輻射和新風（RCF）空調技術在工程中的應用及防結露控制研究

程瑞，嚴繼光

（1.廣東中山建筑設計院股份有限公司，廣東 中山 528400；2.燕通科技（香港）有限公司首席科學家，廣東 珠海 419015）

1 工程中輻射供冷空調系統的分析

1.1 輻射供冷空調系統原理

利用處于末端的特殊冷媒結構（輻射板），將相應能量傳遞到輻射板的表面，通過對流、輻射等方式完成與室內環境的溫度傳遞，簡化室內外環境傳遞過程，也能減少能量的損失。通常情況下，水是輻射供冷空調系統的冷媒，水相比空氣密度更大，既有著更好的傳輸效果，又能降低配電系統的能耗。

1.2 優勢

實際應用中，按照輻射板設置的位置分成不同系統，與傳統空調制冷形式相比，其本身有著顯著優勢。如：（1）選擇水作為傳遞能量的冷媒，本身密度較大，占用空間小且有著較高的空間利用率；（2）降低維護結構內的表面溫度，加強人體輻射的散熱度，增強室內環境溫度的舒適度；（3）輻射供冷空調系統可以與供暖系統共用一套系統，優化系統形式與布置方式；（4）輻射供冷空調系統水溫較高，實際應用中，可以選擇低品質的自然資源。

1.3 不足

輻射供冷空調系統也存在不足，主要表現為：（1）當輻射板表面溫度偏高時，需要降低室內溫度來提高室內潛熱負荷的消除功能，但這樣會增加冷輻射表面的結露風險。（2）輻射供冷空調系統無法將室內潛熱徹底消除，處理不好會影響使用者的居住體驗。

1.4 傳統高溫水輻射板

傳統輻射板系統需要兩種不同溫度的冷源，夏季輻射板除了采用高于空氣露點溫度的高溫冷水（防結露原因）外，系統還需要通過配置冷梁和其他空調末端設備（如設置低溫冷凍水的新風除濕機）才能滿足室內熱舒適度要求。系統較復雜并且造價較高。

高溫水輻射板的紅外成像圖如圖1 所示。當輻射板采用12℃冷水時，板面會有14℃的冷線形成結露。這條冷線是冷水銅管和金屬天花板的接觸傳熱所致，實際板面溫度在20℃左右。通過多次測試發現，當傳統輻射板采用16℃的冷水，此時，冷線溫度為18℃，此溫度可以防止結露，實際板面溫度在24℃左右。采用輻射板方式的日本大阪的著名綠色建筑中，明確標注了板面溫度是23℃。設計為了達到空調的效果，還配置了大量使用傳統冷源的供回風空調系統。

圖1 高溫水輻射板的熱成像

1.5 RCF 輻射板（7℃低溫水的輻射板系統）

測試顧問公司AEM，在香港最炎熱的2010 年7 月23 日的中午做的紅外成像的結果是：當輻射板表面最低溫度為17.5℃時，室內的內墻表面溫度為20℃，外墻溫度為21℃，此時，不管室內空氣溫度如何，室內是個很冷的表面環境，人體向包括輻射板在內的各個表面發射熱量，具有很強烈的冷感覺。實際運行時輻射板表面溫度約為20℃左右，室內其他物件表面的平均溫度約為25℃，此時，人會有24℃的體感溫度。

通過研究測試，導致輻射板結露的主要因素是由于板面溫度場不均勻，銅管和金屬天花板的接觸傳熱產生了冷線。采用高溫水防止了結露，但是，提高了板面溫度，降低了輻射強度，還需要補充其他冷源的空氣處理系統。顯然，RCF 輻射板和傳統高溫水輻射板相比，板面溫度場均勻，沒有低溫冷線，可以有效防止結露。是RCF 輻射板系統室內控制部件圖，根據功能將空調劃分為若干區域。該區域的輻射板串聯成一個子系統，輻射板內表面安裝有板面溫度傳感器，當感知溫度高于設定溫度時，管路的電動兩通閥打開，反之關閉。

這個控制模式和傳統空調的風機盤管相似，即風盤調節控制的是空氣參數，RCF 是調節控制的是輻射板的板面溫度。子系統還需設有控制新風量的功能，一般按照人均30m3/h 設計新風量取值，但實際運行時，由于室外環境的差別（主要指CO2濃度差），樓層冷輻射系統可根據排風的CO2濃度控制樓層新風量，根據排風的相對濕度控制新風的出風露點溫度，室內還可以根據室內的人員多少自動或手動控制新風量。制冷主機的出水溫度為6.9℃，室內CO2濃度631PPM（低于設定的800PPM），新風機降頻至40Hz，室內的相對濕度61%（高于設定值55%），新風機的出風溫度為10.3℃，系統處于除濕狀態。

2 防結露控制對策

2.1 RCF 的新風技術

針對建筑內新風系統能耗占比較大的特點，新風系統采用智能控制系統，設有室內空氣質量監測傳感器。末端新風動力模塊依據室內空氣質量狀況，在保證室內濕度條件下確定新風供給量，新風機組根據末端新風量需求反饋自動進行變頻運行，使得新風系統能耗可控。輻射板技術的室內濕負荷需要人工消除，否則，輻射板表面結露是不可避免的。RCF 技術中使用了專利新風機，利用雙級逆向交換的原理，具有非常強勁的除濕能力。這種新風機經過深圳建筑科學研究,院測試，在深圳夏季室外計算條件下，除濕能力達到了17g/kg 空氣。RCF 技術專利新風機處理送入室內新風的含濕量和室內的濕負荷，設備及運行。RCF 變頻新風機是根據室內CO2濃度來調節新風量。RCF 新風機根據室內的相對濕度控制出風露點，室內相對濕度61%時，出風露點溫度是10.3℃，是個強除濕工況。

2.2 RCF 的自控系統

RCF 技術的運行方法與傳統空調相差很大，需要有一套全自動的操控方案來自動運行。圖2 是AEM 公司對一個RCF 系統做的運行數據監測，時間是2010 年7 月23 日至26 日，正值香港一年中最熱最濕的季節。

圖2 RCF 技術運行數據實測記錄

這個房間是星期六中午制冷系統關閉，星期一的啟動時間有多長？從圖中星期一的啟動曲線顯示，首先是啟動新風機送入新風，室內藍色的濕球溫度線急劇下降，室內在強烈的除濕。大約7 分鐘后，室內相對濕度達到要求，輻射板啟動送水。正常運行時輻射板板面溫度在19℃線±0.5℃的范圍波動。從圖2 中的測試結果顯示，中午12 點半時，輻射板有個較大的溫度波幅，經過詢問，了解到是由于室內人員午休息短暫關閉系統所致。測試機構的測評結論為：RCF 輻射板和新風系統的運行精度高，具有可靠的降溫除濕能力。

3 輻射供冷空調系統的案例分析

3.1 RCF 技術應用在香港恒X 銀行大樓的空調改造工程

工程概況：項目地處香港，建造于1996 年，為3m無梁板結構。室內凈空高度只有2.75m，其中使用RCF技術改造的寫字樓共有23 層，辦公總人數為3000 人，拆除前使用風機盤管系統，天花高度為2.2m。

3.2 室內輻射板的設計方案

恒X 銀行標準層50%的天花板面積布置了輻射板，在氣流比較復雜的電梯前室設計了兩臺風機盤管。根據裝修的風格辦公區天花板采用1080×600mm 的規格。會議室采用的是1200×3000 的大塊板結構。

3.3 RCF 技術解決了安裝空間高度限制的困局

由圖3 所示，在室內凈空高度僅為2.75m 的空間里，安裝風機盤管以后只能保證2.2m 的天花高度。由于銀行必須有地板布線，最少的架空地板也需要90mm 高度。假如仍然使用風機盤管系統，裝修后的天花高度只能保證在2100mm。超低的天花板高度會給人帶來壓抑和逼迫感。而且空調風口的安裝高度太低，室內的人員也不可避免地被動承受空調送風口的吹風感。經過RCF 技術改造后，新風量只需滿足室內CO2濃度的要求，新風管的斷面尺寸只有傳統送風管的1/3。改造完成后的室內凈空高度較之前增加了290mm。可見，對于舊建筑改造工程，RCF 技術具有獨特的技術優勢。

圖3 恒X 銀行安裝空間

3.4 RCF 的運行負荷特征

香港恒X 銀行大樓改造完畢投入運行后，RCF 技術的實際運行負荷曲線和傳統空調以對流為主的空調技術完全不同。橙色的面積是輻射板負荷，藍色的是RCF 的新風負荷，黃色虛線包絡的面積是風機盤管系統的負荷。由曲線可見RCF 上班前預啟動時，輻射板負荷瞬間有個脈沖達到160kW，但是幾分鐘后急劇下降到105kW。人員上班達到第二峰值122kW，RCF 系統隨著運行時間的延長，總負荷在不斷地下降，下午4 點左右是80kW。風機盤管系統啟動運行時是最低的150kW，人員上班時是170kW，下午4 點達到了峰值240kW。這條曲線和我們通常認識的空調最大負荷發生時間是吻合的。

為了印證RCF 技術的負荷曲線的特征是否可靠，我們拍攝了RCF 的啟動界面正常運行界面是系統啟動3 分鐘的運行工況，此時，經過一夜停運的輻射板子系統內的水溫高達28℃以上。經過3 分鐘左右的運行，盡管一次水溫是7℃，但由于回水溫度高達22.7℃，樓層水-水交換器的二次出水溫度仍然高達12℃。

RCF 系統啟動時換熱器二次供回水溫差達到10.7℃，很多學者認為輻射板系統的換熱溫差很小，擔心輻射板能否承擔室內的輻射負荷，事實證明這個擔憂顯然是不必要的。也印證了輻射板啟動工況時負荷的脈沖現象。是正常運行的工況，此時，交換器二次出水溫度為8.1℃，回水溫度是11.3℃，兩個工況的水泵同樣是50Hz 工頻狀態，大致可以認為是流量不變的前提，除了新風負荷的輻射板啟動負荷是正常運行負荷的3 倍。機電顧問于2016 年8 月26 日下午在RCF 標準層實際的耗冷測試數據。當時室外濕球溫度是27.4℃接近香港的計算溫度。樓層辦公110 人，輻射板冷量為22kW，新風冷量60kW，總冷量為82kW。這個數據針對于標準層空調面積1000m2的寫字樓來說，是個非常低的能耗指標。是恒X 銀行RCF 系統運行的能耗和往年FCU 的運行能耗對比圖（顧問公司提供）。該數據證明RCF 技術比傳統空調的FCU 技術降低運行能耗57%。

4 結語

總之，和傳統空調相比，輻射供冷空調系統能結合低品位能源供應，RCF 技術具有在建筑全壽命期成本低，節能效果顯著的特性（裝機功率和運行能耗可節省40%以上）。工程中，通過合理利用RCF 技術進行防結露控制，避免了傳統空調冷風造成的環境不適感。由于運行時不使用空氣循環，避免了疫情期間的交叉感染，值得應用與推廣。