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人员密度对毛细管辐射空调适用性的影响华中科技大学 胡云鹏 陈焕新 陈孚江 张迪摘要 毛细管辐射空调系统需要和新风系统并联运行，室内人员密度决定了新风量，也决定了辐射系统与新风系统两者的耦合关系。分析了人员密度与毛细管辐射空调系统安装面积之间的关系，通过实例说明了辐射系统与新风系统在不同人员密度下的对应关系，该相关性可初步分析耦合系统的可行性。关键词 毛细管辐射空调 人员密度 新风系统 安装面积 0 引言辐射顶板空调系统在欧洲、北美均已有许多应用，毛细管辐射空调属于辐射顶板的新一代产品，通常采用规格为3.40.55mm、4.30.8mm的PP-R管组成的间隔为10mm30mm的网栅，如同人体的毛细管一样实现分配、输送和搜集的功能，冷冻水流速在0.050.2m/s之间。近几年来，我国的一些工程中也应用了该产品。在考虑到室内空气品质的问题时候，由于辐射末端本身不具备除湿功能，毛细管辐射系统须和新风系统并联运行。其中，新风系统承担室内的湿负荷和部分显热负荷，而毛细管系统则承担室内的剩余显热负荷。以下简称二者的并联系统为“辐射+新风”系统。“辐射+新风”系统既具有较高的热舒适，又能实现较好的室内空气品质，而且具有很好的节能效果。山东建筑大学马玉奇、刘学来等人对辐射顶板的原理、分类、特点以及辐射顶板的研究现状进行了综述1。天津大学陈启、马一太等分析了辐射顶板空调夏季制冷的优势，也分析了采用同一套系统进行顶板辐射采暖所面临的问题2。清华大学高志宏、魏庆芃、綦戎辉等建立了毛细管辐射末端装置换热的基本模型，通过实验验证了其室内热舒适性效果3。上海建筑设计研究院何婧、谌小玲等分析了“独立新风+辐射供冷”系统的适用场合，提出了单位质量新风量除湿能力的判断参数，同时认为以湿度控制为主的控制方法能有效的防止系统结露，对于散湿量变化很大或散湿量极大的场所（如餐厅、体育馆等），室内需要维持负压的场所（如传染病房、吸烟室等），有换气次数要求的场所不适合采用“新风+辐射”系统4。但是有效除湿与室内凝露问题也是高热高湿地区在应用毛细管辐射空调时所必须面临的问题。山东建筑大学马玉奇、刘学来等在分析冷却顶板结露问题的原因和形成过程的基础上，建立了湿度控制数学模型，探讨了顶板结露的变化规律，并结合一个典型的办公建筑实例对冷却顶板的凝露形成过程以及凝露形成的时间进行了分析计算，研究发现，凝露的形成是一个极其缓慢的过程，即使在极端的不利情况下也可以通过自动控制手段避免凝露问题5。正是由于“辐射+新风”系统存在着特点鲜明的优势与弊端，它就和温湿度独立控制系统、置换送风系统、辐射供冷供热的有效温度、低品位能源有效直接利用、能源梯级利用、各种除湿方法等概念、手段、技术紧密的联系在一起6。由于人员密度与新风量存在着直接的关系，因此在分析“辐射+新风”系统可行性时，应首先确定人员密度对耦合系统可行性的影响。1 “新风+辐射”系统的设计思路对于“新风+辐射”的系统设计，宾州州立大学Jeong和Mumma.给出了详细的步骤来完成该系统的设计工作7。首先是确定室外气象参数和室内气象参数，然后计算设计冷负荷以及需求的新风量。其中，为了满足室内空气品质的要求，必须根据室内人员，室内面积，按照ASHRAE标准62.1的推荐公式来计算室内需要新风量。其中：Pz为室内人员数量，人；Rp为室内单位人员最小新风量，m3/h人；Ra为室内单位面积最小新风量，m3/hm2；Az为室内面积，m2。然后，根据室内热、湿负荷，以及经特征区域的送风状态点，确定新风系统的送风状态点的温度和相对湿度。由此确定热回收器的效率和新风盘管的制冷量。根据送风状态点和室内状态点，确定新风系统承担的室内显热负荷的比例。当然，剩余部分的显热负荷由辐射冷板来承担。最后，根据确定辐射系统的设计能力以所需承担的显热负荷，计算辐射系统的安装面积。2 人员密度对系统匹配的影响通常室内显热平衡方程可以写成公式的形式。其中，表示的是内热源项，主要包括设备、灯光、人体等。人体散热包括显热和潜热两部分，而显热散热的一部分是辐射成分，所以人员的显热得热引起的冷负荷大小由该空间的蓄热特性所决定。而潜热得热则认为直接转变成瞬时冷负荷。因此，当建筑确定以后，人员密度的大小不仅影响室内负荷的变化，也对“新风+辐射”系统的设计有着决定性的影响。当室内温度维持在设定温度时，室内处于热平衡状态，根据热平衡原理可知：而整个空调系统提供的冷量等于新风系统提供的冷量Woa与毛细管辐射空调系统提供的冷量Wp之和：根据室内人员密度及室内面积，以及公式可计算新风系统的送风量：其中：Dp为室内人员密度，人/m2。新风系统提供的冷量等于新风送风状态点与室内设定状态点的焓差乘以送风量：毛细管辐射空调系统所提供的冷量，可以按照单位面积毛细管的制冷量qp乘以毛细管的安装面积Ap来计算：整理上述公式，可以得到人员密度与毛细管平面安装面积的关系式： 根据公式分析，人员密度与毛细管辐射系统的安装面积呈反比例关系：人员密度增大时，由于新风量的增加，新风系统承担的室内显热负荷的比例增大，毛细管辐射空调的安装面积减少；反之，当人员密度减少时，由于新风量的减少，新风系统承担的室内显热负荷的比例减少，毛细管辐射空调的安装面积就要相应的增加。当人员密度增加到一定的比例的时候，新风系统承担的室内显热负荷可以达到甚至超过100%，就完全不需要毛细管辐射空调了。3 实例分析根据国内常用设计参数，假设室内单位人员最小新风量为30m3/h人，室内单位面积最小新风量为0m3/hm2。根据相关毛细管辐射空调的基本型号，取单位面积毛细管的制冷量为90W/m2。本文选取两种面积的房间作为典型实例进行模拟分析。3.1实例一实例一为一个4m3m2.8m（长宽高）的小型空间，房间面积为12m2。通过模拟，得到新风量、毛细管辐射面积与人员密度的关系如图1所示，而毛细管辐射系统与新风系统承担室内显热负荷的比例如图2所示。图1 人员密度对新风量、辐射面积影响图2 各系统承担室内显热负荷的比例当人员密度为0.05人/m2的时候，毛细管辐射板承担的显热负荷比例为80%左右，毛细管辐射面积约8.5 m2，约占整个房间顶部面积的2/3。当人员密度增加到0.13人/m2的时候，新风与毛细管系统承担的室内显热负荷的比例大致相同，毛细管辐射面积约占整个房间顶部面积的1/2。随着人员密度的增加毛细管系统承担的比例也越来越少，最后当人员密度大于0.27人/m2的时候，单纯依靠新风系统的就能完全承担室内的显热负荷了。3.1实例二实例二为一个20m6m2.8m（长宽高）中型空间，房间面积为120m2。通过模拟，得到新风量、毛细管辐射面积与人员密度的关系如图3所示，而毛细管辐射系统与新风系统承担室内显热负荷的比例如图4所示。图3 人员密度对新风量、辐射面积影响图4 各系统承担室内显热负荷比例当人员密度为0.05人/m2的时候，毛细管辐射板承担的显热负荷比例为78%左右，毛细管辐射面积约52m2，约占整个房间顶部面积的1/2。当人员密度增加到0.08人/m2的时候，新风与毛细管系统承担的室内显热负荷的比例大致相同，毛细管辐射面积约占整个房间顶部面积的1/3。随着人员密度的增加毛细管系统承担的比例也越来越少，最后当人员密度大于0.19人/m2的时候，单纯依靠新风系统的就能完全承担室内的显热负荷了。4 结论毛细管辐射空调系统须和新风系统联合使用才能满足舒适性与室内空气品质的要求，而人员密度与“辐射+新风”系统的设计有密切关系。当人员密度较小时，毛细管辐射空调面积较大，投资较高，而人员密度较大时，毛细管辐射空调面积较大，已不适合采用。对于不同的建筑，必须经过经济技术比较进行该耦合系统的设计工作。而对于人员密度变化的情况，必须通过自控系统来进行优化控制，实现“辐射+新风”系统的最佳运行工况。致 谢本项目得到国家科技支撑计划项目“建筑物（群）全天候耦合能量传递优化控制及节能关键技术”（2008BAJ12B03）的资助，在此表示感谢。参考文献1马玉奇,刘学来,李永安,等. 辐射顶板空调系统研究与发展综述J. 制冷, 2008, 27(2): 29-34.2陈启,马一太. 辐射顶板空调系统的优势J. 节能技术, 2005, 23(01): 40-433高志宏,魏庆芃,綦戎辉. 温湿度独立控制系统显热末端装置性能研究C. 全国暖通空调制冷2006年学术年会. 70-734何婧,沈晋明,寿青云,等. 独立新风与辐射供冷系统防结露问题探讨J. 暖通空调, 2008, 38(06): 159-161,1805马玉奇,刘学来,李永安,等. 冷却顶板结露问题分析J. 山东建筑大学学报, 2007, 22(6): 537-5406丛旭日.