置换通风加冷却顶板系统存在的问题及解决措施分析

王利霞

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003）

置换通风加冷却顶板系统存在的问题及解决措施分析

王利霞

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003）

介绍了置换通风加冷却顶板空调系统，分析了冷却顶板所承担制冷量的大小和冷板在顶棚的位置对室内气流的影响，总结了针对该系统结露问题的解决措施，为该系统在工程上的应用提供一定参考。

置换通风；冷却顶板；影响因素；结露

置换通风以独特的气流组织形式，不仅能提供良好的室内空气品质，而且具有一定的节能性，近年来，在我国被逐步地推广使用，如北京国家大剧院、上海大剧院、广州新体育馆、葛坝洲水电站厂房等，这些都是置换通风技术在工业与公共建筑上的典型应用。在置换通风系统中，为了满足人体的热舒适性要求，该系统送风温度高、工作区温度梯度小，送风装置的送风速度小、因而单一的置换通风系统的制冷能力有限，而置换通风加冷却顶板系统能有效提高制冷量，并且运行费用低、舒适性高，很适合于工程应用。

1 置换通风加冷却顶板系统

根据已有文献，单一的置换通风系统的制冷能力一般为20～35w/m2，在室内负荷较小时可以采用。而我国南方夏季温度较高，即使是北方，夏季室内负荷也远大于35w/m2。因此，通过置换通风与末端冷却设备的结合来提高制冷量是十分必要的。这些末端冷却设备主要有带诱导的末端送风装置、冷却顶板、冷梁、冷柱等，它们的制冷能力见表1。

表1 不同置换通风形式的制冷能力［2］

我们可以根据室内负荷大小选用不同形式的置换通风系统。从工程应用来看，当室内负荷较大时，采用置换通风结合冷却顶板的系统比VAV系统更经济。同时，置换通风与冷却顶板结合比混合通风与冷却顶板结合节能效果更明显［1］。

图1 冷却顶板结构［2］

如图1所示，常用的辐射顶板一般用金属板或混凝土板做为冷负荷的分布器。金属板散热快，混凝土板蓄热能力强。辐射顶板中布置的管网内循环流动的是用于消除余热的冷却水，通过热辐射和热对流两种方式与室内空气进行换热。由于单位质量的水携带的能量是空气的3 000多倍，因而辐射制冷系统大大降低了能耗。同时，混凝土较强的蓄热能力也提供了十分稳定的室内环境，而且一定程度的辐射也满足了人体的热舒适要求。

2 置换通风加冷却顶板系统的影响因素分析

冷却顶板制冷量占系统总制冷量的比例 对CC/DV系统有重要的影响。图2所示为实验所得室内热源散热功率为20w/m2情况下，随着冷却顶板所占制冷量比例的增大，垂直温度梯度明显变小了，当冷却顶板制冷量比例为0.9时，其垂直温度分布曲线几乎是一条垂直直线。因此随着冷却顶板制冷量比例的增加，可以降低垂直温差，同样会满足人体的舒适性要求，同时减少了置换通风的风机能耗。然而，随着比例系数的增大，会导致墙面温度的显著下降，墙面会形成下降的冷气流。Fitzner等［2］的实验表明：当冷却顶板负担的室内冷负荷比例占60％时，沿墙壁下沉的冷气流和从冷却顶板下沉的空气，开始影响工作区气流流型，随着比例系数的增大，下沉的冷气流会一直到地板，从而破坏了置换通风的气流组织，室内的分层置换气流将转化为混合流动，使工作区空气产生强烈混合，降低了工作区空气品质。所以在进行CC/DV系统设计时，冷却顶板负担的室内冷负荷不宜过大，需要确定合适的冷负荷分配比例。

图2 室内垂直温度分布随冷却顶板制冷量比例的变化曲线［2］

另外，冷板在顶棚的布置位置是对CC/DV系统有影响的又一因素。文献［3］通过用CFD对CC/DV系统中冷板处于不同位置时室内气流温度与速度分布的模拟进行研究，结果表明：冷板的位置对室内下半部分的流场和温度场的影响很小，主要影响室内上半部分的流场和温度场；冷板位于人体热源上方顶棚比冷板位于非热源上方顶棚更能增强热源产生的热羽流强度，从而使人体周围的气流速度增加；当冷板下方的非人体热源强度过大时，产生强度很大的热羽流遇到顶棚向下返回的过程中，可能会破坏房间下部置换通风良好的气流场。因此如果室内存在过强热源时，应避免将冷板设置在其上方，或者避免将此类热源放置在冷却顶板正下方。

3 置换通风加冷却顶板系统的应用现状

在我国由于对置换通风的认识不足，错误地将置换通风作为一种调节室内温度的送风方式。其实，对于采用置换通风与冷却顶板组合的末端送风装置，置换通风主要是用来改善室内空气品质，提供100％的室外新风，只承担室内的湿负荷、新风负荷及小部分冷负荷。而温度的调节主要通过与之配合使用的冷却顶板、冷梁等设备通过冷辐射来承担室内大部分冷负荷。从人体舒适性方面来讲，40％～50％的辐射，30％～40％的对流，10％～20％的蒸发是人体最佳的舒适感［4］。而单一的置换通风只能提供对流与蒸发，缺少了影响人员舒适度的一个主要因素—辐射。从节能角度来讲，在辐射换热下，人员对温度的感觉灵敏度提高，在室内温度略高的情况下也会感觉比较凉爽。对于回风采用效率很高的热回收装置。置换通风的这种方式在欧洲的办公建筑、商业建筑中被广泛使用。

4 置换通风加冷却顶板系统存在的问题及解决措施

由于冷却顶板只能除去显热负荷，无法除去湿负荷，室内相对湿度和露点温度的控制是辐射板面临的主要问题。为避免结露，应通过水系统的调节或空气系统的相应措施，使顶板的供水温度高于周围空气露点温度。研究表明：对于大多数办公室建筑辐射板表面温度不低于17.5℃就可避免结露，同时可获得高达100w/m2的能量［5］。

根据已有文献，置换通风加冷却顶板系统避免结露的主要方法有：

1）对新风进行除湿处理。空气的除湿过程有两种方式，一是送风由冷水盘管或制冷剂直接蒸发进行冷却除湿，盘管表面温度必须低于送风露点温度以进行除湿处理，空气经过此处理过程后会过冷，因此在送人室内之前往往需要进行再热处理；另一种方法即是采用转轮硅胶除湿器进行除湿处理，此过程可把除湿和冷却两过程相对分开，因而比较适用于送风温度相对而言比较高时需要去湿的场合。此外，还可用液体除湿系统去除空气中的水分，吸湿后的溶液通过加热再生后循环使用。

2）用对长波具有高透过性的薄膜密封包裹冷却顶板，并在冷却顶板下表面和薄膜之间保留一真空或空气夹层［6］。文献［6］通过实验测试了办公室内的温度场、速度场和CO2浓度场，结果显示薄膜的温度等于或大于冷却顶板下表面和室内空气温度的平均值，薄膜表面和冷却顶板不可能结露，下降气流也相应减少，冷却顶板的制冷量基本保持不变。

3）对原有置换通风加冷却顶板系统进行改进。文献［7］把空调系统的作用过程分为系统启动初期和正常运行两个阶段。第一阶段冷却顶板关闭，置换通风系统以定风量的方式向室内送入新风。当贴附层内空气的露点温度低于冷却顶板的设计温度时，系统进入第二个阶段，冷却顶板开启，新风量减小到系统正常运行时的设计新风量。同时文献［7］通过数值模拟的方式对这种避免结露的改进方法进行了研究，并对改进后该系统的室内热舒适性进行了分析，验证了改进后空调系统的PMV和PPD值均符合ISO7730标准，证明了系统改进方法的可操作性。

5 结语

置换通风是一种既节能又能提供良好空气品质的气流组织形式，然而，由于单一的置换通风制冷能力有限，其应用受到了限制。置换通风加冷却顶板系统能有效提高制冷量，然而，顶板的结露和顶板所承担制冷量的大小及顶板的布置位置对室内气流的影响是该系统的主要问题，我们只有把这几方面处理好，才能充分发挥该系统的节能性和舒适性，使其在工程上得以广泛应用。

［1］Atila Novoselac，Jelena Srebric.A Critical Review on the Performance and Design of Combined Cooled Ceiling and Displacement Ventilation Systems［J］.Building and Environment，2002（34）：497-509.

［2］Klaus Fitzner，Holger Kruhne.Displacement flow and cooling ceilings［J］.Healthy Buildings，1995.

［3］方晶，黄翔.CC/DV系统中冷却顶板位置对室内环境的影响［J］.洁净与空调技术，2010（1）：21-25.

［4］张帆.置换通风加冷却顶板技术评述［J］.建筑热能通风空调，1999（4）：31-34.

［5］Hodder S G，Loveday D L，Parsons K C，et al.Thermal comfort in chilled ceiling and displacement ventilation environments：vertical radiant temperature asymmetry effects［J］.Energy and Buildings，1998（27）：167-173.

［6］王晋生，龙惟定，董涛，等.置换通风加冷却顶板系统避免结露和下降气流的方法［J］.暖通空调，2009（1）：27-32.

［7］郭少朋.置换通风与冷却顶板空调系统热环境与除湿的模拟研究［D］.呼和浩特：内蒙古科技大学，2009.

〔编辑 石白云〕

An Analysis of the Problem and Solution in Displacement Ventilation plus Cooling Ceiling System

WANG Li－xia
（School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003）

The displacement ventilation plus cooling ceiling system is introduced.An influence on indoor air flow by the refrigerating capacity of cooling ceiling and the location of the cooling ceiling is analyzed.The resolution of the condensation trouble is also summarized.The thesis is used to provide some reference for the technical application.

displacement ventilation；cooling ceiling；influence factor；condensation

TQ051.5

A

1674-0874（2011）02-0067-03

2010－12－20

王利霞（1976－），女，山西大同人，硕士，副教授，研究方向：建筑环境与设备工程。