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辐射供冷系统简介和设计初探天津大学环境科学与工程学院 王硕 田喆摘要：辐射吊顶系统供冷是一项新技术，其最大的优越性在于极高的室内空气质量和节能潜力。本文介绍了辐射吊顶系统的原理、分类和结构形式，与一般传统空调做了对比，着重指出了这种新技术的优势。文章的最后举了一个例子来说明辐射吊顶的设计方法和选型方法。关键词：辐射供冷 冷梁 冷天花 设计方法 0引言辐射技术供冷起源于上世纪80年代的欧洲。到目前为止，辐射供冷已经在欧洲的各大商场、银行、超市得到了广泛的应用,尤其是在德国和瑞士。辐射供冷的优越性主要体现在以下几个方面：(1)传统空调传递热量的介质主要是空气，但是空气比热容只有水的1/4200，在传递同样热量的条件下所需的水量远小于空气，辐射供冷在输配传热介质上的耗能要比传统空调小得多。(2)传统的风机盘管加新风系统噪音大，冷凝存在易造成细菌滋生，但辐射供冷无噪音、无冷凝水。(3)传统的空调如果要想实现温、湿度的同步控制，一般需要对送风再热，导致能耗增加。通常做法是牺牲温湿度中的一项，从而影响室内的热舒适性。辐射供冷可以实现温湿度分离控制，且辐射供冷在室内形成的温度梯度很小，风速极小，达到良好的室内舒适性。(5)随着现代办公室中电子设备的增加，房间的冷负荷也逐渐增大，由于传统空调送风温差的限制，不得不增大送风量，但这样又会引起室内风速有超标的危险。辐射供冷能将显热和潜热分开处理，很好地解决了这个问题，因此辐射供冷有着传统空调无法比拟的优势。但是辐射供冷在我国起步较晚，至今还未有实际场所大面积的应用，仅仅停留在理论研究和实验室论证阶段。随着国家提倡的节能减排政策愈来愈受到重视和人们对室内环境要求的日益增高，辐射供冷技术在我国也会受到越来越多的重视。1.辐射供冷系统设备分类辐射供冷系统与环境之间的热交换有辐射和对流两种形式，根据各自所占总换热量比例不同，通常将辐射供冷的设备分为辐射式和对流式两种。此外，对流式供冷还可以进一步分为主动式冷梁和被动式冷梁两种特殊形式。1.1辐射式辐射式进一步可分为楼板式和吊顶式。楼板式进而可以分为毛细管式和混凝土式。毛细管式一般使用内径很小的塑料管；塑料管紧密排布，供冷能力比较小，一般为4065 W/m2。混凝土式是把水管直接埋入房间混凝土天花楼板中，与建筑围护结构形成一体，它的供冷能力更小一些，大约3040 W/m2，一般用于满足建筑基础冷负荷。吊顶式具有闭式平滑表面，其辐射换热一般占总换热量的60%，对流换热量占40%。它一般直接悬吊在天花板下方，有时会将吊顶板做成穿孔板，在其上敷设吸声垫，起到吸声的作用。吊顶式在房间垂直方向上温度波动极小，一般在0.5K以内，室内形成的风速一般不超过0.1m/s，能提供的冷量不超过100W/m2。辐射式供冷一般应用于冷负荷不太大的场合，如办公室、学校、银行。辐射式供冷完全也可以用于供热。1.2对流式1.2.1吊顶式对流式吊顶一般开有强化空气流动的缝隙，以增强对流换热。其对流换热所占比例在50%以上，有时甚至可以达到70%。对流式系统在垂直房间高度上的温差也很小，一般在2K以内。对流式最大能够提供150W/m2的冷量。与辐射式供冷相比，对流式冷天花引起室内空气流动的风速稍大，但也不会超过0.15m/s。这种供冷方式应用于冷负荷比较大的场所，如商场、超市、博物馆和展览室等场所。同样，对流式吊顶也可用于供热。1.2.2 冷梁冷梁与环境之间的热交换绝大部分是通过对流进行的，对流换热的比例可以达到90%95%。冷梁按有无一次风通入，又可以进一步分为主动式冷梁和被动式冷梁。主动式冷梁有一次风通入。经过喷口的新风以极高的速度进入冷梁，形成负压，诱导室内空气穿过表冷器进入冷梁。主动式冷梁出风口气流流速比较高，不能直接布置在工作人员的正上方。根据主动式冷梁出风口的数目可以分为单侧送风和双侧送风。单侧送风主要敷设于房间天花板边缘处；双侧一般布置在天花板中间。这种供冷系统能力比较大,可以达到620W/m，通常用于冷负荷较高的场所。主动式冷梁可以用于供热。被动式冷梁与主动式冷梁最大的区别在于它没有一次风引入，完全依靠自然对流形成室内空气循环供冷。被动式冷梁下方气流速度也比较大，与主动式冷梁，被动式冷梁也不能直接布置在工作人员上方。被动式冷梁供冷能力可以达到400W/m。由于被动式冷梁自身原理限制，其不能用于供热。图1：主动式冷梁和被动式冷梁2.辐射供冷的设计特点辐射供冷系统在去除室内负荷的过程与传统空调有着根本的区别。辐射供冷是把显热负荷和潜热负荷分开去除；而传统空调是把显热和潜热同时去除。所以二者在设计方面也有着很大的差异，主要体现在通风系统和水系统设计上。2.1辐射供冷与独立新风系统相结合辐射供冷只能消除室内的显热负荷，潜热负荷必须采用其它手段去除。另外，根据室内空气品质和正压排风的要求必须向房间供给新风。因此辐射供冷通常与独立新风联合设计承担室内全部冷负荷。2.1.1送风方式的选择在送风方式的选择上，从原则上来说，辐射供冷可以和任意一种送风方式相结合。从舒适性和节能性上考虑，顶送风方式效果最好。独立新风由于负担全部室内湿负荷，机器露点温度通常远低于常规新风或全空气系统。顶送风方式可以实现低温送风，避免送风再热，节约能源。另一方面，顶送风可以加强辐射供冷板表面附近空气的扰动，强化了换热，提高辐射供冷板的供冷量。置换通风与辐射供冷互补性很强。辐射供冷可以消除置换通风形成的垂直温差，而辐射供冷需要置换通风高效的换气效率。但是置换通风送风温差较小。使用置换通风与辐射供冷相匹配，必须要对新风进行再热，虽然获得了较高的空气质量，但是浪费了能源，节能效果不如天花板顶送方式。2.2 除湿方式的选择辐射供冷要求独立新风系统必须把室内的全部潜热负荷(湿负荷)去除，要求送风的含湿量必须足够小。笔者曾经对比过同样的一间房间采用全空气系统和辐射供冷系统加顶送独立新风系统，全空气系统送风温度17.2，含湿量11.8g/kg，而辐射供冷要求送风温度为14.2，含湿量9.7g/kg。因此除湿是独立新风设计的一个重要环节。独立新风除湿通常的方式有冷却除湿、转轮除湿和溶液除湿等。冷却除湿技术成熟，使用简单。采用7冷冻水的多排表冷器设计，可以将空气冷却除湿至10的机器露点温度。对于一般建筑负荷，冷却除湿方式能够实现辐射供冷系统对新风除湿的要求。转轮除湿机，适用于送风温度比较高，而相对湿度比较低的场合。这样的除湿系统COP值在0.61之间，性能主要受转轮除湿机和热交换器的影响。该系统的运行费用和常规的空调持平或略高，而且在初投资方面要高于常规的空调系统，因此使用前需要进行综合的经济性分析。溶液除湿是近几年开发出来新的除湿方式，与热泵的结合大大提高了其工作效率。对辐射供冷来说，也是一种选择。2.3 辐射供冷水系统辐射供冷水系统比较复杂，主要体现在水系统要提供两组不同温度的冷冻水来满足需要。辐射供冷系统的供水水温一般在1520之间，而冷冻除湿需要7的冷冻水。一般我们可以通过以下3种方案设计水系统。方案一：一个冷源，并联方式。辐射供冷和独立新风共享一个冷源。水系统分两路，一路供给独立新风系统，另一路供给辐射供冷系统，辐射供冷所需水温较高，通过板式换热器制得。该种系统设计简单，易于控制，但不能体现辐射供冷的节能特性。方案二：一个冷源，串联方式。从冷源出来的冷冻水先经过新风机组对新风进行降温除湿处理，再供给辐射供冷系统。一般情况从新风机组出来的冷冻水温度会低于辐射供冷对冷冻水温的要求，所以要在辐射供冷回水处装三通，以便调节辐射供冷的水温。这样的设计相当于利用了冷冻水两次，增大了供回水温差，降低了水泵输配功耗。但是冷水机组功耗并未真正降低。方案三：两个冷源。为独立新风和辐射供冷各设一套冷冻水系统。独立新风系统和辐射供冷系统的水温要求相差比较大，这样设计有很强的针对性，可以降低系统能耗。但是这样的设计初投资稍大。由于辐射供冷系统对冷冻水的要求比较高，这就给寻找替代冷源使用留下了空间。在过渡季节可以使用冷却塔为辐射供冷系统提供冷源。在地下水资源丰富、温度比较低的地区，也可以利用地下水直接供冷。这样就凸显了辐射供冷的节能潜力。对水系统的控制也是水系统设计很重要的环节。为了防止结露，需要在供冷系统的辐射板表面布置结露感应装置。一旦辐射板附近空气达到饱和就立即切断冷冻水的供给；亦可改变通过三通阀回水的流量来改变冷冻水水温。图2：三种水系统设计方案系统图3. 辐射供冷设计案例本部分旨在通过一间办公室辐射供冷案例，探讨辐射供冷与独立新风联合设计的方法和步骤。3.1 设计基本信息天津地区一间办公室，一面朝北的外墙，双玻外窗，其它均为内墙，整体建筑设计满足公共建筑节能设计标准要求。房间尺寸为5m5m3m。夏季空调设计室外干球温度33.4，湿球温度26.9。办公类建筑室内空调设计温度26，相对湿度60%。露点温度为17.7。3.2房间设计负荷的确定人员密度以5人/m2计算，设备及照明负荷42.8W/m2。采用逐时法计算房间冷负荷，计算时间段为早上7点至晚上10点。经计算该办公室冷负荷指标为91.4W/m2。其中显热负荷76.0W/m2，潜热负荷15.4W/m2，散湿量0.55kg/h。3.3 确定送风状态以办公室人均最小新风量30m3/h计算送风量，总送风量为150m3/h。采用冷却除湿方式设计独立新风系统。新风负责去除所有室内潜热（湿）负荷，则送风的含湿量可以通过公式(1)得到：图3：空气处理过程 (1)r室内温度条件下水蒸气的气化潜热（kJ/kg）送风状态点的含湿量()室内设计条件下含湿量()房间的潜热负荷(W) 送风量(kg/s）新风采用露点送风，经计算送风点S的含湿量为9.71g/kg.d，相对湿度95%，因此送风温度为14.2，送风焓值38.91kJ/kg。送风温差约11.8，采用紊流送风口可以保证室内舒适度。这部分新风可以除掉室内的显热通过公式(2)计算： (2)新风去除的显热负荷()C 空气的比热，通常取c=1.01kJ/kg送风量（kg/s）房间设计温度()送风温度()本例新风负担的显热负荷为596W，合23.8W/m2。3.4 辐射顶板承担的负荷辐射吊顶承担的负荷可以通过以下公式(3)式计算： (3)辐射吊顶承担的负荷(W)房间总负荷(W)本例辐射供冷板负担的负荷为1305W，合52.2W/m2。3.5辐射顶板选型辐射供冷板的供冷能力受到供水温度、室内空气状态、送风方式以及其自身结构形式等因素的影响，对辐射顶板选型前需要对多个确定因素。首先需要确定辐射供冷板的冷冻水温度。为了避免辐射顶板表面结露，冷冻水供水温度应比室内空气露点温度高约0.51，而冷冻水供回水温差一般为23,因此选择冷冻水供、回水温度为18和20，平均温度19。参照某公司辐射供冷板样本，在室温26，冷冻水平均温度19的条件下。单位面积辐射顶板的标准供冷量为：影响辐射顶板的供冷量还有盘管间距、辐射顶板材料和新风送风方式的影响。本设计盘管间距取50mm，辐射顶板的材料为钢，吊顶材料和间距修正系数。送风方式采用天花板紊流送风，送风方式修正系数。实际辐射供冷吊顶的供冷量可以通过公式(4)得到： (4)辐射顶板的面积可以通过公式(5)计算得到： (5)辐射顶板站天花板面积的比率为通过公式(6)得到： (6)通常情况下，天花板还安装有风口和照明灯等装饰物，因此辐射冷天花顶板不可能满布，一般占天花板面积百分数不超过75%。经计算，该系统需敷设冷天花板18.5m2,=74%满足设计要求。就本例而言，辐射供冷板布设面积较大是因为冷冻水供水温度过高，究其根本在于室内空气露点设计温度较高。若保持室内空气设计干球温度不变，降低设计相对湿度至50，露点温度则为14.7，相应地辐射供冷板供水温度可以将低至16，其供冷量则升高至81W/m2,在保证相同供冷量的前提下，辐射供冷板可少敷设4.2m2。但是房间设计参数的改变同样也会影响新风系统的设计，可见室内设计参数对于系统的合理设计有很大影响。参考文献：（1）S.B Raffit ，X. 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