低温辐射供冷方式设计问题的探讨全文

低温辐射供冷方式设计问题的探讨

中国建筑设计研究院 徐征

摘要：本文论述了按低温辐射供冷方式设计需要解决的四个问题：如何选择辐射供冷的冷却设备表面温度、如何除湿、如何处理新风、如何调节辐射供冷系统和新风除湿系统，初步分析了房间送风量、循环风量、新风量三者的区别和关系，初步论述了不同的气候条件下，按低温辐射供冷方式设计的新风除湿系统所具有的特点。本文的观点是低温辐射供冷方式用于类似乌鲁木齐这样的夏季干燥地区有明显的节能效果；在类似北京这样的夏季潮湿地区采用低温辐射供冷方式的节能效果不明显。

关键词：辐射供冷 除湿 循环风量 送风量 新风量

随着低温辐射供暖技术的推广使用，人们很自然地想到辐射供暖系统能否用于辐射供冷。辐射是热量传递的三种基本方式之一，而低温辐射供冷技术正在做为一种新技术被推广使用。

常规空调系统为消除建筑物余热和余湿一般使经过处理的空气与未处理的空气混合，不仅传递了热量，还传递了质量（水蒸气）。消除房间余热只是传热过程，消除房间余湿既是传热又是传质过程。辐射供冷传递的只是热量，可以用来消除房间的余热。房间的余湿还必须通过处理与未处理的空气的混合消除。

空气在冷却过程中，随着温度下降，当冷却设备表面温度低于空气露点温度时，空气中的水汽就会凝结在上面，这是一个从等湿减焓到减湿减焓的连续过程。冷却除湿是最常用的除湿过程。辐射供冷的空气冷却设备设在房间里，只能完成等湿减焓的过程，而减湿减焓过程必须交给其它设备完成。对房间内的空气是否可以只冷却不除湿？如果不除湿，随着房间余湿的增加，房间的含湿量就会增加，当房间的温度保持不变时，相对湿度就会增加，露点温度就会提高。冷却设备表面是房间里温度最低的地方，当空气露点温度高于冷却器表面温度时就结露了。

如何选择辐射供冷的冷却设备表面温度是按辐射供冷方式设计遇到的第一个问题，解决原则是使冷却设备表面温度高于房间设计露点温度。

通过房间设计点的等湿线与饱和线（相对湿度为 100%）的交点是设计露点温度，冷却表面温度应高于设计露点温度1~1.5℃的温度。反之可以判定：当冷水供回水温度或冷却器表面温度一定时，以通过低于冷却器表面1~1.5℃的温度与饱和线的交点的等湿线为边界线，无论房间空气状态如何变化，只要终状态点在这条线左边，冷却器表面就不会结露。

按照《公共建筑节能设计标准》，一般空调房间的夏季室内温度为25℃,相对湿度为40~65%。以室内温度为25℃，相对湿度为60%为例,其露点温度为 16.7℃,冷却器表面温度就应为17.7~18.2℃,冷水供水温度宜为16℃。

从i-d图上可以看出，冷却设备表面温度越低，要求房间空气的含湿量越低，空气越干燥。假设冷水供水温度为7℃，冷却表面温度达到9℃，空气的露点温度一般应低于其1~1.5℃表面才不结露。如果房间温度为28℃,只有当房间相对湿度小于27.4%,含湿量小于6.42g/kg时，空气露点温度才低于7.5℃。

只要房间有余湿存在，除湿对于辐射供冷系统就是必须的。如何消除余湿是按辐射供冷方式设计遇到的第二个问题。可以利用除湿机循环室内空气除湿，处理过程如图一。假设辐射供冷系统能完全消除房间余热，此刻房间的热湿比线（ε’）就与i-d图上通过设计点的等焓线重合，ε’=0,方向指向室内点(N)。整个除湿过程为先冷却除湿，再加热到ε’=0的线上。除湿过程不但需要提供冷量还要热量。

以房间室内温度为25℃，相对湿度为60%为例，建筑功能为办公室，面积 1000㎡，层高3m，围护结构冷指标为40W/㎡,照明指标为20 W/㎡，人员为0.1人/㎡。房间的总余热和余湿如下： 围护结构冷负荷: 40X1000=40KW

照明冷负荷： 20X1000=20KW

人员冷负荷： 0.1X1000X108=10.8KW

余热总计： 70.8KW

余湿=人员散湿量： 0.1X1000X61=6.1Kg/h

低冷凝温度可以提高除湿机制冷循环的COP值，减少耗电量，但是总冷量并没有减少，房间的全部余热还需要辐射供冷系统负担。另一种方法就是利用房间的余热。只要仔细看一下i-d图(图一和图二)就会发现，让辐射供冷系统消除房间余热的79.6 %就可以了，其余做为除湿系统的加热量，此时房间的总

由图二可以看出，当房间余湿一定时，循环风量还可以更小。循环风量越小，除湿系统需要的冷量

越小，负担的房间余热越少，辐射供冷系统负担的越多。循环风量的大小受空气处理机组能够处理的最大焓差或冷水最低供水温度的限制。

辐射供冷系统的供冷能力也受冷水供水温度、冷却面积、冷却表面热阻，被辐射面的温度等因素制约，供冷量也是有限的。

如果房间的余热很大，辐射供冷系统就不能消除全部余热，就需要其它系统来补充，除湿系统正好弥补辐射供冷系统的不足，除湿系统的循环风量大小由负担的部分房间余热和全部余湿的大小决定。以地板辐射供冷为例，其供冷能力一般在18~40W/㎡。按照上例，若地板辐射供冷能力达到40W/㎡，则除湿系统需要负担43.5%的房间余热，辐射供冷系统负担56.5%，循环风量增加到9590m3/h。

采用一般空调方式，房间的全部余热和余湿都是通过冷热空气的混合才传递给循环风量的，房间的热湿比线（ε线）是一定的。采用辐射供冷方式，房间的部分余热传递给了冷辐射板，而空气混合传递的只是另一部分余热和全部余湿。房间的热湿比线（ε’）可以是变化的，ε’的大小取决于冷辐射板的供冷量和完全消除余湿所需要的循环风量的大小。随着冷辐射板的供冷量增加，房间ε’减小，ε’小于等于ε。当ε’增加到等于ε时，辐射供冷量为零。

若房间的余热较小，余湿较大，当冷却除湿需要的供冷量大于房间余热时，辐射供冷量为零。为了除湿需要选择其它热源来加热，或者选择除冷却除湿以外的方式除湿。反过来说，如果用其它方式除湿，例如含湿量比室内点低的新风、液体吸湿或固体吸湿等，仍还可以使用辐射供冷系统负担房间的全部或部分余热。

看起来在上例中，除湿需要的循环风量远低于了一般空调系统的，其实不然。《采暖通风与空气调节规范》对空调房间的换气次数有规定，如果换气次数较低对房间温度和湿度的均匀程度会有影响。对辐射供冷系统来说，若室内设计点的含湿量距边界含湿量的裕量较小，则有可能在空气混合不均匀处，因空气露点温度高于物体表面温度引起结露。经过除湿的空气温度为15.1℃,低于房间的露点温度，直接送入室内也会引起结露。

房间送风量与空调箱循环处理的风量不同，前者的大小与房间气流组织有关，后者大小由空气处理的规律（i-d图）决定。有两种方法可以解决这些问题：一种方法是按照规范要求：当允许室温波动范围在±1℃以内，选5次/h换气，即L=15000m3/h。将经过除湿的3000m3/h的空气与房间的12000m3/h 在风机箱里充分混合后在送入室内，此时的送风温度为23.02℃（图二），就解决了上面提到的两个问题。除湿送风不同于一般的空调送风，究竟需要混合多少室内空气才能达到均匀除湿的目的，需要进一步实验研究，然而使送风温度高于房间露点温度是必须保证的。

另一种方法是增加循环风量，以达到需要的换气次数（图二）。增大循环风量可以减少辐射供冷系统负担的余热，总的耗冷量不会改变。如果此时的送风温度低于房间露点温度，仍然需要混合室内空气以提高送风温度。不过当循环风量增加到L=25450m3/h时（图二），辐射供冷量为零，辐射供冷系统就可以不工作了，也就不用担心结露的问题了。

以上讨论的都是没有新风引入的情况。对于空调房间,新风是必须的。如何处理新风是辐射供冷方式设计遇到的第三个问题。

新风有两个作用，一是满足室内人员对新风的需求，二是保证室内正压的需要，取二者的最大值做为房间的最小新风量。《采暖通风与空气调节规范》规定：舒适性空调区的压差宜取5~10Pa,所需的风量约为1~1.5次/h换气。

如果房间相对外界为负压或正压不足，就会有外界的空气在风压和热压等的作用下流入，流入的空气量不易准确地得到。如果外界空气的焓和含湿量高于室内状态点的，就会增加房间的余热和余湿，增加已有空调设备的负担，需要增加供冷量, 供冷量增加的大小应随流入房间的空气的多少和参数的不同而变化。外界空气是无组织流入的，风量和参数都不易准确掌握，这就增加了调节的难度。如果外界空气的焓和含湿量低于室内状态点的，对减少空调设备的除湿量、供冷量应该是有利的，但正因为对流入的空气情况不易准确的掌握，就不能准确地调节,反而造成房间的过冷或过热，还可能引起结露。这里的外界不只指建筑外还可能是建筑内的其它房间。

对于所有形式的空调系统，新风的作用是一样的。对于辐射供冷系统正压的作用尤其显得重要。辐射供冷系统的特殊性就在于要求房间内空气露点必须低于冷却器表面温度，因此就必须严格控制送入房