗增加。通常做法是犧牲溫濕度中的一項，從而影響室內(nèi)的熱舒適性。輻射供冷可以實現(xiàn)溫濕度分離控制，且輻射供冷在室內(nèi)形成的溫度梯度很小，風(fēng)速極小，達(dá)到良好的室內(nèi)舒適性。(5)隨著現(xiàn)代辦公室中電子設(shè)備的增加，房間的冷負(fù)荷也逐漸增大，由于傳統(tǒng)空調(diào)送風(fēng)溫差的限制，不得不增大送風(fēng)量，但這樣又會引起室內(nèi)風(fēng)速有超標(biāo)的危險。輻射供冷能將顯熱和潛熱分開處理，很好地解決了這個問題，因此輻射供冷有著傳統(tǒng)空調(diào)無法比擬的優(yōu)勢。但是輻射供冷在我國起步較晚，至今還未有實際場所大面積的應(yīng)用，僅僅停留在理論研究和實驗室論證階段。隨著國家提倡的節(jié)能減排政策愈來愈受到重視和人們對室內(nèi)環(huán)境要求的日益增高，輻射供冷技術(shù)在我國也會受到越來越多的重視。1.輻射供冷系統(tǒng)設(shè)備分類輻射供冷系統(tǒng)與環(huán)境之間的熱交換有輻射和對流兩種形式，根據(jù)各自所占總換熱量比例不同，通常將輻射供冷的設(shè)備分為輻射式和對流式兩種。此外，對流式供冷還可以進一步分為主動式冷梁和被動式冷梁兩種特殊形式。1.1輻射式輻射式進一步可分為樓板式和吊頂式。樓板式進而可以分為毛細(xì)管式和混凝土式。毛細(xì)管式一般使用內(nèi)徑很小的塑料管；塑料管緊密排布，供冷能力比較小，一般為4065 W/m2?；炷潦绞前阉苤苯勇袢敕块g混凝土天花樓板中，與建筑圍護結(jié)構(gòu)形成一體，它的供冷能力更小一些，大約3040 W/m2，一般用于滿足建筑基礎(chǔ)冷負(fù)荷。吊頂式具有閉式平滑表面，其輻射換熱一般占總換熱量的60%，對流換熱量占40%。它一般直接懸吊在天花板下方，有時會將吊頂板做成穿孔板，在其上敷設(shè)吸聲墊，起到吸聲的作用。吊頂式在房間垂直方向上溫度波動極小，一般在0.5K以內(nèi)，室內(nèi)形成的風(fēng)速一般不超過0.1m/s，能提供的冷量不超過100W/m2。輻射式供冷一般應(yīng)用于冷負(fù)荷不太大的場合，如辦公室、學(xué)校、銀行。輻射式供冷完全也可以用于供熱。1.2對流式1.2.1吊頂式對流式吊頂一般開有強化空氣流動的縫隙，以增強對流換熱。其對流換熱所占比例在50%以上，有時甚至可以達(dá)到70%。對流式系統(tǒng)在垂直房間高度上的溫差也很小，一般在2K以內(nèi)。對流式最大能夠提供150W/m2的冷量。與輻射式供冷相比，對流式冷天花引起室內(nèi)空氣流動的風(fēng)速稍大，但也不會超過0.15m/s。這種供冷方式應(yīng)用于冷負(fù)荷比較大的場所，如商場、超市、博物館和展覽室等場所。同樣，對流式吊頂也可用于供熱。1.2.2 冷梁冷梁與環(huán)境之間的熱交換絕大部分是通過對流進行的，對流換熱的比例可以達(dá)到90%95%。冷梁按有無一次風(fēng)通入，又可以進一步分為主動式冷梁和被動式冷梁。主動式冷梁有一次風(fēng)通入。經(jīng)過噴口的新風(fēng)以極高的速度進入冷梁，形成負(fù)壓，誘導(dǎo)室內(nèi)空氣穿過表冷器進入冷梁。主動式冷梁出風(fēng)口氣流流速比較高，不能直接布置在工作人員的正上方。根據(jù)主動式冷梁出風(fēng)口的數(shù)目可以分為單側(cè)送風(fēng)和雙側(cè)送風(fēng)。單側(cè)送風(fēng)主要敷設(shè)于房間天花板邊緣處；雙側(cè)一般布置在天花板中間。這種供冷系統(tǒng)能力比較大,可以達(dá)到620W/m，通常用于冷負(fù)荷較高的場所。主動式冷梁可以用于供熱。被動式冷梁與主動式冷梁最大的區(qū)別在于它沒有一次風(fēng)引入，完全依靠自然對流形成室內(nèi)空氣循環(huán)供冷。被動式冷梁下方氣流速度也比較大，與主動式冷梁，被動式冷梁也不能直接布置在工作人員上方。被動式冷梁供冷能力可以達(dá)到400W/m。由于被動式冷梁自身原理限制，其不能用于供熱。圖1：主動式冷梁和被動式冷梁2.輻射供冷的設(shè)計特點輻射供冷系統(tǒng)在去除室內(nèi)負(fù)荷的過程與傳統(tǒng)空調(diào)有著根本的區(qū)別。輻射供冷是把顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷分開去除；而傳統(tǒng)空調(diào)是把顯熱和潛熱同時去除。所以二者在設(shè)計方面也有著很大的差異，主要體現(xiàn)在通風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)設(shè)計上。2.1輻射供冷與獨立新風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合輻射供冷只能消除室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，潛熱負(fù)荷必須采用其它手段去除。另外，根據(jù)室內(nèi)空氣品質(zhì)和正壓排風(fēng)的要求必須向房間供給新風(fēng)。因此輻射供冷通常與獨立新風(fēng)聯(lián)合設(shè)計承擔(dān)室內(nèi)全部冷負(fù)荷。2.1.1送風(fēng)方式的選擇在送風(fēng)方式的選擇上，從原則上來說，輻射供冷可以和任意一種送風(fēng)方式相結(jié)合。從舒適性和節(jié)能性上考慮，頂送風(fēng)方式效果最好。獨立新風(fēng)由于負(fù)擔(dān)全部室內(nèi)濕負(fù)荷，機器露點溫度通常遠(yuǎn)低于常規(guī)新風(fēng)或全空氣系統(tǒng)。頂送風(fēng)方式可以實現(xiàn)低溫送風(fēng)，避免送風(fēng)再熱，節(jié)約能源。另一方面，頂送風(fēng)可以加強輻射供冷板表面附近空氣的擾動，強化了換熱，提高輻射供冷板的供冷量。置換通風(fēng)與輻射供冷互補性很強。輻射供冷可以消除置換通風(fēng)形成的垂直溫差，而輻射供冷需要置換通風(fēng)高效的換氣效率。但是置換通風(fēng)送風(fēng)溫差較小。使用置換通風(fēng)與輻射供冷相匹配，必須要對新風(fēng)進行再熱，雖然獲得了較高的空氣質(zhì)量，但是浪費了能源，節(jié)能效果不如天花板頂送方式。2.2 除濕方式的選擇輻射供冷要求獨立新風(fēng)系統(tǒng)必須把室內(nèi)的全部潛熱負(fù)荷(濕負(fù)荷)去除，要求送風(fēng)的含濕量必須足夠小。筆者曾經(jīng)對比過同樣的一間房間采用全空氣系統(tǒng)和輻射供冷系統(tǒng)加頂送獨立新風(fēng)系統(tǒng)，全空氣系統(tǒng)送風(fēng)溫度17.2，含濕量11.8g/kg，而輻射供冷要求送風(fēng)溫度為14.2，含濕量9.7g/kg。因此除濕是獨立新風(fēng)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。獨立新風(fēng)除濕通常的方式有冷卻除濕、轉(zhuǎn)輪除濕和溶液除濕等。冷卻除濕技術(shù)成熟，使用簡單。采用7冷凍水的多排表冷器設(shè)計，可以將空氣冷卻除濕至10的機器露點溫度。對于一般建筑負(fù)荷，冷卻除濕方式能夠?qū)崿F(xiàn)輻射供冷系統(tǒng)對新風(fēng)除濕的要求。轉(zhuǎn)輪除濕機，適用于送風(fēng)溫度比較高，而相對濕度比較低的場合。這樣的除濕系統(tǒng)COP值在0.61之間，性能主要受轉(zhuǎn)輪除濕機和熱交換器的影響。該系統(tǒng)的運行費用和常規(guī)的空調(diào)持平或略高，而且在初投資方面要高于常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)，因此使用前需要進行綜合的經(jīng)濟性分析。溶液除濕是近幾年開發(fā)出來新的除濕方式，與熱泵的結(jié)合大大提高了其工作效率。對輻射供冷來說，也是一種選擇。2.3 輻射供冷水系統(tǒng)輻射供冷水系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在水系統(tǒng)要提供兩組不同溫度的冷凍水來滿足需要。輻射供冷系統(tǒng)的供水水溫一般在1520之間，而冷凍除濕需要7的冷凍水。一般我們可以通過以下3種方案設(shè)計水系統(tǒng)。方案一：一個冷源，并聯(lián)方式。輻射供冷和獨立新風(fēng)共享一個冷源。水系統(tǒng)分兩路，一路供給獨立新風(fēng)系統(tǒng)，另一路供給輻射供冷系統(tǒng)，輻射供冷所需水溫較高，通過板式換熱器制得。該種系統(tǒng)設(shè)計簡單，易于控制，但不能體現(xiàn)輻射供冷的節(jié)能特性。方案二：一個冷源，串聯(lián)方式。從冷源出來的冷凍水先經(jīng)過新風(fēng)機組對新風(fēng)進行降溫除濕處理，再供給輻射供冷系統(tǒng)。一般情況從新風(fēng)機組出來的冷凍水溫度會低于輻射供冷對冷凍水溫的要求，所以要在輻射供冷回水處裝三通，以便調(diào)節(jié)輻射供冷的水溫。這樣的設(shè)計相當(dāng)于利用了冷凍水兩次，增大了供回水溫差，降低了水泵輸配功耗。但是冷水機組功耗并未真正降低。方案三：兩個冷源。為獨立新風(fēng)和輻射供冷各設(shè)一套冷凍水系統(tǒng)。獨立新風(fēng)系統(tǒng)和輻射供冷系統(tǒng)的水溫要求相差比較大，這樣設(shè)計有很強的針對性，可以降低系統(tǒng)能耗。但是這樣的設(shè)計初投資稍大。由于輻射供冷系統(tǒng)對冷凍水的要求比較高，這就給尋找替代冷源使用留下了空間。在過渡季節(jié)可以使用冷卻塔為輻射供冷系統(tǒng)提供冷源。在地下水資源豐富、溫度比較低的地區(qū)，也可以利用地下水直接供冷。這樣就凸顯了輻射供冷的節(jié)能潛力。對水系統(tǒng)的控制也是水系統(tǒng)設(shè)計很重要的環(huán)節(jié)。為了防止結(jié)露，需要在供冷系統(tǒng)的輻射板表面布置結(jié)露感應(yīng)裝置。一旦輻射板附近空氣達(dá)到飽和就立即切斷冷凍水的供給；亦可改變通過三通閥回水的流量來改變冷凍水水溫。圖2：三種水系統(tǒng)設(shè)計方案系統(tǒng)圖3. 輻射供冷設(shè)計案例本部分旨在通過一間辦公室輻射供冷案例，探討輻射供冷與獨立新風(fēng)聯(lián)合設(shè)計的方法和步驟。3.1 設(shè)計基本信息天津地區(qū)一間辦公室，一面朝北的外墻，雙玻外窗，其它均為內(nèi)墻，整體建筑設(shè)計滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。房間尺寸為5m5m3m。夏季空調(diào)設(shè)計室外干球溫度33.4，濕球溫度26.9。辦公類建筑室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度26，相對濕度60%。露點溫度為17.7。3.2房間設(shè)計負(fù)荷的確定人員密度以5人/m2計算，設(shè)備及照明負(fù)荷42.8W/m2。采用逐時法計算房間冷負(fù)荷，計算時間段為早上7點至晚上10點。經(jīng)計算該辦公室冷負(fù)荷指標(biāo)為91.4W/m2。其中顯熱負(fù)荷76.0W/m2，潛熱負(fù)荷15.4W/m2，散濕量0.55kg/h。3.3 確定送風(fēng)狀態(tài)以辦公室人均最小新風(fēng)量30m3/h計算送風(fēng)量，總送風(fēng)量為150m3/h。采用冷卻除濕方式設(shè)計獨立新風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)負(fù)責(zé)去除所有室內(nèi)潛熱（濕）負(fù)荷，則送風(fēng)的含濕量可以通過公式(1)得到：圖3：空氣處理過程 (1)r室內(nèi)溫度條件下水蒸氣的氣化潛熱（kJ/kg）送風(fēng)狀態(tài)點的含濕量()室內(nèi)設(shè)計條件下含濕量()房間的潛熱負(fù)荷(W) 送風(fēng)量(kg/s）新風(fēng)采用露點送風(fēng)，經(jīng)計算送風(fēng)點S的含濕量為9.71g/kg.d，相對濕度95%，因此送風(fēng)溫度為14.2，送風(fēng)焓值38.91kJ/kg。送風(fēng)溫差約11.8，采用紊流送風(fēng)口可以保證室內(nèi)舒適度。這部分新風(fēng)可以除掉室內(nèi)的顯熱通過公式(2)計算： (2)新風(fēng)去除的顯熱負(fù)荷()C 空氣的比熱，通常取c=1.01kJ/kg送風(fēng)量（kg/s）房間設(shè)計溫度()送風(fēng)溫度()本例新風(fēng)負(fù)擔(dān)的顯熱負(fù)荷為596W，合23.8W/m2。3.4 輻射頂板承擔(dān)的負(fù)荷輻射吊頂承擔(dān)的負(fù)荷可以通過以下公式(3)式計算： (3)輻射吊頂承擔(dān)的負(fù)荷(W)房間總負(fù)荷(W)本例輻射供冷板負(fù)擔(dān)的負(fù)荷為1305W，合52.2W/m2。3.5輻射頂板選型輻射供冷板的供冷能力受到供水溫度、室內(nèi)空氣狀態(tài)、送風(fēng)方式以及其自身結(jié)構(gòu)形式等因素的影響，對輻射頂板選型前需要對多個確定因素。首先需要確定輻射供冷板的冷凍水溫度。為了避免輻射頂板表面結(jié)露，冷凍水供水溫度應(yīng)比室內(nèi)空氣露點溫度高約0.51，而冷凍水供回水溫差一般為23,因此選擇冷凍水供、回水溫度為18和20，平均溫度19。參照某公司輻射供冷板樣本，在室溫26，冷凍水平均溫度19的條件下。單位面積輻射頂板的標(biāo)準(zhǔn)供冷量為：影響輻射頂板的供冷量還有盤管間距、輻射頂板材料和新風(fēng)送風(fēng)方式的影響。本設(shè)計盤管間距取50mm，輻射頂板的材料為鋼，吊頂材料和間距修正系數(shù)。送風(fēng)方式采用天花板紊流送風(fēng)，送風(fēng)方式修正系數(shù)。實際輻射供冷吊頂?shù)墓├淞靠梢酝ㄟ^公式(4)得到： (4)輻射頂板的面積可以通過公式(5)計算得到： (5)輻射頂板站天花板面積的比率為通過公式(6)得到： (6)通常情況下，天花板還安裝有風(fēng)口和照明燈等裝飾物，因此輻射冷天花頂板不可能滿布，一般占天花板面積百分?jǐn)?shù)不超過75%。經(jīng)計算，該系統(tǒng)需敷設(shè)冷天花板18.5m2,=74%滿足設(shè)計要求。就本例而言，輻射供冷板布設(shè)面積較大是因為冷凍水供水溫度過高，究其根本在于室內(nèi)空氣露點設(shè)計溫度較高。若保持室內(nèi)空氣設(shè)計干球溫度不變，降低設(shè)計相對濕度至50，露點溫度則為14.7，相應(yīng)地輻射供冷板供水溫度可以將低至16，其供冷量則升高至81W/m2,在保證相同供冷量的前提下，輻射供冷板可少敷設(shè)4.2m2。但是房間設(shè)計參數(shù)的改變同樣也會影響新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，可見室內(nèi)設(shè)計參數(shù)對于系統(tǒng)的合理設(shè)計有很大影響。參考文獻：（1）S.B Raffit ，X. 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