毛細管頂板輻射空調應用中一些問題的探討

吳炳陽 劉光遠 楊衛波

傳統的空調系統普遍采用溫濕度耦合的控制方法，使得本可以利用高溫冷源帶走的熱量與除濕一起共用低溫冷源進行處理來滿足舒適度的要求，造成能量利用品質的浪費;另外還存在冷表面滋生霉菌、對流吹風感強、風機盤管的噪聲等問題。毛細管頂板輻射系統 20世紀末起源于歐洲發達國家，在提高環境的舒適性和節約能源兩方面具有獨到之處。由于頂板輻射供冷(供暖)技術實現了系統供冷(供暖)與通風功能的分離，其室內空氣參數的控制有別于傳統空調系統，從而在設計、施工及運營維護方面與傳統空調有很大差異。下面對毛細管頂板輻射系統應用中應注意的一些問題進行討論。

1 系統原理及組成

頂板輻射供冷(供暖)加置換通風復合空調系統以水作為冷(熱)媒，置換通風系統承擔通風換氣的任務，滿足室內空氣品質的要求，并消除室內的全部潛熱負荷和濕負荷并承擔部分顯熱負荷，其余的顯熱負荷由輻射頂板承擔。輻射和對流是頂板輻射的主要換熱方式，以輻射換熱為主導[1]。毛細管輻射空調系統是以毛細管為主要傳熱裝置，以水為冷(熱)媒，與冷熱源、水循環系統、新風調濕系統和自控系統構成以冷、熱輻射為主要特征的供冷、供暖空調系統[2]。

2 設計

2.1 室內計算溫度選擇

目前，在我國暖通空調工程中，常采用冷負荷系數法計算空調冷負荷。輻射供冷(供暖)系統的負荷計算仍然沿用傳統空調的負荷計算方法，但應注意輻射空調系統的室內計算溫度可以直接選用作用溫度。當采用輻射供冷(供暖)時，室內空氣設計溫度可以提高(降低)1℃～2℃。

2.2 新風系統

當輻射吊頂用于供冷時，由于冷卻頂板系統不能消除室內的潛熱負荷(濕負荷)，空調房間的濕負荷必須由新風系統承擔。另外，根據室內空氣品質、正壓及排風的要求，必須向室內供給新風。因此可以利用通風系統有組織的送入處理過的新風來消除室內潛熱負荷，避免表面結露，改善室內衛生條件，進一步提高供冷能力。由于只需承擔部分熱負荷，所以送風量小于全空氣空調系統，通常采用獨立新風系統。

2.2.1 送風方式及送風量的確定

頂板輻射常與置換通風相結合，置換通風的通風效率、換氣效率高于混合通風，且置換通風可以降低輻射頂板造成的溫度梯度提高熱舒適性。新風量滿足以下要求:1)滿足室內衛生條件; 2)承擔室內濕負荷要求。兩者中的較大者作為最小新風量的取值。

2.2.2 送風風速、送風溫度及送風口尺寸的確定[3]

為滿足工作區的熱舒適性要求:-0.5≤PMV≤0.5、吹風風險不滿意率PD≤10%、工作區的溫度梯度t1.1-t0.1＜3℃，t0.1(min)≥20℃，建議復合空調系統的送風速度不超過 0.3m/s、送風溫度不低于 19℃。而在不改變送風量的前提下，縮小風口尺寸或增大風口尺寸對室內熱環境的影響很小，風口尺寸的選擇應主要考慮風口的初投資和室內安裝布置的方便。

2.2.3 熱濕處理

常見的新風系統由全熱交換器、表冷器、顯熱交換器、送風風機、排風風機及預熱裝置組成。室外新風先經過全熱交換器，與排風進行全熱交換后進入表冷器冷卻除濕，最后經過顯熱交換器等濕加熱后滿足送風要求送入室內。室內排風經過顯熱交換器對新風進行等濕加熱后再經全熱交換器全熱回收后排向室外。在冬季，若室外新風的干球溫度低于 0℃，進入全熱交換器后會發生結霜的現象。為了避免這個問題的產生，系統設置了預熱裝置。

國內目前獨立新風處理方式大致還有以下幾種:針對高溫高濕地區提出的“全熱回收 +直接膨脹”的新風處理方法[4]、新風轉輪除濕、冷卻加轉輪固體吸附除濕、太陽能液體除濕、表冷器加熱管熱回收新風處理[5]。

2.3 供水方案的選擇

輻射頂板一般采用 16℃/18℃的高溫冷源，一方面如果使用制冷機的話，可以將其COP值提高20%左右[6];另一方面使得低品位熱源，深井水，湖泊水及在過渡季節通過冷卻塔的冷卻水都有成為免費冷熱源的可能。由于除濕的需要，獨立新風系統對供水溫度的要求與傳統空調相同甚至更低。為此，需要提供兩路冷凍水系統，一路 16℃/18℃供毛細管輻射板使用，一路 7℃/ 12℃供獨立新風系統使用。以下是常見的供水方案。

方案一:并聯冷水系統(見圖 1)。輻射板與空氣處理機組共用一套冷水機組，冷凍水設兩個系統，一路水溫較低(7℃/ 12℃)，供給空氣處理機組;另一路與毛細管輻射板的回水相混合，得到相對較高的供水溫度(16℃/18℃)，滿足毛細管輻射板的供水要求。這種方法設計簡單，便于控制。

方案二:串聯冷水系統。輻射板與空氣處理機組共用一套冷水機組，從冷水機組出來的冷凍水先供給空氣處理機組，空氣處理機組的回水與毛細管輻射板的回水混合作為毛細管輻射板的供水。這種方法提高了循環水泵的輸水系數，節省水系統的設備投資和運行能耗，但實際運行時較難控制。

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方案三:通過板換并聯的冷水系統。在方案一的基礎上再設置換熱器，一路水溫較低(7℃/12℃)，直接供給空氣處理機組;另一路通過換熱器使毛細管輻射板的回水從 18℃下降到 16℃。這種方法系統簡單、初投資較低，但是冷水機組的供回水溫差小于其他方案，故運行費用較高。

方案四:獨立冷水系統(見圖2)。一套冷水機組產生7℃/12℃的冷凍水供給空氣處理機組;另一套冷水機組產生 16℃/18℃的冷凍水供給毛細管輻射板。該方案分別設置冷水機組充分發揮了毛細管輻射板供回水溫度較高的優勢，可以有效降低機組運行能耗，同時為冷卻頂板系統使用替代冷源提供了可能，但會增加系統初投資。

從系統能耗的比較，方案一與方案二的能耗大致相等，若以方案一的能耗為100%計，方案三的能耗為101.42%，方案四的能耗為 93.07%[7]。方案四提高了冷水機組的供回水溫度，提高了COP值，系統能耗最低，設計時優先考慮此種方案。

一般認為，毛細管輻射板末端能與地源熱泵冷水機組很好的結合。一方面，地源熱泵機組能夠解決冬天采暖的熱源問題，無需再另外設置熱源;另一方面，由于毛細管輻射板冬天供暖工況的供回水溫度為 35℃/31℃，而傳統采暖方式的供回水溫度為60℃/50℃，使得地源熱泵機組在采暖季節運行時的COP值較傳統采暖方式有所提高。設計時優先考慮地源熱泵技術與方案四相結合的冷熱源方案。

2.4 毛細管輻射板的選型

根據廠家提供的毛細管供冷(熱)能力參數曲線，統籌敷設面積(必須小于可敷設面積)及毛細管安裝間距，使毛細管輻射板的供冷(熱)量大于所承擔的設計冷(熱)負荷與裕量系數的乘積。

3 施工

系統的施工安裝工藝與常規空調系統無異，但是由于送風量的減少，置換通風系統施工費用要比常規空調系統的少。毛細管網與裝飾面層結合時可以隨面層形狀安裝，對裝飾影響很小。安裝了毛細管網的面層溫差范圍一般在 20℃以內，不會因采暖制冷產生熱脹冷縮變形引起面層開裂，但是需要防止面層空鼓。一般采取聚合物砂漿結合鋼絲網或玻纖網的裝修做法。施工中應防止不良的裝修和使用習慣，不允許在安裝毛細管的地板、墻面或吊頂上釘釘、打洞或鉆孔。

4 運營維護

運營方式對于體現該系統的節能優勢有著至關重要的作用。在啟動毛細管輻射板系統前先開啟空氣處理系統，對房間空氣進行除濕和冷卻，當室內空氣參數不會使冷卻頂板結露時，再開啟毛細管輻射板系統。在有可使用的低品位熱源時，應盡量利用低品位熱源。一般毛細管網系統的壽命周期超過 50年。損壞時，維修非常簡單，只需挖開墻面采用熱熔方式封閉受損毛細管。

5 結語

1)傳統空調方式不斷地受到熱舒適性、室內空氣品質和節能的三大挑戰，研究開發新型的潔凈健康并且節能的空調系統是今后的重點。毛細管輻射空調系統以其舒適、節能、安裝方便、節約空間、環保等諸多優點會成為未來高舒適性空調的主要發展方向。

2)由于毛細管輻射板一般采用 16℃/18℃的高溫冷源及31℃/35℃低溫熱源，這就要求設備生產廠家開發出適合該系統的小溫差大流量的冷水機組，同時也要求設計人員對可替代的低品位熱源進行應用研究。

3)地源熱泵技術與毛細管輻射空調相結合能進一步降低系統的運行費用，具有良好的應用前景。

[1] 王子介.低溫輻射供暖與輻射供冷[M].北京:機械工業出版社，2004.

[2] 馬玉奇，劉學來.海御國際公寓輻射頂板系統設計[J].制冷與空調，2008，22(3):98-100.

[3] 袁 鋒.頂板輻射—置換通風復合空調室內熱環境研究[D].西安:西安建筑科技大學，2007.

[4] 嚴衛東，馬 騫，韓 旭.毛細管輻射式空調系統在高溫高濕地區的新風處理方案探討[J].制冷與空調，2009，23(6): 45-48.

[5] 王玉平.地板送風與冷卻頂板結合的空調系統在高級辦公建筑中的應用[D].上海:上海交通大學，2008.

[6] 左 濤.獨立新風結合吊頂冷輻射板空調系統(DOAC+ CRCP)的應用[J].制冷空調與電力機械，2006(5):61-64.

[7] 孫麗穎，馬最良.冷卻吊頂供水方式對系統運行能耗的影響[J].暖通空調，2003，33(1):107-109.