混凝土天棚辐射供冷的应用探讨.doc

混凝土天棚辐射供冷的应用探讨http:/ 2011-02-10 15:55:04中房集团新技术中心有限公司 齐政新 摘要：介绍了天棚混凝土辐射供冷的优势；分析了混凝土辐射供冷中天棚最大允许换热能力和室内空气参数的关系、天棚辐射换热量的比例；分析了新风除湿对混凝土天棚供冷的影响以及利用冷却塔进行天棚供冷的可行性。得出的结论对工程实际有很好的指导作用。关键词：混凝土辐射供冷 结露 冷却塔供冷 埋管引言混凝土天棚辐射供冷是一项新的空调技术，其常和通风系统配合使用，可以达到室内较高的热舒适程度。其工作原理是将塑管（如PB、PEX、PE-RT、铝塑复合管等）直接预埋于楼板的结构层中，或者使用敷设的毛细管网，夏季管中通入1120的冷水，依靠管中冷水与混凝土天棚的换热，使整个天棚表面达到需要的理想温度。天棚和室内的换热主要依靠辐射来完成，这样，可以保证室内较高的热舒适程度，同时在一定程度上可以节约能量。系统的结构形式如图1所示。1 混凝土辐射供冷的优势混凝土辐射供冷技术和传统的全空气与风机盘管系统相比，有着自身的特点和优势，这主要体现在以下几方面：(1)由于将管路（毛细管）直接预埋在建筑结构中，不占用室内空间，避免了全空气系统所需要的较大的空间，同时和传统空调方式相比，初投资也低。(2)依靠天棚与室内的辐射换热，配以室内卫生要求的新风系统，柔和地达到所需的舒适效果，避免了风机盘管过大的噪音和凝结水排放的困扰。(3)室内的舒适性得到很大提升。由于换热主要以辐射的方式进行，室内空气的流动较弱，人没有吹风感，室内的温度比较均匀，温度梯度小，在相同的室内空气温度条件下，平均辐射温度低，这样人的舒适性比传统的空调方式更佳。辐射供冷房间的室内空气温度分布如图2所示。(4)混凝土辐射供冷可以充分利用天然冷源，并能提高冷机的运行效率。由于辐射供冷主要防止天棚表面结露，而且表面温度过低也不利于提高室内的舒适性水平，所以对于辐射供冷的天棚表面温度，一般控制在比室内露点温度高2。室内的露点温度根据室温和室内相对湿度可以得到相应的数值，如表1所示。对于民用建筑舒适性空调，房间温度在2428之间，相对湿度在40%70%之间，由此可见露点温度的范围。由表1可见，以25，50%的相对湿度计算，露点温度为13.7，这样天棚表面温度要控制在16左右，这样，如果室内的冷负荷在100W/?以下，需要的冷水供水温度在12.3就能满足供冷的要求。如果室内温度和相对湿度提高，冷水温度还可以提高。在这样的冷水供水温度下，可以充分利用天然冷源（江、河湖泊水，土壤冷量），也可以提高热泵机组或者冷水机组的COP，还可能利用冷却塔供冷或者太阳能空调系统，使空调系统的能源消耗得到极大的降低。(5)混凝土系统可以对管路释放的冷量进行蓄存，使室内的空气参数的波动较小，同时在一定程度上可以减少系统的峰值负荷。所以,混凝土辐射供冷系统特别适合于宾馆、写字楼、高档住宅、冷负荷不是很大的公共建筑中，而且如果稍加设备，就可以实现冬季供暖，形成全年运行的冷暖空调系统。这样，不但可以提高室内的舒适性水平，也可以减少初投资和运行费。2 混凝土天棚辐射供冷应用的技术探讨2.1 楼板换热能力分析混凝土天棚辐射供冷系统的换热能力，与天棚表面温度、室内空气温度等因素有关，从热力学的理论分析，其与地板辐射采暖系统的换热能力相似。所以,按照欧洲标准EN1264，天棚的换热能力可以按照下式确定：式中：q-为单位面积天棚换热量（w/m2）t-为周围空气的温度 （）tsup-为天棚表面的温度 （）如果按照天棚表面温度控制在露点温度高2，则天棚表面的最大允许换热能力按照上式可以得到表2的数值。图3较直观地表明了天棚最大允许换热能力（供冷能力）和室内空气参数的相互关系。由图3可以看出，天棚表面的最大允许换热能力对相对湿度相当敏感，在相同的室内温度情况下，天棚表面的最大允许换热能力随着相对湿度的升高快速下降，而对于相同的相对湿度，室内空气干球温度对天棚的最大允许换热能力几乎没有影响。由此可以看出，对于混凝土天棚辐射供冷系统，控制室内空气的相对湿度是相当重要的，而且合理选用适当的室内相对湿度，对于系统的最大供冷能力有着很大的影响。例如，对于25的室内空气干球温度，如果室内相对湿度为50%，则天棚的最大允许换热能力比60%相对湿度的最大允许换热能力高48%。所以，如果建筑物的单位面积冷负荷较大，要想完全利用天棚来实现供冷，只有在较小的室内相对湿度状态下才能实现，这样则在一定程度上加大了除湿的要求。前面所述的天棚表面的换热能力，是在保证天棚表面温度比露点温度高2情况下的最大允许换热能力，此换热能力是和露点温度,也就是天棚表面允许最低温度密切相关的，要想获得的供冷量越大，就需要越低的天棚表面温度，表3是对于辐射供冷暖，在达到室内舒适性前提下，需要保证的参数。由表3可知，对于天棚辐射供冷，其保证舒适性的不对称温度为14，而根据表1确定的辐射供冷天棚表面的最低允许温度与室温的差值均在此范围内。所以，对于混凝土天棚辐射供冷，即使较低的天棚表面温度，也不会对舒适性有明显的影响，因此，天棚表面的最低允许温度以不结露为原则（一般控制在比露点温度高2）。 2.2 混凝土天棚对流、辐射换热量的比例对于混凝土天棚辐射供冷而言，其天棚的对流换热系数可以按照下式确定1：按照上式和表1、表2的数据，根据对流换热公式，可以计算出相应面积的单位面积对流换热量以及辐射换热量占总换热量的比例。计算的数值统计在表5中。由于温度对最大允许换热量影响非常小，表5只列出了相对湿度的影响。由表5可以看出，混凝土天棚辐射供冷换热量中，对流与辐射换热的比例随着空气的相对湿度的增加而减小，随着空调房间天棚面积的增大而增大，但是辐射换热所占总换热量的比例变化不剧烈，在68%-78%的范围内变动，可见辐射换热所占的比例还是很高的，这也是空调房间较高舒适性的一个保证。2.3 新风除湿的探讨由表1我们很容易了解，室内相对湿度对露点温度有着很大的影响。为了保证室内相对湿度，防止结露的出现，必须有相应的除湿办法。目前，对于天棚供冷系统基本采用新风除湿的办法，这样新风系统不但承担着室内的卫生要求，而且还承担着室内的除湿任务。根据文献2的分析，如果新风按照规范规定的最小新风量确定，则按照表冷器的处理极限考虑，对于新风标准较高，人员体力活动较弱的场合，以最小新风量就能满足系统的除湿要求，对于按照最小新风量无法达到除湿要求的房间，只能加大新风量，以满足对室内空气露点的要求。由于处理后的新风焓值低于室内空气的焓值，势必造成新风承担了室内的负荷。表62是单位面积新风承担的室内负荷。由表6可见，对于人员密度大的场合，单位面积新风承担的负荷量是很大的，这就势必削弱了天棚辐射供冷量，也就无法达到辐射供冷的初衷。所以，混凝土天棚辐射供冷不宜在人员密度较大的场合使用。如果要避免新风承担室内负荷，可以先将新风处理到室内空气的焓值，然后利用固体吸附剂或者转轮除湿等手段再将新风等焓处理到需要的送风含湿量，但这增加了系统的复杂性。2.4 利用冷却塔进行混凝土辐射供冷的探讨通过前面的分析可知，要保证室内较好的舒适程度，室内空气的露点温度在13-19，这样就要保证冷水的供水温度至少在11-17，这样的冷水供水温度，在合适的地区、合适的季节，完全可以利用冷却塔来实现。冷却塔的供冷温度是受室外空气的湿球温度影响的，所以当室外空气的湿球温度降低到某个值以下时，就可以直接利用冷却塔来实现供冷，而完全可以不开制冷机。这样就大大减少了制冷机的开机时间，节能效果是相当显著的，而且供水温度也合乎要求。由于我国西北地区的夏季室外空气相对湿度较低，这就更适合冷却塔供冷的实现。如果假定冷却塔的供冷温度为13，空调系统运行时间为8:00?17:00，全年供冷，则采用冷却塔直接供冷的理论最大小时数见表73。由表7可知，西北地区的冷却塔供冷小时数明显高于其它地区，乌鲁木齐的冷却塔供冷天数可以占到全年的45%。由此可见，由于混凝土天棚供冷需要的冷水温度较高，配合冷却塔供冷可以大大推迟冷水机组的开机时间，尤其是西北地区，更适合利用冷却塔结合天棚混凝土辐射供冷，来达到舒适、节能的双重效果。3 天棚混凝土辐射供冷的其它问题由于天棚混凝土辐射供冷，是将塑管等管路（毛细管）直接埋于天棚结构中，所以施工时必须保证管路的安全，严格按照施工要求进行，避免野蛮施工，施工完毕应避免在地面钉钉子。由于混凝土有一定的蓄热能力，所以可以在一定程度上减少系统的峰值负荷，在夜间可以将天棚温度调的稍低，充分利用谷段的电能或者自然能，来节约更多的能量。但是为了防止结露，要控制天棚表面的温度。由于天棚表面的温度必须控制在露点温度以上，所以在一定程度上限制了天棚的供冷能力。混凝土天棚供冷系统不适合单位面积冷负荷较大的场合，以及人员密度较大的建筑。对于使用本系统的建筑，应该对建筑本身作好充分的保温，使建筑能耗保持在较低的水平，则系统的效果将会更加理想。4 结论（1）混凝土天棚辐射供冷是一种舒适、节能的新型空调方式，有很多的优点，也有很大的市场潜力。（2）混凝土天棚辐射供冷的天棚表面最大允许换热能力对室内空气的相对湿度相当敏感，而受室内空气干球温度的影响相对较小。（3）混凝土天棚辐射供冷量中，辐射换热所占的比例很高，在68%?78%之间，这对室内的舒适性水平有很大的好处。（4）由于混凝土天棚辐射供冷需要的冷水温度相对较高，可以利用冷却塔来提供冷水。尤其在西北地区，冷却塔结合混凝土天棚辐射供冷可以大大节约系统的能耗。总之，混凝土天棚辐射供冷系统是一种舒适、节能、投资少、免维护、运行控制方便的，值得推广的空调方式。参考文献1.Gerd H, Christoph K. Comput