辐射空调系统的设计优化建议

池鸿鸥

（欧陆生态经济发展（上海）有限公司，上海2000 41）

0 引言

辐射空调系统是一种新型的空调系统，最早起源于20世纪70年代的欧洲和北美，目前在国内已经有一定的应用。辐射空调系统由辐射系统和置换新风系统组成，利用高温冷水作为冷媒介质，温湿度分别控制，因此，系统能耗大大减低同时营造了舒适的室内环境。但是，这一空调系统在实际中应用中也受到地域和建筑类型的限制。因此，如何改善辐射空调系统和扩大其应用性，成为工程设计人员实际设计中值得考虑的问题。

1 辐射系统简介

辐射空调系统由辐射系统和置换新风除湿系统组成如图1所示。其中的辐射系统的主要形式有混凝土楼板埋管式，毛细管席和金属辐射冷吊顶。这3种形式都是以辐射传热为主，而不是对流进行热量交换，营造出和人体舒适温度接近的室内环境。置换新风系统是将处理后的新鲜空气从位于房间下部或侧下部的送风口低风速送至人员活动区域[1]。置换通风的低风速和高效率的特点，不仅能为室内人员提供有效的新风量而且能够实现低能耗运行。置换新风系统承担全部室内湿负荷和部分显热负荷，而辐射系统仅承担室内显热负荷，实现了温湿度的分别控制。所以，辐射空调系统实现了室内环境的高舒适性又节能环保。但是这一系统也有着局限性，主要表现为两点：易结露和辐射制冷能力有限。

图1 毛细管网辐射空调系统

1.1 结露

结露现象是当周围环境温度高于物体表面的露点温度的情况下，物体表面出现凝结水的现象。这是辐射空调系统实际工程中常会遇到的问题之一。目前，辐射空调系统在国内多应用在住宅建筑，下面以建筑面积100 m2，层高：2.8 m的住宅单元为例进行简化分析。

空调室内设计参数为26℃，50%，主要参数计算如下：

（1）新风量Q

Q=Vfn（m3/h） （1）

式中 V—体积，m3；

f—空调面积和建筑面积的比值，取0.7；

n —换取次数，h-1，根据文献[2]取n=0.5 h-1。

则有新风量Q=100 m3/h。

（2）人员数N

N=Q/v （2）

式中v—人均新风量，m3/（h·人），取50 m3/（h·人），见文献[2]。

则有人员数N=2人。

所需处理的含湿量Δd：

Δd=G/（1.2 Q）（3）

式中 G—人员散湿量，g/h，在室内温湿度条件下，成年男子静坐情况下的散湿量68 kg/h[3]。

则所需处理的含湿量Δd=2.27 g/kg（干），由此可得出新风的处理点。最后，把空调室内设计点N，对应露点D以及新风处理点L体现在焓湿图进行分析，详见表1和图2。

如图所示，当人员由原来2个增加至4个时，室内湿负荷翻倍，则室内点由N偏离到N’（26℃60%）。当辐射系统设计供水温度为16℃，低于N’的新的露点温度17.6℃，将会发生结露。通常辐射系统供水温度采用较高的18℃而不是16℃，目的是降低结露风险，但是也引起了辐射制冷能力的降低。另一方面，采取防结露措施。工程设计中，在易发生结露风险的地方安装露点探头例如靠窗位置，当环境空气的露点温度高于顶棚表面温度时，这一区域的水环路关闭。但是，即使安装了防结露控制系统，瞬时的结露现象仍然可能发生，主要是受到系统响应时效的限制。

图2 I-D图

表1 状态点基本参数

除了运行阶段中的结露问题，系统启动阶段也易出现结露问题。以毛细管席辐射为例，相比于混凝土楼板埋管辐射，它有着调节能力快的优点。当系统刚启动时，室内空气接近室外空气，此时开启毛细辐射系统，毛细管席表面降温较快，而新风除湿系统刚启动，因此，易发生结露现象。通常的解决方法是新风除湿系统先开启对室内空气进行预处理。但是，实际运行效果并不好，除湿能力差并且启动阶段除湿时间过长。这是因为新风系统的除湿能力是根据消除室内余湿能力以及人员卫生要求来设计的，并没有考虑启动阶段预除湿能力。根据文献[4]，如果设计时考虑预除湿量，所需新风量将会翻倍。但是，具体实施受到建筑空间的限制。

1.2 制冷能力不足

辐射空调系统的另外一个主要问题是制冷能力不足。辐射面单位换热量以辐射传热为主，而供回水温度平均温度是影响传热量的重要影响因素。当供回水温度平均温度升高时，在相同的其他条件下，同间距同构造，辐射面单位供冷能力下降。通常辐射系统的供水温度高于室内设计点露点温度2℃，取16～19℃，供回水温差采取2～3℃。以混凝土楼板埋管辐射为例，根据厂家数据显示在同等间距同管径的情况下，供回水温度16℃/19℃比18℃/21℃时辐射制冷能力提高约40%。正如上文所述，为了降低结露的风险，常常采取供水温度提高的方法，却大大降低了辐射系统的制冷能力，也会引起室内温度升高。

总得来说，混凝土楼板埋管管径为20 mm，辐射制冷能力约为30～40 W/m2，而毛细管网管径较细，约4 mm，同等安装面积下有着相对高的换热面积，辐射制冷能力约60 W/m2。因此，较之传统系统，辐射系统对围护结构热工性能要求更高，更适用室内显热负荷不高的建筑类型，例如宾馆，住宅等。

图3 毛细管网重力循环柜主要形式

所以，如何改善并使这一系统得到更广泛地应用，成为设计人员在实际工程中值得考虑的问题。就此问题，笔者结合工程经验提出了设计优化建议。

2 设计优化建议

毛细管网重力循环柜（简称‘重力柜’）是毛细管网在重力循环空调技术下的应用，重力柜内设置毛细管网，下部设置凝水盘，基本原理是利用冷热空气的密度差进行重力循环。循环柜内空气与循环柜外的空气存在密度差（ρin-ρout），在重力作用下产生驱动力（ρin-ρout）·g·h，使柜内空气流动。供冷工况时，室内热空气温度较高，密度较小，随着浮力上升，由重力柜上部开口进入重力柜。之后热空气通过毛细管网换热器被冷却，在重力的作用沿着毛细管网下降，从底部的开口流出重力柜，压向室内扩散开来形成冷气流，这样室内空气不断的通过重力柜循环流动，从而减低了室内温度，起到制冷效果。毛细管网重力柜的安装方式可通过配合装修实现多种形式的安装，如图3所示。主要从制冷能力、除湿能力和室内环境舒适度三个方面分析重力柜的特点。

2.1 除湿能力

由于通入重力柜毛细管网中的冷水温度较低，通常采用8～10℃，远低于从上部开口处进来的室内热空气的露点温度，凝结水会在毛细管席壁面析出，并通过冷凝盘排出从而实现了系统除湿。毛细管重力循环柜除湿能力和毛细管席的片数（换热面积）以及进水温度有关，并随着进水温度的提高除湿量下降。根据厂家数据，标准重力柜标准尺寸为1000×200×2500（L×W×H），内设置5组毛细管席，进水温度8℃时，流量400 kg/h时，除湿量为450 g/h，如图4所示。

图4 标准重力柜制冷和除湿能力

2.3 制冷能力

重力柜换热量与毛细管席的片数（换热面积），进水温度，柜体的高度等参数有关。金梧凤[5]进行了毛细管网重力柜制冷能力的评估测试，实验结果表明重力柜可以满足住宅特性建筑物的夏季冷负荷。如上图所示，夏季供回水温度为8℃，流量为400 kg/h时，显热供冷量约为1.1 kW。另外，重力柜也可配置贯流风机，风机仅耗电几瓦，由于增加了空气的扰动增强了对流换热，使得制冷制热能力得到了显著的提高。其它条件不变的情况下，贯流风机风量为500 m3/h时，显热供冷量约为1.4 kW，较之无风机的重力柜显热制冷能力提高了30%（如图5所示）。除此之外，新增风机后还还可以缩短系统启动时间，在系统运行之初除湿且满足高峰负荷需求，而平时正常工作运行时可关闭风机。

2.4 室内环境舒适度

毛细管网循环重力柜可以提供高舒适度的室内环境。通常认为非热舒适性的最主要的影响因素是：垂直空气温差，表面辐射温度、吹风感，送风温度。研究表明，通过对重力循环空调系统房间进行数值模拟，得到室内风速大多满足小于等于0.25 m/s的要求[6]。而通过实验分析也得出了类似的结论，指出重力柜供冷风速平均流速为0.05 m/s，满足ASHRAE（1992）及I S O（1994）舒适度标准[5]。除此之外，重力柜主要是通过无动力方式产生气流进行循环，因此实现了低噪节能。

通过以上3个方面的分析，毛细管网重力柜可以实现和辐射空调系统有机结合，也可独立形成空调系统。这一优化方案不仅保留了原辐射空调系统的热舒适性和节能性，还加强了系统的制冷能力并有效解决了结露问题。因此，毛细管网重力柜是辐射空调系统的一种合理的设计优化，可以应用在辐射空调的改造项目中，也可以在设计之初考虑，提高辐射空调系统的应用性。下面笔者结合实际案例浅析重力柜和辐射空调系统有机结合的可行性。

3 工程实例

图5 标准重力柜配500 m3/h贯流风机的制冷能力

上海地区某办公楼为中央空调系统，形式为混凝土楼板埋管式辐射系统加新风空调系统。原建筑使用功能为大空间厂房，现在为办公室出租，且每层用户结合实际需求对空间进行了重新划分。以某层用户的会议室和活动室为例，由于人员密度增大，出现了冷量不足和结露的问题，因此需要增加空调系统，解决问题而不破坏原室内环境舒适度。

3.1 系统原理

新增空调系统采用了独立的风冷热泵+毛细管网重力柜系统，为用户提供辅助除湿和辅助制冷。系统原理如图6所示。

3.2 设计计算

图6 系统原理图

计算新增冷负荷和湿负荷，负荷的变化主要由于人员的增加。在室内设计参数为26℃50%，则成年男子静坐情况下的显热量为63 W，潜热量为45 W和散湿量68 kg/h[3]，则活动室和会议室新增冷负荷和湿负荷见表2。

表2 新增冷负荷和湿负荷

主机供回水温度为7/12℃，末端设备选型考虑安全系数以8℃供水温度考虑，分别计算各房间显热负荷和湿负荷所需台数，实际台数取二者大值，结果见表3。

表3 选型结果

3.3 结论

重力柜系统保留了原辐射空调系统的舒适性，还解决了冷量不足和结露的问题。另外，用户装修时大量使用了高隔断以及书柜进行分隔，毛细管网重力柜则可替代部分装饰分隔，不仅实现了空间的分隔，还有效得利用室内空间。因此，笔者认为这一优化方案在实际工程应用中有着很强的可行性，也在一定程度上拓展了辐射空调系统的应用范围。

4 结语

辐射空调系统提供了高品质的室内环境又节能环保，有着传统空调不可比拟的优势，符合未来空调的发展方向，健康，节能和人性化。但是辐射空调系统有着自身的局限性，因此，笔者提出了辅助重力柜这一设计优化方案。通过理论数据和工程实践二方面分析，这一设计优化方案都显示出合理性和可行性，从而进一步扩展了辐射空调系统的应用范围，使得这一系统具有更广阔的发展前景。

[1]王玮，徐文华.置换通风和地板送风在住宅辐射顶板空调系统中的应用比较[J].制冷技术，2009，（3）：48～51.

[2]GB 5073 6-2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]唐凯，张旭，刘畅，等.辐射吊顶供冷除湿特性研究与实测分析[J].流体机械，2011，（6）：59～63.

[5]金梧凤，邹同华，余铭锡.毛细管重力循环供冷装置的供冷性能研究[J].制冷与空调，2010，（10）：16～20.

[6]马国斌，魏学孟.重力循环空调房间气流组织的数值模拟[J].建筑热能通风空调，2002，（2）：40～43.