輻射供冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介和設(shè)計(jì)初探.doc

輻射供冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介和設(shè)計(jì)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(xiàng)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(duì)比，著重指出了這種新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。文章的最后舉了一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明輻射吊頂?shù)脑O(shè)計(jì)方法和選型方法。關(guān)鍵詞：輻射供冷 冷梁 冷天花 設(shè)計(jì)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(chǎng)、銀行、超市得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是在德國(guó)和瑞士。輻射供冷的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(jī)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(wú)噪音、無(wú)冷凝水。(3)傳統(tǒng)的空調(diào)如果要想實(shí)現(xiàn)溫、濕度的同步控制，一般需要對(duì)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(xiàng)，從而影響室內(nèi)的熱舒適性。輻射供冷可以實(shí)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(huì)引起室內(nèi)風(fēng)速有超標(biāo)的危險(xiǎn)。輻射供冷能將顯熱和潛熱分開處理，很好地解決了這個(gè)問題，因此輻射供冷有著傳統(tǒng)空調(diào)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但是輻射供冷在我國(guó)起步較晚，至今還未有實(shí)際場(chǎng)所大面積的應(yīng)用，僅僅停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)室論證階段。隨著國(guó)家提倡的節(jié)能減排政策愈來(lái)愈受到重視和人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求的日益增高，輻射供冷技術(shù)在我國(guó)也會(huì)受到越來(lái)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(duì)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(duì)流式兩種。此外，對(duì)流式供冷還可以進(jìn)一步分為主動(dòng)式冷梁和被動(dòng)式冷梁兩種特殊形式。1.1輻射式輻射式進(jìn)一步可分為樓板式和吊頂式。樓板式進(jìn)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(hù)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(duì)流換熱量占40%。它一般直接懸吊在天花板下方，有時(shí)會(huì)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(dòng)極小，一般在0.5K以內(nèi)，室內(nèi)形成的風(fēng)速一般不超過(guò)0.1m/s，能提供的冷量不超過(guò)100W/m2。輻射式供冷一般應(yīng)用于冷負(fù)荷不太大的場(chǎng)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(duì)流式1.2.1吊頂式對(duì)流式吊頂一般開有強(qiáng)化空氣流動(dòng)的縫隙，以增強(qiáng)對(duì)流換熱。其對(duì)流換熱所占比例在50%以上，有時(shí)甚至可以達(dá)到70%。對(duì)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(duì)流式最大能夠提供150W/m2的冷量。與輻射式供冷相比，對(duì)流式冷天花引起室內(nèi)空氣流動(dòng)的風(fēng)速稍大，但也不會(huì)超過(guò)0.15m/s。這種供冷方式應(yīng)用于冷負(fù)荷比較大的場(chǎng)所，如商場(chǎng)、超市、博物館和展覽室等場(chǎng)所。同樣，對(duì)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(guò)對(duì)流進(jìn)行的，對(duì)流換熱的比例可以達(dá)到90%95%。冷梁按有無(wú)一次風(fēng)通入，又可以進(jìn)一步分為主動(dòng)式冷梁和被動(dòng)式冷梁。主動(dòng)式冷梁有一次風(fēng)通入。經(jīng)過(guò)噴口的新風(fēng)以極高的速度進(jìn)入冷梁，形成負(fù)壓，誘導(dǎo)室內(nèi)空氣穿過(guò)表冷器進(jìn)入冷梁。主動(dòng)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(dòng)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(chǎng)所。主動(dòng)式冷梁可以用于供熱。被動(dòng)式冷梁與主動(dòng)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(duì)流形成室內(nèi)空氣循環(huán)供冷。被動(dòng)式冷梁下方氣流速度也比較大，與主動(dòng)式冷梁，被動(dòng)式冷梁也不能直接布置在工作人員上方。被動(dòng)式冷梁供冷能力可以達(dá)到400W/m。由于被動(dòng)式冷梁自身原理限制，其不能用于供熱。圖1：主動(dòng)式冷梁和被動(dòng)式冷梁2.輻射供冷的設(shè)計(jì)特點(diǎn)輻射供冷系統(tǒng)在去除室內(nèi)負(fù)荷的過(guò)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(shí)去除。所以二者在設(shè)計(jì)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(jì)上。2.1輻射供冷與獨(dú)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(dú)立新風(fēng)聯(lián)合設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)，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(dú)立新風(fēng)由于負(fù)擔(dān)全部室內(nèi)濕負(fù)荷，機(jī)器露點(diǎn)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(shí)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(qiáng)輻射供冷板表面附近空氣的擾動(dòng)，強(qiáng)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(bǔ)性很強(qiáng)。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(duì)新風(fēng)進(jìn)行再熱，雖然獲得了較高的空氣質(zhì)量，但是浪費(fèi)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(dú)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(duì)比過(guò)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(dú)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(dú)立新風(fēng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。獨(dú)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(jiǎn)單。采用7冷凍水的多排表冷器設(shè)計(jì)，可以將空氣冷卻除濕至10的機(jī)器露點(diǎn)溫度。對(duì)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(duì)新風(fēng)除濕的要求。轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)，適用于送風(fēng)溫度比較高，而相對(duì)濕度比較低的場(chǎng)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(jī)和熱交換器的影響。該系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)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(jìn)行綜合的經(jīng)濟(jì)性分析。溶液除濕是近幾年開發(fā)出來(lái)新的除濕方式，與熱泵的結(jié)合大大提高了其工作效率。對(duì)輻射供冷來(lái)說(shuō)，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(lái)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(guò)以下3種方案設(shè)計(jì)水系統(tǒng)。方案一：一個(gè)冷源，并聯(lián)方式。輻射供冷和獨(dú)立新風(fēng)共享一個(gè)冷源。水系統(tǒng)分兩路，一路供給獨(dú)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(guò)板式換熱器制得。該種系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(gè)冷源，串聯(lián)方式。從冷源出來(lái)的冷凍水先經(jīng)過(guò)新風(fēng)機(jī)組對(duì)新風(fēng)進(jìn)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(jī)組出來(lái)的冷凍水溫度會(huì)低于輻射供冷對(duì)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(jì)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(jī)組功耗并未真正降低。方案三：兩個(gè)冷源。為獨(dú)立新風(fēng)和輻射供冷各設(shè)一套冷凍水系統(tǒng)。獨(dú)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(jì)有很強(qiáng)的針對(duì)性，可以降低系統(tǒng)能耗。但是這樣的設(shè)計(jì)初投資稍大。由于輻射供冷系統(tǒng)對(duì)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(guò)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(duì)水系統(tǒng)的控制也是水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)三通閥回水的流量來(lái)改變冷凍水水溫。圖2：三種水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)圖3. 輻射供冷設(shè)計(jì)案例本部分旨在通過(guò)一間辦公室輻射供冷案例，探討輻射供冷與獨(dú)立新風(fēng)聯(lián)合設(shè)計(jì)的方法和步驟。3.1 設(shè)計(jì)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(jì)滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。房間尺寸為5m5m3m。夏季空調(diào)設(shè)計(jì)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(jì)溫度26，相對(duì)濕度60%。露點(diǎn)溫度為17.7。3.2房間設(shè)計(jì)負(fù)荷的確定人員密度以5人/m2計(jì)算，設(shè)備及照明負(fù)荷42.8W/m2。采用逐時(shí)法計(jì)算房間冷負(fù)荷，計(jì)算時(shí)間段為早上7點(diǎn)至晚上10點(diǎn)。經(jīng)計(jì)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(jì)算送風(fēng)量，總送風(fēng)量為150m3/h。采用冷卻除濕方式設(shè)計(jì)獨(dú)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(guò)公式(1)得到：圖3：空氣處理過(guò)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(diǎn)的含濕量()室內(nèi)設(shè)計(jì)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(diǎn)送風(fēng)，經(jīng)計(jì)算送風(fēng)點(diǎn)S的含濕量為9.71g/kg.d，相對(duì)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(guò)公式(2)計(jì)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(jì)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(guò)以下公式(3)式計(jì)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(duì)輻射頂板選型前需要對(duì)多個(gè)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(diǎn)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(jì)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(shí)際輻射供冷吊頂?shù)墓├淞靠梢酝ㄟ^(guò)公式(4)得到： (4)輻射頂板的面積可以通過(guò)公式(5)計(jì)算得到： (5)輻射頂板站天花板面積的比率為通過(guò)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(guò)75%。經(jīng)計(jì)算，該系統(tǒng)需敷設(shè)冷天花板18.5m2,=74%滿足設(shè)計(jì)要求。就本例而言，輻射供冷板布設(shè)面積較大是因?yàn)槔鋬鏊┧疁囟冗^(guò)高，究其根本在于室內(nèi)空氣露點(diǎn)設(shè)計(jì)溫度較高。若保持室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)干球溫度不變，降低設(shè)計(jì)相對(duì)濕度至50，露點(diǎn)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(jì)參數(shù)的改變同樣也會(huì)影響新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可見室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)有很大影響。參考文獻(xiàn)：（1）S.B Raffit ，X. Zhao ，P.S Doherty，Review of research into and application of chilled ceilings and displacement ventilation system in Europe. Int.J.Res.2004;28: 257-286（2）Jae-Weon Jeong, Stan Mumma. Designing a Dedicated Outdoor Air System with Ceiling Radiant Cooling Panels. ASHRAE October. 2006（3）Sodec, Economic viability of cooling ceiling syste