顶棚辐射供冷与新风联合系统空气品质实验研究

罗汉 李维 陈英杰

南京工业大学城市建设与安全工程学院

顶棚辐射供冷与新风联合系统空气品质实验研究

罗汉 李维 陈英杰

南京工业大学城市建设与安全工程学院

针对结露问题提出了顶棚辐射供冷和新风联合系统，并搭建了系统实验台。通过实验验证了该系统不仅能避免辐射顶棚表面结露，而且该系统的空气温湿度和室内气流速度分布均满足人体的舒适性要求。

辐射供冷 结露 热舒适性

0 引言

目前，国内外学者对于辐射供冷系统结露解决方式的研究主要集中在以下几个方面：①提出新型的辐射末端设备，如王晋生[1]用对长波具有高透过率的薄膜包裹冷却顶板，并在冷却顶板下表面和薄膜之间保留一真空或空气夹层。②改善辐射末端设备控制方式，如杨芳等[2]对小房间金属辐射吊顶采用定流量，变水温的控制法以避免结露。③加入新风系统进行室内空气除湿同时承担部分冷负荷，如Mumma[3]指出可以通过独立新风系统(DOAS)来控制结露；李先中[4]等从理论和实验方面对置换通风-地板辐射供冷合空调系统进行了研究；施颖[5]对辐射供冷与贴附射流复合空调系统进行数值模拟后得出通过合理选择贴附射流空气参数，不仅可以避免冷辐射板表面结露，而且可以将辐射板所承担的冷量提高20%以上。

本文提出了一种旨在解决结露问题的顶棚辐射与上送上回式新风联合系统，并在浙江省温州市一栋6层办公建筑中搭建系统实验台，旨在研究防结露措施的可行性以及室内的空气品质，以期促进辐射制冷模式的推广。

1 实验方案

1.1 实验房间

实验房间坐北朝南，房间尺寸为3.6m×3.6m× 2.9m。西墙为内墙，所邻房间为供冷房间；南墙为外墙，嵌一扇2.6m×1.8m的铝合金单层窗；东墙与北墙为内墙，与走廊相邻；地面为20mm聚苯板保温层加复合地板面层。建筑外墙采用240mm空心砖墙加50mm聚苯板保温层；内墙采用200mm空心砖墙加20mm聚苯板保温层。

1.2 辐射顶棚布置方法

辐射顶棚末端结构如图1所示。其中埋管材料为Φ10mm直径PP-R管，采用间距100mm U字形敷设。铺贴20mm厚聚苯保温板进行顶棚保温处理，保温层嵌木龙骨，并利用膨胀螺栓将木龙骨固定于顶棚基础层上。PP-R管利用卡扣固定在木龙骨之上，被埋在15mm厚石膏粉填充层中。辐射末端由一台额定制冷量为2.6～8kW的变频空气源热泵A提供冷水。

图1 辐射顶棚结构图

1.3 新风系统布置方法

新风系统的冷源采用第二台额定制冷量为2.6～8kW的变频空气源热泵B，末端设备采用额定冷量2.3kW的风机盘管。并加入一台额定除湿量为7.6kg/h的工业除湿机辅助除湿。送回风口设置采用异侧上送上回形式。

1.4 测点布置与测试仪器

测点布置与测试仪器详见表1，测试仪器精度见表2。

表1 测点布置与测试仪器

表2 测试仪器精度

2 实验结果及分析

实验时间为2012年8月21日8：00到30日 8:00。期间室外温度在25℃到36.7℃之间变化，平均温度为29.4℃；室外相对湿度在55.9%到88.9%之间变化，平均相对湿度为77.1%。实验设定辐射顶棚平均温度23℃，新风温度20℃，相对湿度70%[6]。经前期实验测定，辐射顶棚采用14℃供水温度；在除湿机辅助下新风系统供水温度设定为10℃，联合系统达到上述设定参数值。

选取因日照影响而较易发生结露问题的8:00～ 18:00进行分析。图2为室内2.8m（顶棚表面）处空气露点温度Td，室内1.1m处空气露点温度Td与顶棚最低温度及顶棚平均温度的时间变化关系。由图可知，从系统启动至稳定顶棚最低温度及平均温度均高于室内空气露点温度。且顶棚处（2.8m处）空气露点温度低于室内1.1m处空气露点温度1℃左右，认为异侧上送上回式送风在顶棚处形成了冷空气层，空气湿度梯度随高度上升而下降，最终使辐射面结露风险进一步降低。

图2 不同位置露点温度及辐射面温度变化曲线

图3给出了受日照影响较大的8:00～18:00时段，联合系统从启动至稳定阶段室内温湿度变化情况。联合系统经过1h达到稳定状态，之后室内温度稳定在26～27℃，室内相对湿度稳定在50%～55%。因辐射供冷室内设计温度宜提高0.5～1.5℃，所以室内热湿环境满足GB 50736-2012[7]夏季供冷设计中I级热舒适度供冷工况要求。在系统初始阶段未出现结露现象，其原因为初始阶段新风除湿带来的室内顶棚处空气露点温度的下降速率高于辐射顶棚降温速率，所以认为该联合系统初始阶段无需在顶棚辐射开启前启用预除湿处理。

图3 室内温湿度变化曲线

图4给出了竖直方向温度变化的情况，如图在0.1～1.7m即人员活动区域内温度在竖直方向向上递增。ISO7730指出人们对于温度在竖直方向向上递减的情况较不敏感而对温度在竖直方向向上递增的情况较敏感，在敏感情况下头部和脚踝竖直温差应保持在3℃以内[8]。图5给出了坐姿、站姿时头部与脚踝处的竖直温差在全过程中的变化曲线。其中坐姿曲线表示坐姿时头部（距地面1.1m处）与脚踝（距地面0.1m处）竖直温差平均值的变化情况；站姿曲线表示站姿时头部（距地面1.7m处）与脚踝（距地面0.1m处）竖直温差平均值的变化情况。如图5，头部与脚踝的竖直温差最大值为0.5℃，远小于3℃，满足规定。

图4 室内0.1～1.7m竖直方向温度变化情况

图5 坐姿、站姿时头部与脚踝竖直温差变化曲线

图6给出了全过程南北向、东西向的辐射温度不对称性变化曲线，辐射温度不对称性均低于0.6℃，远低于ISO7730的规定（小于10℃）[8]。

图6 辐射温度不对成型变化曲线

辐射供冷及新风联合系统的特点之一就是以辐射换热作用为主，同时减少了系统的总送风量，因此相比传统空调系统可以将吹风感降至最低。图7给出了坐姿时头顶（1.1m）与脚踝处（0.1m）室内风速变化曲线，可看出两处风速处于0.05～0.16m/s之间，经计算各测点吹风感不满意率（涡动气流强度DR）处于5%左右，参比ASHRAE55-2004中吹风感不满意率应低于20%的要求，均能达到要求[9]。图8给出了室内高度上PMV值分布情况，如图PMV值均小于0.7，基本满足人员要求[10]。实验期间2名24岁左右男性实验人员均穿单衣凉鞋，在室内静坐时感觉舒适。

图7 坐姿时头顶与脚踝处室内风速变化曲线

图8 室内PMV值分布

图2～图8所示的计算结果证明异侧上送上回式新风与顶棚辐射供冷联合空调系统不仅能避免冷辐射顶棚表面的结露问题，而且室内空气分布也能满足相关要求。

3 结论

本文通过实验验证了上送上回式新风系统与辐射顶棚系统联合时，能够在顶棚附近形成空气层，从而降低了顶棚结露的风险。经实测，异侧上送上回式新风与顶棚辐射供冷联合空调系统初始阶段无需在顶棚辐射开启前启用预除湿处理；联合系统室内温度稳定在26±1℃，室内相对湿度稳定在55%±5%，满足供冷设计要求，并能较好满足ISO7730及ASHRAE55 -2004中关于辐射温度不对称性、局部热舒适性指标竖直温差及吹风不满意度的要求，舒适性良好。

本文是对辐射冷顶棚与新风联合空调系统的初步分析，在着重考虑防止冷辐射顶棚表面结露的情况下，仅分析了室内的空气温度、相对湿度和速度分布，很多因素尚待探讨，在此后的研究中会对此理论进一步完善。

[1]王晋生.加装长波高透过性薄膜的冷却顶板/置换通风系统实验与模拟[D].上海:同济大学,2005

[2]杨芳.金属辐射冷却顶板的研究及其应用[D].长沙:湖南大学, 2005

[3]Mumma S A.Chilled ceiling in parallel with dedicated outdoor air systems:addressing the concerns of condensation[J].ASHRA -E Trans,2002,108(2):220-231

[4]李先中,王子介,刘传聚.地板供冷/置换通风复合空调系统的可行性探讨[J].建筑热能通风空调,2002,(4):4-6

[5]施颖,陈育平,孔祥雷,等.辐射供冷与贴附射流复合空调系统空气品质研究[J].暖通空调,2011,41(2):60-63

[6]丁研.辐射供冷及独立新风耦合系统送风形式与控制策略研究[D].天津:天津大学,2011

[7]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB50736-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012

[8]ISO.Ergonomics of the Thermal Environment(ISO EN.7730)[S]. Geneva:International Standard Organization,2005

[9]Chen Qingyan.A Zero-equation Turbulence Model for Indoor Ai -rflow Simulation[J].Energy and Buildings,1998,28(2):137-144

[10]陆亚俊,马最良,邹平华.暖通空调[M].北京:中国建筑工业出版社,2002

The Study of Air Qua lity unde r the Unite d Sys te m of Ce iling Ra dia nt Cooling a nd Fre s h Air

LUO Han,LI Wei,CHEN Yin-jie
College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing University of Technology

An united system of ceiling radiant cooling and fresh air in view of the condensation problem was proposed, and a scientific laboratory was built for this study.The united system was verified by experiment can not only avoid radiation ceiling surface condensation,but the air temperature and humidity and indoor air velocity distribution of this system can also meet the human body comfort.

radiant cooling,condensation,heat comfort

1003-0344（2015）05-034-4

2014-5-13

罗汉（1986～），男，硕士研究生；江苏省南京市中山北路200号南京工业大学城市建设与安全工程学院（210009）；E-mail:popeluohan@126.com