輻射空調系統的設計優化建議

池鴻鷗

（歐陸生態經濟發展（上海）有限公司，上海2000 41）

0 引言

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

1 輻射系統簡介

輻射空調系統由輻射系統和置換新風除濕系統組成如圖1所示。其中的輻射系統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環境。置換新風系統是將處理后的新鮮空氣從位于房間下部或側下部的送風口低風速送至人員活動區域[1]。置換通風的低風速和高效率的特點，不僅能為室內人員提供有效的新風量而且能夠實現低能耗運行。置換新風系統承擔全部室內濕負荷和部分顯熱負荷，而輻射系統僅承擔室內顯熱負荷，實現了溫濕度的分別控制。所以，輻射空調系統實現了室內環境的高舒適性又節能環保。但是這一系統也有著局限性，主要表現為兩點：易結露和輻射制冷能力有限。

圖1 毛細管網輻射空調系統

1.1 結露

結露現象是當周圍環境溫度高于物體表面的露點溫度的情況下，物體表面出現凝結水的現象。這是輻射空調系統實際工程中常會遇到的問題之一。目前，輻射空調系統在國內多應用在住宅建筑，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。

空調室內設計參數為26℃，50%，主要參數計算如下：

（1）新風量Q

Q=Vfn（m3/h） （1）

式中 V—體積，m3；

f—空調面積和建筑面積的比值，取0.7；

n —換取次數，h-1，根據文獻[2]取n=0.5 h-1。

則有新風量Q=100 m3/h。

（2）人員數N

N=Q/v （2）

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

則有人員數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），由此可得出新風的處理點。最后，把空調室內設計點N，對應露點D以及新風處理點L體現在焓濕圖進行分析，詳見表1和圖2。

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

圖2 I-D圖

表1 狀態點基本參數

除了運行階段中的結露問題，系統啟動階段也易出現結露問題。以毛細管席輻射為例，相比于混凝土樓板埋管輻射，它有著調節能力快的優點。當系統剛啟動時，室內空氣接近室外空氣，此時開啟毛細輻射系統，毛細管席表面降溫較快，而新風除濕系統剛啟動，因此，易發生結露現象。通常的解決方法是新風除濕系統先開啟對室內空氣進行預處理。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。這是因為新風系統的除濕能力是根據消除室內余濕能力以及人員衛生要求來設計的，并沒有考慮啟動階段預除濕能力。根據文獻[4]，如果設計時考慮預除濕量，所需新風量將會翻倍。但是，具體實施受到建筑空間的限制。

1.2 制冷能力不足

輻射空調系統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，同間距同構造，輻射面單位供冷能力下降。通常輻射系統的供水溫度高于室內設計點露點溫度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，根據廠家數據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，為了降低結露的風險，常常采取供水溫度提高的方法，卻大大降低了輻射系統的制冷能力，也會引起室內溫度升高。

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，較之傳統系統，輻射系統對圍護結構熱工性能要求更高，更適用室內顯熱負荷不高的建筑類型，例如賓館，住宅等。

圖3 毛細管網重力循環柜主要形式

所以，如何改善并使這一系統得到更廣泛地應用，成為設計人員在實際工程中值得考慮的問題。就此問題，筆者結合工程經驗提出了設計優化建議。

2 設計優化建議

毛細管網重力循環柜（簡稱‘重力柜’）是毛細管網在重力循環空調技術下的應用，重力柜內設置毛細管網，下部設置凝水盤，基本原理是利用冷熱空氣的密度差進行重力循環。循環柜內空氣與循環柜外的空氣存在密度差（ρin-ρout），在重力作用下產生驅動力（ρin-ρout）·g·h，使柜內空氣流動。供冷工況時，室內熱空氣溫度較高，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換熱器被冷卻，在重力的作用沿著毛細管網下降，從底部的開口流出重力柜，壓向室內擴散開來形成冷氣流，這樣室內空氣不斷的通過重力柜循環流動，從而減低了室內溫度，起到制冷效果。毛細管網重力柜的安裝方式可通過配合裝修實現多種形式的安裝，如圖3所示。主要從制冷能力、除濕能力和室內環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熱空氣的露點溫度，凝結水會在毛細管席壁面析出，并通過冷凝盤排出從而實現了系統除濕。毛細管重力循環柜除濕能力和毛細管席的片數（換熱面積）以及進水溫度有關，并隨著進水溫度的提高除濕量下降。根據廠家數據，標準重力柜標準尺寸為1000×200×2500（L×W×H），內設置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（換熱面積），進水溫度，柜體的高度等參數有關。金梧鳳[5]進行了毛細管網重力柜制冷能力的評估測試，實驗結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機，風機僅耗電幾瓦，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，貫流風機風量為500 m3/h時，顯熱供冷量約為1.4 kW，較之無風機的重力柜顯熱制冷能力提高了30%（如圖5所示）。除此之外，新增風機后還還可以縮短系統啟動時間，在系統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閉風機。

2.4 室內環境舒適度

毛細管網循環重力柜可以提供高舒適度的室內環境。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、吹風感，送風溫度。研究表明，通過對重力循環空調系統房間進行數值模擬，得到室內風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論，指出重力柜供冷風速平均流速為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生氣流進行循環，因此實現了低噪節能。

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

3 工程實例

圖5 標準重力柜配500 m3/h貫流風機的制冷能力

上海地區某辦公樓為中央空調系統，形式為混凝土樓板埋管式輻射系統加新風空調系統。原建筑使用功能為大空間廠房，現在為辦公室出租，且每層用戶結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，出現了冷量不足和結露的問題，因此需要增加空調系統，解決問題而不破壞原室內環境舒適度。

3.1 系統原理

新增空調系統采用了獨立的風冷熱泵+毛細管網重力柜系統，為用戶提供輔助除濕和輔助制冷。系統原理如圖6所示。

3.2 設計計算

圖6 系統原理圖

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。在室內設計參數為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℃，末端設備選型考慮安全系數以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，實際臺數取二者大值，結果見表3。

表3 選型結果

3.3 結論

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

4 結語

輻射空調系統提供了高品質的室內環境又節能環保，有著傳統空調不可比擬的優勢，符合未來空調的發展方向，健康，節能和人性化。但是輻射空調系統有著自身的局限性，因此，筆者提出了輔助重力柜這一設計優化方案。通過理論數據和工程實踐二方面分析，這一設計優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系統的應用范圍，使得這一系統具有更廣闊的發展前景。

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

[2]GB 5073 6-2012.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

[3]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，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.毛細管重力循環供冷裝置的供冷性能研究[J].制冷與空調，2010，（10）：16～20.

[6]馬國斌，魏學孟.重力循環空調房間氣流組織的數值模擬[J].建筑熱能通風空調，2002，（2）：40～43.