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
间的风量和参数，不能有任何无组织的外界空气进入。

在夏季潮湿地区，当辐射供冷系统工作时，绝对不能开窗自然通风。

显然靠房间的正压阻挡外界空气的渗入是一项比较好的措施。

房间门窗的密封措施可以减少携带水蒸气的空气渗入，但对阻挡空气中的水蒸汽的渗入没有什么用处，水蒸汽总是从温度高的地方向温度低的方向扩散。

夏季室内外温差比较小，通过围护结构能够渗透多少水蒸气还需要进一步探讨。

对于辐射供冷系统，新风的处理方法有两种，一种是新风和室内空气先分别冷却除湿再混和后送入房间，另一种是由新风和室内空气先混合再冷却除湿后送入房间。

以前面的房间在北京为例，按每人不小于新风量30m3/h的标准计算，房间的新风量为：30X0.1X1000=3000m3/h;按保持正压的要求计算的最小新风量为：1X1000X3=3000m3/h。

二者恰好相等，
的等湿线上(ε=+∞)的机器露点（ф=95%），新风耗冷量为：34.55KW,需要再热量为：7.73 KW。

除湿需要的循环风量仍为L=3000m3/h,耗冷量为：14.45KW,需要再热量：14.45 KW 。

利用房间的余热做为二者的再热量，辐射供冷系统和新风除湿系统的总耗冷量为： 70.8+34.55+14.45-7.73-14.45=97.62KW，新风量为：3000m3/h, 循环风量为：3000m3/h,总风量为：3000+3000+9000=15000m3/h。

如果按第二种方法计算，由于循环风量等于新风量，应将新风直接处理过室内状态点的等湿线（图四），耗冷量为：41.27KW,需要再热量为：14.45KW。

利用房间的余热做再热量,辐射供冷系统和新风除
两种方法比较总耗冷量和总风量是相等的。

第一种方法的新风处理焓差比第二种少 6.72 kj/kg，新风机组冷却盘管的排数因此可以减少了。

当新风机组处理能力不足的时候第一种方法比较有优势。

如果辐射供冷系统提供的冷量不足，需要增大循环风量，多负担一部分房间余热，而辐射供冷系统和室内除湿系统的总耗冷量不改变；由于新风系统是独立的，新风量没有变化，新风系统的耗冷量不变，因此三个系统的总耗冷量不变。

当房间除湿的循环风量小于或等于新风量时，多采用第二种方法（图四）。

当房间除湿的循环风量大于新风量时，使用第二种方法就必须在空调箱上加入一次回风,而不能随着增加新风量，回风量就是循环风量与新风量的差值（图五）。

如果比较一次回风空调系统（图四）：总风量为L=25450m3/h,耗冷量仍为：97.62KW。

这同样说明两种供冷方式的总的需要冷量是一样的，可是取得和输送同样冷量的设备是不同的，不同设备占有的空间、耗电量等相加也不一定相同。

新风量的计算是按两个算法取大值得到的。

假设上面房间的功能是会议厅，人员密度为0.5人/㎡, 房间的新风量为：15000m3/h; 合5次/h换气,此刻房间的正压不仅超过了10Pa,还有可能超过了规范规定的不应大于的50Pa,就需要将多余的4次/h换气排出室外。

处理新风消耗了很多能源，损失了很可惜，设排风热回收系统，回收这部分能量是必要的。

假设房间人员密度没变，而层高增加了一倍，为6m，房间的新风量为：6000m3/h，仍合1次/h换气。

如果房间的功能是住宅，也会存在同样的问题:100㎡的房间可能只有2个人居住，按每人不小于新风量50m3/h的标准计算，房间的新风量为：100m3/h;按保持正压的要求计算的最小新风量为：1X100X2.8=280m3/h。

我们同样要处理多出的180m3/h的新风，不能排风（没有排风就谈不上排风热回收），也不可能少送新风。

否则，任一种措施都可能造成房间的压力低于房间需要的5~10Pa。

如果外界的风压或热压大于房间的压力，就会有外界的空气渗入，后果前面已经论述过了。

住宅空调按辐射供冷方式设计，由于新风量不能按人数计算，造成了空调冷量偏高是这种方式的特点所决定的。

按一次回风空调系统设计，新风量按每人最小新风量的标准计算，同样会造成房间的正压不足，引起外界空气渗入。

一次回风空调系统虽然不会有在房间里结露的危险，但是仍会造成房间的过冷或过热，过湿或过干。

我们还需要对这种情况做更深入地研究，以预知外界可能渗入的空气的多少和参数，在选择设备时考虑进去，或许能节约很多能源。

综上所述，当新风的含湿量和焓均高于室内状态点时，新风是为房间加湿的，新风量越少越节约冷量。

有没有室外参数从i-d图上看在室内状态点左面，含湿量低于室内状态点的地方呢？
乌鲁木齐的夏季空调室外计算干球温度为34.1℃, 湿球温度为18.5℃,这里新风就可以用来除湿，
制冷不再负担除湿的任务。

当余湿一定时，室内外的含湿量差越大，除湿需要的新风量越小。

在乌鲁木齐按房间室内温度为25℃，相对湿度为60%的标准设计，不是要考虑怎么除湿，而是要考虑如何加湿了。

按照室内外含湿量差计算，除湿需要的新风量小于最小新风量。

房间新风量应大于等于
第二种方法先将新风加热到室内状态点的等焓线上，再用水加湿到的送风点上，新风加热量为：3.01KW,加湿量为11.34kg/h。

蒸气加湿是等温过程，喷水加湿不同与蒸气加湿，是等焓降温过程。

水是不错的冷却剂。

用水喷淋新风就出现了第三种方法。

第三种方法新风加湿的热量来自室内余热，辐射供冷系统
从图七中可以找到按照最小新风量除湿而不需要加湿的室内状态点（N’），房间温度仍为25℃，相对湿度为44.3%,符合《公共建筑节能设计标准》对一般空调房间的温湿度的要求。

潮湿地区选择较高的相对湿度是为了节约除湿的冷量，干燥地区选较低的相对湿度是为了节水，节约制备加湿用蒸气的能耗。

新风处理方法有两种：第一种方法以辐射供冷系统负担全部房间余热，将新风冷却到室内状态点的等焓线上的送风点上，耗冷量为：5.01KW,总耗冷量：70.8+5.01=75.81KW；第二种方法以辐射供冷系统负担全部的室内余热和新风负荷，新风直接送入房间除湿，总耗冷量仍为：75.81KW。

在乌鲁木齐新风直接送到室内一般不会有结露的问题，但是一定的换气次数仍是保证室内温湿度均匀所必需的。

辐射供冷系统冷水供水温度可以设定为16℃，用新风除湿，新风只需降温，送风温度为29.2℃。

新风也可以不需要降温直接送到室内。

若辐射供冷系统的能力不足，新风需要负担一定的室内余热。

冷水温度设定与辐射供冷系统的供冷能力有关。

冷水供水温度的提高使冷水机组的蒸发温度提高。

制冷循环的特点是蒸发温度越高，COP值越高，耗电量越低。

这里显现了在一定的气候条件下辐射供冷方式的优势。

上例如果按一次回风空调系统设计（图七），可以得出：总风量为L=15400m3/h,耗冷量仍为：75.81KW。

由此可见这两种不同的供冷方式总的耗冷量是相同的。

一次回风空调系统的送风温度为12.2℃。

若总风量仍保持不变，为L=25450m3/h, 送风温度可以提高到17.3℃。

虽然送风温度提高了，但受表冷器规格的限制，冷水供水温度设定在7℃仍是合理的选择。

用i-d图分析辐射供冷方式，就可以了解到当室外气象参数、房间的余热和余湿变化时，辐射供冷系统和新风除湿系统如何应对这些变化。

如何调节辐射供冷系统和新风除湿系统是辐射供冷方式设计遇到的第四个问题。

北京的夏季含湿量一般都高于室内状态点的，这就决定了新风一般都是最小新风量，当室内人员减少，如果按人员标准计算的最小新风量高于按正压要求计算的新风量时，可以减小新风量，直到减到按正压要求计算的最小新风量为止。

当新风量一定时，如果室外空气的焓和含湿量降低，就减小新风系统的供冷量，新风除湿需要的再热量不变。

新风量大小可以按房间CO2的浓度的变化而变化。

除湿系统与新风系统可以分别设置。

假设最小新风量不变，除湿系统循环风量大小由余湿的多少和新风除湿需要的再热量、室内除湿系统需要的再热量（辐射供冷系统不能处理的余热）确定，可以随余热余湿的变化而变化。

若余湿一定，只余热减少，可以减少循环风量，从而减少除湿系统的供冷量，辐射供冷系统的供冷量不变；当辐射供冷系统的供冷能力与房间全部余热减去新风系统的再热量的差相等时，余热再减少，循环风量不变，只减少辐射供冷系统的供冷量。

或者从始至终循环风量不变，除湿系统供冷量不变，只减少辐射供冷系统的供冷量。

当余热和余湿同时减少时，可以减少循环风量，辐射供冷系统的供冷量不变；当辐射供冷系统已能负担减去新风除湿再热量以外的余热，只余热减少时，循环风量不变，只减少辐射供冷系统的供冷量；如果余湿减少，循环风量还可以再减少。

总之，风量大小还是按减少到的房间余湿和除湿需要的再热量决定。

或者循环风量不变，只减少辐射供冷系统的供冷量，除湿系统逐渐演变成负担全部的房间余热余湿。

新风系统供冷量始终随着室外参数变化。

由于辐射供冷系统的供冷能力不足，当辐射供冷系统不能处理的余热大于新风除湿的再热量时，循环风量就比较大，有可能大于新风量。

当除湿系统与新风系统合用一台空气处理机组，且新风量小于循环风量时，新风需要混合回风，按循环风量送风；当等于时，循环风量就等于新风量；当大于时，新风和室内空气应分别处理；若仍等于新风量，相当于循环风量加大了，多负担了一部分室内负荷，从而减少了辐射供冷系统的供冷量。

在夏季比较潮湿的地区，当辐射供冷能力不足时，不适宜采用辐射供冷方式。

以地板供冷为例，地板供冷能力假定在40 W/㎡,如果没有新风，按照上例除湿系统负担了43.5%的房间余热；如果有新风，除湿系统和新风系统提供的冷量占了总冷量的59%。

由于新风本身除湿需要的再热量由房间余热提供，新风量的调节幅度又很小，夏季室外空气的含湿量一般变化也不大，新风除湿需要的再热量基本不变，随着房间余热的减少，新风系统负担房间余热的比例会越来越大，辐射供冷系统负担的会越来越少。

为了简化系统，往往将除湿系统和新风系统合用一台空气处理机组，原本除湿的循环风量应该随余湿的减
少而减少，但是按新风量的大小送风，相当于循环风量该减少时没有减少，这就更增加了负担房间余热的比例。

新风除湿系统在最大余热余湿时就占据了较大的比例，随着房间余热余湿逐渐减少，将占据更大的比例。

随着辐射供冷量的减少，逐渐淹没了辐射供冷系统在节能、舒适性方面的优势。

乌鲁木齐的夏季含湿量一般都低于室内状态点的，新风是被用来除湿的。

为了减少加湿，室内可以选比较低的相对湿度。

由于空气干燥，空气的露点温度较低，相对湿度的调节范围比较宽，就有可能提高房间的设计温度，降低冷水的供水温度，提高辐射供冷系统的供冷能力。

一般来说辐射供冷给人体的感觉比设计温度低约2℃，因此可以提高设计温度，减少房间围护结构的得热，辐射面之间的温差加大了还能提高辐射供冷的能力，从而节约空调能耗。

按照前例，北京的房间室内温度为25℃，相对湿度为60%，如果将设计温度提高到27℃, 露点温度不变，于是相对湿度降为53.3%。

人体感觉的温度是25℃,而人体的实际散湿量随实际温度的提高而增加了。

若这个人非常敏感就会感觉干燥，感觉冷，感觉空调效果不一样了。

如果设计相对湿度提高到 60%，使人仍是温度25℃相对湿度60%的感觉，那么此刻的露点温度为18.6℃，高于了冷却表面的温度。

为了防止结露，冷水供水温度也要提高约2℃，辐射供冷能力反而没有了多少提高。

假设为达到这个效果将房间的相对湿度都设计为50%，人体的感觉前后一样了，辐射供冷能力增强了，而处理新风的能耗也增加了。

乌鲁木齐房间室内温度为25℃，相对湿度为44.3%，提高2℃，相对湿度不变，露点温度为13.8℃,冷水供水温度不用提高，辐射供冷能力增强了，新风降温的能耗还降低了。

这再次证明了辐射供冷方式的优势体现
面，北京在最右面，而欧洲主要城市都在左面。

如果辐射供冷方式节能，日本和韩国是最缺乏资源的国家，能源基本依靠进口，辐射供暖在这两个国家的使用也是最普遍，这些国家为什么不推广辐射供冷方式？看了这张图，欧洲人（尤其德国人）认为辐射供冷方式节能也就不言而遇了。

参考文献：1. 王子介编著. 低温辐射供暖与辐射供冷. 北京：机械工业出版社.2004.6.
2. 龙惟定 王曙明等译 [英]CIBSE（英国注册建筑设备工程师学会）编著.
注册建筑设备工程师手册. 北京. 中国建筑工业出版社. 1998.12.。