辐射吊顶在天津某音乐学院的设计应用

杨德润

华东建筑设计研究院有限公司

0 引言

辐射空调系统是以辐射换热为主要传热方式的空调系统，其将室内空气品质与热环境分开考虑，空调通风系统保证室内的空气品质，辐射空调系统保证室内的热环境。根据辐射板的构造，所在位置，热媒种类和温度等的不同，辐射空调系统可以分为多种类型。按辐射板位置，可以分为吊顶式，墙面式和地面式。按辐射板构造，可以分为埋管式，毛细管式，风管式，组合式、整体式。

辐射空调具有占用建筑空间小、转热介质输送能耗低和系统安静、噪声低的优势。另一方面，辐射空调以辐射为主的换热方式，无吹风感，舒适性较好。此外，辐射末端空调方式为自然低品位冷热源的利用提供可能，可与不同冷热源相结合，可进一步提高系统COP，降低能耗。

1 项目概况

本文所述项目为天津某音乐学院，该项目是集音乐厅、剧场、教学为一体的现代化音乐学校，位于天津滨海新区。项目的总建筑面积4.5 万m2，其中地上2.3万m2，地下2.2 万m2。建筑高度38 m，地上6 层，地下2 层。地上分为A、B、C、D 四个楼，包含700 座音乐厅、300 座演奏厅、250 座黑盒剧场，在 2F 和3F 采用五条连廊将四个楼连接起来，为音乐教室，工作室和练习室等音乐教学房间，4 个楼和连廊之外的空余部分为公共大厅。

图1 项目效果图

该学院定位为世界殿堂级音乐学院，主要音乐演出，表演及排练空间音乐厅、演奏厅等噪声限值需满足NC15 声学标准。位于2F、3F 连廊的音乐教学区总面积 4870 m2，主要为面积在 8 m2～ 51 m2左右的练习室，工作室和教室，房间为双层玻璃幕墙+浮筑地板的房中房结构，是该学院音乐教学，练习和工作活动的主要承载空间，对室内温湿度、噪声、空气品质等要求严格，表1 为音乐教学房间室内设计标准。基于音乐教学房间的上述特点，本项目音乐教学房间考虑采用辐射空调+独立新风的空调系统形式。

表1 音乐教学房间室内设计标准

2 辐射空调系统

根据《辐射供暖供冷技术规程》要求，辐射供冷系统供水温度应保证供冷表面温度高于室内空气露点温度 1～2 ℃，供回水温差不宜大于 5 ℃且不应小于2 ℃，辐射供冷、供热表面平均温度宜符合表2、表 3 的规定[2]。本项目音乐教学房间夏季室内设计参数为24 ℃/50%，供冷时辐射板面温度取 17～20 ℃，冷冻水供回水温度取16～19 ℃。在该条件下冷辐射吊顶可提供的冷量约为70～80 W/m2[3]，而一般情况下，室内可铺设的冷吊顶面积为总吊顶面积的 70%，甚至更少，折算后的单位面积供冷能力约为50 W/m2。

表2 辐射供冷表面平均温度

表3 辐射供暖表面平均温度

本项目音乐教室、工作室、练习室的室内显热冷负荷指标在 60～120 W/m2，采用纯辐射吊顶空调形式不能满足室内显热冷负荷的处理需求，需辅助其他空调末端形式。基于本项目声学设计要求高，一方面要求空调末端的噪音尽量低，另一方面对末端空调安装方式及安装敷设面积有限制要求。故采用辐射吊顶 +冷梁+独立新风的空调系统形式。新风系统处理室内潜热负荷和湿负荷，辐射板和冷梁处理室内显热负荷。

2.1 末端选型

2.1.1 辐射吊顶

根据建筑师及声学顾问要求，辐射板面层采用石膏板形式，石膏辐射吊顶板结构如图2 所示，性能参数如表4 所示，辐射板单位面积制冷量为69.4 W/m2，制热量为122.2 W/m2。

图2 石膏辐射吊顶板示意图

表4 辐射板性能表

2.1.2 冷梁

冷梁是一种诱导式末端装置，冷梁具有优异的节能效益，舒适性和静音运转效果，也具有较高的冷却和加热能力并且安装简易、维护简单，是一项很有潜力的空调技术，符合世界“ 节能减碳”的发展趋势。依据是否有室外空气供给，则可分为主动式冷梁和被动式冷梁。

考虑到被动式冷梁供冷能力小，基本无法有效供热，所以本项目设计采用主动式冷梁。同时控制冷梁噪音满足声学要求。主动式冷梁的一次风动力来自空调箱，位于冷梁静压箱两侧或上部的喷口将一次风送入室内，一次风进入室内后会附吊顶或天花流动，并诱导室内空气经过位于冷梁底面或两侧的盘管，进行等湿冷却或加热，被冷却或加热的室内回风在冷梁腔室里与一次风进行混合，并重新进入到室内，具体如图3 所示。

图3 冷梁示意图

2.1.3 末端选型与布置

辐射板根据吊顶可敷设区域进行布置，由于受辐射板供冷能力，吊顶可敷设面积及辐射板数量的限制，辐射板提供的冷/热量难以满足室内冷/热负荷的要求，不足部分由冷梁补充。冷梁根据房间需求新风量作为一次风量进行选型，制冷/制热量满足房间剩余冷/热负荷需求。辐射板和冷梁的布置及安装如图4，图5 所示。

图4 教学工作室平面图

图5 教学工作室剖面图

各房间的末端选型结果及吊顶覆盖率统计如表 5所示，受室内装饰、灯具、吊顶模数等限制，辐射吊顶板的实际覆盖率远低于理论上的覆盖率，辐射板+冷梁的吊顶覆盖率为 27%～48%，辐射板的吊顶覆盖率为18%～35%，辐射板实际的单位房间面积供冷量为12.6～24.5 W/m2，供热量为22.0～42.8 W/m2。

表5 各房间空调末端选型统计表

2.2 冷热源与水系统

本项目连廊辐射空调区域占项目空调区域总量比例不大，辐射空调冷负荷占项目总冷负荷8 左右。如为连廊空调单独分别配置常温、高温机组，系统复杂，初投资增加，主机房面积增加。另一方面机组容量小，高温型螺杆式冷水机组较难选型，选用小容量机组一般主机效率较低。所以设计连廊辐射空调与项目空调主系统共用同一冷源，利用三通混水方式，同时满足两者各自不同的水温要求。即将常规空调系统回水与辐射空调系统回水混合作为辐射系统供水，供冷时辐射空调供/回水温度为16 ℃/19 ℃，供热时辐射空调供/回水温度为40 ℃/35 ℃，如图6 所示。

图6 辐射供冷系统冷源示意图

混水系统采用二级泵变流量系统，二级泵流量与空调末端设备的负荷相匹配，并随着各空调房间负荷变化作相应的变流量调节，二次混水泵的流量通过三通调节阀调节混水比得到平衡。

末端空调水管采用分区两管制，各层水平干管分支管设电动两通阀切换供冷/供热工况。冷梁、辐射板供冷均干工况运行，冷水供水温度高于室内露点温度1～2 ℃。末端空调通过调节冷梁、辐射板回水支管电动二通阀调节室内供冷供热。

2.3 新风除湿

新风除湿，是保证采用辐射吊顶和冷梁空调系统正常运行的重要方面，送入经过深度除湿的新风，室内维持足够的正压，采取可靠的措施阻止室外潮湿空气侵入，配合有效的自动控制系统，就可以保证室内空气湿度满足使用要求，可靠地防止辐射冷吊顶、冷梁、内表面等结露。

根据建筑平面布局及空间布置要求，同时结合各区域使用功能和性质共划分为四个新风空调系统，新风量根据末端房间舒适性及卫生条件设计。各连廊辐射空调新风系统制冷时新风除湿要求如表6 所示。

表6 连廊辐射空调新风系统

根据表 6 计算，设定新风空调箱处理后新风送风状态点的绝对含湿量控制在约6.5 g/kg 干空气。

对于本项目，采用供水温度 6～13 ℃的常温冷水机组供新风机组除湿降温，出口新风空气的含湿量可以达到8.0～9.0 g/kg 左右，难以满足要求。设计采用热管辅助除湿方式，可使本项目空调机组冷却除湿后空气含湿量可达7.5 g/kg 左右，还需在表冷器后设置高效除湿器。在本项目的设计中，采用转轮除湿的方式，使送风含湿量达到不超过6.5 g/kg 左右，降低室内结露风险。

3 防结露措施

1）冷源采用中温混水系统，供回水温度 16/19 ℃，供水温度高于露点温度 3.2 ℃（夏季室内干球温度24 ℃，相对湿度50%，对应露点温度12.8 ℃）。即使相对湿度短时间波动到 60%时，露点温度 15.6 ℃，也低于供水温度。

2）制冷季新风承担室内湿负荷，送风温度不低于16 ℃，正常运行工况下，送风绝对湿度控制在6.0 g/kg干空气，经冷梁诱导混合，以 20～22 ℃送入室内，送风温度高于室内露点温度。独立新风空调系统刚开始运行或中断后一段时间重新启动时，通过增大新风机组除湿能力的方式，加快排除室内湿负荷，新风送风绝对湿度可低至4.8 g/kg 干空气。房间有结露风险时，相应降低送风绝对湿度，增加新风除湿能力。当室内降温除湿到室内露点温度不高于 20 ℃时，启动冷梁制冷，当室内降温除湿到室内露点温度不高于16 ℃时再开启辐射板制冷，以避免辐射表面结露。夜间低负荷时，通过调节新风、回风调节阀，减少新风湿负荷进入室内。

3）针对夏季高湿环境，新风空调箱选型时加大除湿转轮除湿量，除湿转轮按最不利再生温度（干球温度32.5 ℃、相对湿度 95%）时选型除湿能力，相依配套辅助再生空气除湿设施。

4）设置自动控制系统，各房间设置露点温度探测器，当温度接近露点温度时（一般控制温差1～2 ℃），自动关断各房间水阀。过渡季节空调负荷不大时，还可调整混水系统，提高供水温度，降低结露风险。制冷空调关断时先关断辐射板，再关断冷梁。

4 消声降噪措施

4.1 风速控制

按照连廊音乐教学房间噪声控制标准，风管/风口风速控制如表7 所示。

表7 风管/风口风速控制表（m/s）

4.2 消声措施

风管设置如下消声措施：房间内外风管至少两个弯头连接（或消声静压箱）。室内风管设置必要的消音措施，如消声风管、消声器。支吊架设置减震支吊架。

5 结语

辐射空调系统具有舒适、节能、噪音小等优点，但在实际的项目设计应用中，受其本身，装饰及可敷设面积等条件限制，其供冷能力往往有限，需根据项目特点，灵活选用其他辅助空调方案，以便更好的发挥辐射空调系统的有点，满足项目需求。辐射吊顶+冷梁+独立新风的空调系统形式能够较好的满足本文所述音乐学院教学房间室内热湿环境和声环境的高要求，但该空调系统整体较复杂，适用条件较严苛，要求设计计算准确，做好防结露和消声降噪措施。