独立新风与辐射供冷系统防结露问题探讨[1]

独立新风与辐射供冷
系统防结露问题探讨
(text)


现代建筑设计集团上海建筑设计研究院有限公司　何　婧
☆
同济大学　沈晋明　寿青云
现代建筑设计集团上海建筑设计研究院有限公司　谌小玲

摘要　针对该系统的结露问题
,提出了单位质量新风量除湿能力的概念。分析了该系统

的适用场所、自控系统以及末端装置的改进措施。
关键词　独立新风系统　辐射供冷　结露　单位质量新风量除湿能力　湿度优先控制


Discussion on condensation of radiant
cooling system combined with DOAS
(text)


By He Jing ★
, ShenJinming, ShouQingyunandChen Xiaoling

Abst r a ct　In view of the condensation problem of the system , presents the concept of moisture removal
ability of unit mass of fresh air. Analyses the applicable situation , automatic control system and improving
measures of the terminals for the system.

Keywor ds　dedicated outdoor air system, radiant cooling, condensation, moisture removal ability of
unit mass of fresh air , humidity priority control
(text)


①
★
Shanghai Institute of Architectural Design & Research Co. , Ltd. , Shanghai, China


(图章注释
新建图章 Administrator
2010/6/11 15:48:25
空白)
0　引言

独立新风系统
(dedicated outdoor air system ,
DOAS)的室内显冷设备可以是多联式空调机、干
式风机盘管
,以及尚未在国内大规模应用的辐射冷
吊顶
[125]。

辐射板一般以水为冷媒
,占用空间小、换热效
率高
;能有效避免吹风感
,提高热舒适性
,且使供暖
和供冷的末端设备得到统一
[6] ;同时全新风系统的
采用和一次回风系统的取消
,将污染物和病菌扩散
的可能性降到了最低。然而
,当前阻碍辐射冷吊顶
广泛应用的原因有三个
:结露问题
,辐射板冷辐射

能力问题
,一次投资问题
[7]。后两者随着科学技术
的不断发展
,通过在生产工艺、材料加工等方面的
不断改进创新正逐步得到解决
;但是对于首当其冲
的结露问题
,绝非仅依靠材质的改变或理论的控制
手段就能有效避免的。因此
,笔者试对辐射供冷系
统的防结露问题进行分析和研究。


1　辐射供冷系统结露过程分析

当辐射板表面温度低于室内空气露点温度时
,
辐射板表面易出现结露现象。这种情况往往很难
避免
,例如空调系统刚启动时
,室内空气露点温度
较高
;门、窗的偶然开启造成室内空气露点升高
[8] ;
室内由于人员增多或出现设计时未考虑的散湿源
而导致房间湿负荷突增等。

辐射板表面长期结露会引起金属板锈蚀
,留下
(text)


①☆何婧
,女
,1978年
12月生
,工学硕士
,工程师
200041现代建筑设计集团上海建筑设计研究

院有限公司
(021) 52524567251614
E2mail : hejing @siadr. com. cn
收稿日期
:2008 -04 -01



水渍
,不仅影响美观
,而且还可能导致细菌滋生
,吸

附灰尘
;严重的话
,会造成“办公室雨”
,这是绝不允

许发生的现象。

首先对可凝结气体的凝结过程作稳态分析
,参

照文献[7] ,假设条件如下
:研究对象为典型办公

室
,人员密度
0. 15人/m2 ,人均新风量
30 m3/

(人·
h) ;辐射板的吊顶覆盖率为
50 % ,即辐射板

的人均占有面积为
3.3 m2;在设计条件下
,通风量

和送风状态点保持不变
;人员为极轻劳动
,25℃时

的人均散湿量为
102 g/h;不考虑渗透
;围护结构

完全不吸湿
,即不参与瞬时湿交换过程
(这是一个

非常保守的假设
);辐射冷吊顶的表面温度均匀一

致
(这不完全正确
,因为不同点存在
2. 8℃的温

差);人员密度为设计值的
2倍
,即人员密度变为


0. 30人/ m2。
在稳态情况下
,若人员密度等于或小于设计
值
,系统正常工作时不会发生结露
,但如果人员突
然增加一倍
(见假设条件
),房间露点温度将上升
,
并在高于辐射板表面温度时形成结露。增加的人
员将产生
102 g/ (人·
h)水蒸气
,当水蒸气分布在
人均
3.3 m2的辐射板上时
,其
1h后的厚度为
26
μm。人头发的直径为
17～18μm,即在这些常规稳
态湿气冷凝的假设下
,一个人的潜热发生量要达到

与人头发直径相同的冷凝厚度至少需要
40 min。

从文献
[3]的实验中还可以进一步了解冷却顶
板的结露速度
,实验中辐射板的表面温度比室内空
气露点低
0～8 ℃(0～14 u ),实验结果
(如图
1所
示)表明
:在极端温差
(8 ℃)和持续时间
(8.5 h)条
件下
,并没有生成足够大到会滴落的水滴。

图
1　不同的房间露点温度与冷吊顶温度差
值下
,8.5 h后冷吊顶的冷凝情况

综上所述
,凝结水的形成是个极其缓慢的过
程
,只要系统环路的温度控制合理有效
,结露很容
易避免
;即使控制失败或者突发极端不利情况
,也
有足够时间采用一些简单的保护措施。
2　适用场所的分析和选择


2. 1　不适合应用辐射供冷系统的场所
首先
,散湿量变化很大或散湿量极大的场所
,
如餐厅、美容美发厅、体育馆、游泳池、桑拿场所等
,
不建议采用辐射供冷系统。

其次
,为了避免门、窗等外围护结构引起的室
外新风无规则渗透而导致湿负荷突然加大
,辐射供
冷系统一般应维持室内微正压
,因此一些室内需要
维持负压的场所
,例如传染病房、吸烟室、有空调要
求的卫生间等不适合采用此系统。同时
,由于独立
新风系统一般都设置全

热换热器对排风进行热回
收
,从能量回收的角度来说希望有尽可能多的排风
进入换热器
,所以过大的正压值也是没有必要的
,
有研究表明
,0. 25 Pa的正压值即能阻止无规则的
渗透
[5]。

另外
,由于系统取消回风
,采用全新风
,为了降
低能耗
,新风量的选用满足国家现行有关卫生标准
即可
,因此对于有换气次数要求的场所也是无法采
用该系统的
,例如手术室、洁净厂房等。


2. 2　单位质量新风量的除湿能力
多年来
,不少设计师认为为了避免结露的产
生
,人员密集的场所不应采用辐射吊顶作为末端显
冷设备
,笔者认为这是对于辐射供冷系统的适用场
所的一个认识误区。为了更直观地阐述这个问题
,
引入“单位质量新风量的除湿能力”这个概念。通
常情况下
,室内的散湿量由室内人员的活动产生
,
即散湿量与人数成正比
,而独立新风系统的新风量
取值一般也与人数成正比
,这样人员密集的地方散
湿量大
,但同时新风量也大
,所以单位质量新风量
所负担的除湿量并不一定比人员密度小的场所大
,
由此
,将单位质量新风量的除湿能力作为评判是否
适合采用辐射供冷系统的指标则更准确。

笔者对该评判标准进行定量分析
,结果见表
1。表中选取的三个室内状态点是舒适性空调系统
常选取的数值
,较具代表性
;新风处理状态点根据
新风机组的供水温度确定
:如果采用冰蓄冷系统
,
供水温度
3℃左右
,可以实现新风机组的送风温度

表
1　单位质量新风量的除湿能力
Δd g/ kg

室内设计参数


①
26 ℃,60 % , ②
25 ℃,60 % , ③
24 ℃,55 %,
12.8 g/kg 12.0 g/kg 10.3 g/kg
新风处理Ⅰ7 ℃,95 % , 6. 9 6. 1 4. 4
状态点
5. 9 g/ kg
Ⅱ8. 5 ℃,95 % , 6. 2 5. 4 3. 7
6. 6 g/ kg
Ⅲ
10. 5 ℃,95 % , 5. 2 4. 4 2. 7
7. 6 g/ kg


等于或低于
7 ℃,也可以采用直接膨胀式
(DX)新
风机组来获得足够低的送风温度
;如果采用常规的
冷水机组或空气源热泵机组
,在可接受的
CO P值
范围内最低能提供
5℃供水
,则此时依据
3. 5℃的
温差
,送风温度最低为
8. 5 ℃,采用常规的
7℃供

W

Δd′= 1. 1 ×
1. 1 ×

L Fρ
=
式中
W为总散湿量
,g/ h; L F为总新风量
,m 3/ h;

1. 1为安全因数
;ρ为新风密度
,kg/ m3 ,25℃时
ρ
的值为1.185 kg/m3; w为不同室温和劳动性质时
成年男子散湿量
,g/ (人·
h) ; n为室内全部人数
,
人
; n′为群集系数
, n′≤1,除儿童密集的地方取为
0.85 ,其余情况均可取为
1; lF为人均新风量
,m 3 /
水
,则送风温度最低为
10. 5℃。

表中的
Δd即为单位质量新风量的除湿能力
,
该指标表

明
,若某场所的单位质量新风量所需负担
的除湿量
(Δd′)小于该值
,则可初步判定可采用辐
射供冷系统。
Δd′的计算可参照下式
:

wnn′
wn′
w(1)

= 1. 1 ×= 0. 93

l F nρ
l Fρ
l F

(人·
h)。

由此可以看出
,在散湿量仅由人员活动造成的
场所
,Δd′的值与人员密度无关
,仅与
w和
l F有
关
,表
2中列出了公共建筑主要空间的
Δd′值及与
Δd值比较的结果。

由表
2可知
,通过对
Δd′和Δd的比较
,能较方

表
2　公共建筑主要空间的新风除湿量与比较结果

建筑类型与房间名称新风量
/ (m3/ (人·
h) ) Δd′/ (g/ kg) Δd′与Δd比较结果备注
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ

旅游旅馆客房
5星级
50 1. 8 √
√
√
③
4星级
40 2. 4 √
√
√
②
3星级
30 3. 2 √
√
√
②
餐厅、宴会厅、
5星级
30不考虑
多功能厅
4星级
25不考虑
3星级
20不考虑
2星级
15不考虑
大堂、四季厅
4～5星级
10 10. 1 ×
×
×
①
商业、服务
4～5星级
20 8. 1 ×
×
×
②
2～3星级
10 17. 1 ×
×
×
①
美容、美发、康乐30不考虑
设施
旅店客房一～三级
30 3. 2 √
√
√
②
四级
20 5. 1 √
√
√
①
文化娱乐影剧院、音乐厅、20 2. 8 √
√
√
②
录像厅
游艺厅、舞厅
30 12. 4 ×
×
×
②
酒吧、茶座、咖啡10 5. 7 √
×
×
②
厅
体育馆
20不考虑
商场
(店)、书店
20 8. 6 ×
×
×
①
饭馆
(餐厅
) 20不考虑
办公室
30 3. 2 √
√
√
②
学校教室小学
11 4. 9 √
√
√
③
初中
14 4. 1 √
√
√
③
高中
17 3. 7 √
√
√
③

　注
:1)此表选取的建筑类型与房间名称及新风量要求均摘自《公共建筑节能设计标准》
( GB 50189 -2005) ;

2) “√”表示
Δd′<Δd “×; ”表示
Δd′>Δd ;
3)备注中的
“①,”“③与表
1中的室内设计参数相对应
;
”“②,”
4) “Ⅰ”“Ⅱ,”

,”“Ⅲ与表
1中的新风处理状态点相对应。
便地判断不同类型的场所是否适合采用辐射供冷茶座、咖啡厅等
,但此时需对室内热湿负荷进行详
系统
,例如星级酒店的客房、办公室、教室等场所即细准确的计算
,并可适当加大人均新风量
,以确保
使新风出风温度为
10. 5℃时也可考虑使用该系系统安全稳定的运行。
统
;而酒店大堂、商场、舞厅等场所在出风温度为
7采用单位质量新风量的除湿能力只能作为初

℃时新风也不能完全把室内湿负荷带走
,因此不推步的判断依据
,因为不结露只是使用辐射板的首要
荐采用该系统
;另外某些场所在出风温度足够低
(7 条件
,能否适用还需根据房间总负荷

的分配情况、
℃)的情况
,辐射板可作为末端显冷设备
,如酒吧、辐射板的冷辐射能力等方面进行全面的分析才能


得出正确的结论。


3　自控系统

防结露的传统设计理念是控制进入辐射板的
供水温度
,使其始终高于室内环境的露点温度。在
该设计理念指导下的空调自控系统和水系统均较
复杂
,而且由于控制参数之间的耦合关系以及响应
时间较长
,控制效果并不令人满意。

温湿度独立控制系统将对环境的温度和湿度
的控制解耦
,即通过新风满足消除余湿、CO2与异
味的要求
,排除室内余热的任务通过其他系统实
现
,可用较高温度的冷源实现排除余热的任务[6]。
从控制理念来看
,它具有独立新风与辐射供冷系统
的特点
——
——由新风空调机组进行湿度控制
,由室内
显冷设备辐射板进行温度控制
,温湿度的解耦控制
能大大提高系统的稳定性和可靠性。考虑到湿度
控制对于辐射空调系统的重要性
,笔者建议采用湿
度优先控制。

传统意义上的湿度优先控制先根据湿度传感器
的信号调节表冷器出风的露点温度
,使送风首先能
满足室内湿负荷的要求
;再根据温度传感器的信号
调节再加热量
,使送风能满足室内热负荷的要求。

作为辐射供冷系统的防结露有力保障措施的
控制系统
,笔者认为采用系统层面上的湿度优先控
制策略将更有效[8] :系统根据最大的稳定散湿量计
算新风送风状态点
,新风空调机组采用定露点、变
风量对湿度进行控制
;新风去除潜热负荷的同时带
走部分显热负荷
,剩余的显热负荷由辐射板承担
,
辐射板采用定供水温度、变水量对室内温度进行控
制。当室内湿负荷全部为人员活动造成
,即散湿量
与人数成正比时
,可根据排风的
CO2浓度对新风
机组进行变频控制
,由于单位质量新风量的除湿能
力不变
,因此新风依然承担了所有的潜热负荷
,对
室内辐射板不会造成潜热负担
;当室内除了人员有
其他固定的散湿源时
,只要系统设计时按最大负荷
考虑了这部分散湿量
,那么即使室内散湿量减小
,
新风定露点送入房间
,此时会使室内空气的含湿量
低于设计值
,相对湿度降低
,但温度不变
,在其他条
件均不改变的前提下
, PMV值减小
,所以在夏季
能给人更凉爽的感觉。

由此可见
,若室内湿负荷是一稳定值
,无论室
外的新风状态如何变化
,只要保证新风机组的送风
状态点不变
,就可实现湿度控制
,新风机组处理全

部的湿负荷与热负荷中的稳定部分
,而热负荷的波
动部分由辐射板来处理
,此时仅需对温度一个参数
进行控制
,因此控制的稳

定性大大提高了
;同时
,传
统的空调系统要同时实现除湿、再热、加湿这些复
杂而耗能的功能
,采用了系统层面上的湿度优先控
制的系统则变得很简单
:新风机组只要具备湿度控
制的功能
,室内显冷设备只需温度控制的功能。独
立新风与辐射供冷系统应用上述湿度优先控制策
略
,将提高该系统的可靠性、降低系统的能耗
,并简
化了自控系统。


4　末端装置的改进与其他保护措施

为了避免结露现象的发生
,国内外不少学者从末
端的辐射板入手寻求解决办法。文献[9]提出
,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。因为
真空或空气夹层具有较大的热阻
,所以薄膜温度将明
显高于冷却顶板下表面温度而接近其周围室内空气
温度。通常薄膜温度这样高时不会结露。虽然薄膜
温度较高
,但因为薄膜的长波透过率很高
,薄膜对冷
却顶板和室内热源或壁面之间的辐射换热几乎没有
影响
,所以冷却顶板仍能保持大部分制冷能力。

凝结水的形成过程极其缓慢。一般来说
,湿负
荷的突然升高是短暂的
,辐射板短时间内会吸附一
些凝结水
,待突增的湿负荷消除后
,辐射板吸附的
凝结水又会蒸发。据此
,笔者认为可从两方面进行
研究
:在辐射板的金属表面贴附多孔材料或直接采
用具有吸湿作用的多孔金属材料作为辐射顶板
,以
此实现既不影响它的辐射换热能力又能吸附可能
产生的凝结水的目的
;考虑在围护结构中采用具有
调湿作用的墙体或利用调湿性的涂料
,对多余的散
湿量进行吸附
,将室内湿度控制在一定范围内
,同
时对防止辐射板的结露起到一定的保护作用。

如果发生极端不利情况
,如门窗全部开启
,或
人员增加几倍
,也可以采用一些自控元件进行保
护
,如
:

1)在每组第一个辐射板的垂直进管下面放置
一个水传感器
,它由一个常闭开关和一个潮湿时会
膨胀的部件组成
,受一个常闭弹簧回水调节控制阀
的控制。传感器里的开关与传输到调节控制阀的
控制信号相连。当水滴落在传感器部件上时
,它会
膨胀
,推动常闭开关打开
,由此切断到控制阀的控
(text)
(下转第
180页)



制信号。并且常闭弹簧回水调节控制阀关闭
,由此
将辐射板与冷水源隔离。当然那个房间的供冷将
停止
,人员将要求采取正确的行动
[7]。


2)在可开启外窗和外门处设感应器
,此类感
应器安装方便且价格便宜
,文献
[11 ]建议每
12扇
外窗和每
2扇外门安装一个感应器
,当门窗开启
时
,一个二元的触点发出信号给空调

自控系统
,系
统
5 min之后动作
,选择执行模式
,为避免空调设
备频繁启停
,门窗关闭
15 min后才可重新开启设
备。这样一个简单的感应器却大大省去了门窗开
启导致辐射板结露的担心。
5　结语

将湿度优先控制用于独立新风与辐射供冷系
统在理论上被证明是可行且有效
,但仍须在实验研
究和工程实践中不断完善
,以期为防结露提供更好
的保障
,使辐射供冷在我国大规模推广。


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