新风与地板辐射联合供冷系统的研究

  摘要：介绍了新型温湿度独立控制空调技术核心内容，根据其技术特点及对我国不同区域气象参数的分析，给出了应用该技术的空调系统，室外设计参数新的选择方法。提出了新风与辐射地板联合供冷系统中，几个主要参数选择计算设计方法及设计步骤。结合设计计算实例，分析了联合供冷系统设备选型要点、应用条件及适用场所。

 关键词：辐射地板供冷   温湿度独立控制新风系统    联合供冷　设计计算

引言

 地板辐射供冷目前被人们认为是一种非理想的供冷方式，其主要原因是，人们对结露问题的疑虑和对舒适性的担忧。上世纪90年代，欧洲开始对地板辐射供冷进行理论和实际应用的探讨，国内近年来也加快了研究和应用的进程。随着温湿度独立控制空调技术的发明与应用，为解决上述问题提供了有效途径，使杜绝地板结露现象的产生成为可能。相关研究表明，把地板温度控制在18～20℃以上，在夏季不会产生脚冷的感觉，满足热舒适性要求。采用温湿度独立控制技术处理新风与辐射地板联合供冷（以下称联合供冷），室内外设计参数的确定、地板新风承担空调负荷比例、地板表面温度、送风参数及联合供冷系统适用场所，是本文主要研究的问题。

技术背景

1温湿度独立控制空调技术

传统的空调方式由于手段的限制，通常采用热湿联合方式处理空气，为了同时满足温度和湿度的要求，势必导致能源的浪费。而温湿度独立调节空调技术是分别采用两个手段来解决温度控制和湿度控制这两个方面问题，从而可以分别达到对室内温度和湿度的控制要求。结合相应的能源形式，可以大大降低能耗，并有可能利用同一末端设备，解决春、夏、秋、冬四季的室内环境的问题。

2辐射地板供冷

辐射地板供冷最关键的问题就是如何控制地板表面不发生结露现象。当地表温度低于室内露点温度时，会产生表面结露现象。结露不仅降低空调供冷的效果，而且影响建筑物的使用功能及建筑材料的使用寿命，应坚决避免。这样就要求在采用地板供冷时，一定要保证地板表面的最低温度高于室内空气的露点温度，且有一定的余量。在实际应用中，可以采用防止辐射吊顶结露的方式进行控制，即当辐射地板温度低于某一设定值（如一般场所可以取18oC）时，停止供水循环，使得温度逐步上升，以保证正常工作。因此，在室内设计状态下，地板表面的温度存在一个最低值。

 室外参数的选择

温湿度独立控制空调系统，温度、湿度为两个独立控制的参数，与传统热湿联合处理空调系统不同。传统的空调系统设计中，按暖通规范规定，夏季空调设计采用历年平均不保证50h的干球温度、历年平均不保证50h的湿球温度的状态点作为室外设计状态点，把这种选择方法用在温湿度独立控制空调系统设计是不妥的。

根据年平均温度、最湿月平均含湿量，我国划为三个区域（1）。根据我国典型气象(设计典型)年逐时参数报表（2）中看出，不同区域最湿月平均含湿量与夏季空调室外状态点对应含湿量不同，一般干燥地区最湿月平均含湿量大于夏季空调室外状态点对应含湿量，潮湿地区最湿月平均含湿量接近或小于夏季空调室外状态点对应含湿量；所有地区最湿日平均含湿量均大于夏季空调室外状态点对应含湿量。为保证空调系统运行可靠性，建议采用最湿日平均含湿量作为夏季空调室外计算含湿量。夏季空调设计采用历年平均不保证50h的干球温度、最湿日平均含湿量的状态点作为室外设计状态点。表１为不同区域典型城市室外气象参数对照表。

表1  不同区域典型城市室外气象参数

室内参数的确定

采用了地板辐射供冷方式，可以适当提高室内的空气温度，以达到与传统空调系统一致的体感温度，满足舒适性要求。由于地板辐射不能负担全部显热负荷，因此，设计的室内温度比传统空调提高的幅度需要进一步分析。参照热辐射地板的规范要求，联合供冷采用下部送风方式，设计温度可以比传统空调提高2oC；采用上部送风方式，设计时的室内温度按照线性比例提高，即如果地板辐射全部负担显热负荷，设计温度可以比传统空调提高2oC，如果只占有一定比例，则设计温度也提高2oC的相应比例。

 设计步骤

1地表温度确定

应根据空调负荷、新风量及舒适性要求，确定地表温度，一般不宜低于18～20℃。

2地板新风承担空调负荷比例

地板承担部分显热负荷，新风承担室内全部潜热负荷及其余显热负荷。

单位面积辐射地板承担的显热负荷为：

Qd=α*(tn-td)

其中：

      Qd：单位面积辐射地板传热量   

      α：辐射换热系数

      tn：房间空气温度             

      td：辐射地板表面平均温度    

3新风量的确定

满足人员新风量（新鲜空气）及室内空气品质的要求。

为使室内空气充分混合，维持均匀的温度场、速度场，杜绝地板结露，联合供冷系统新风量即送风量（诱导式送风除外），宜满足暖通规范舒适性空调室内换气次数要求。

4新风送风点的含湿量确定

新风负担全部的湿负荷，根据室内的余湿量、含湿量以新风量，计算新风送风点的湿度：

ds=dn-W/（Gx*ρ）

其中：

      ds：新风送风点的含湿量      （g/kg）

      dn：室内空气含湿量           (g/kg)

      W：室内余湿                  (g/h)

      G：新风量                    (m3/h)

      ρ：空气密度                （kg/m3）

5新风送风点的温度确定

新风负担的显热负荷为全部显热负荷减去地板承担的显热负荷。根据这个负荷，确定送风点的温度。具体计算如下：

ts=tn-3.6*Qx/（Cp*G*ρ）

Q=Qx+Qd

其中：

      ts：新风送风点的温度         ( oC )

      tn：室内空调温度              ( oC )

      Cp：空气定压比热              (kJ/kg oC)

      Q：室内显热余热              （W）

      Qx：新风负担显热负荷          （W）

    其它符号含义同上

应用举例

按照以上的设计计算方法，对典型的餐厅和办公房间进行设计，并且比较计算结果。

设计的室内基本参数见表2

表2  典型餐厅、办公室的室内设计参数

为了便于计算，室内设计温度仍按照传统方式选取，同时，确定辐射地板表面的平均温度为20oC，根据分析，如室内设计温度提高，露点温度相应提高，但仍可满足要求。表中新风量考虑了人员的新风要求和换气次数的限制。

根据上述的计算方法、步骤，计算典型餐厅办公室的新风送风点和负荷如表3，表4

表3  典型餐厅、办公室负荷计算

表4  典型餐厅、办公室新风送风点

根据计算可以看出新风的送风点达不到机器露点的范围（相对湿度85%~90%），因此新风的处理过程可以由独立的温湿度控制空调机组完成。

新风处理方法和高温冷水的制备

由于我国幅员辽阔，气候类型多样，因此，对于特定的新风送风点，在不同的地域，采用的处理手段也不尽相同，其能耗也差别很大。西北干燥地区，室外气候比较干燥，可采用蒸发冷却式新风处理机组、高温冷水表冷器新风处理机组对新风降温；东南潮湿地区，室外空气需要除湿降温后才能送入室内，可采用热湿联合处理（冷凝除湿）机组、温湿度独立控制新风处理机组对新风除湿降温。（1）

需要特别说明的是，新风机组选型的容量计算。由于新风处理过程除湿是关键，如果除湿量不足，则送入室内的新风不能排除全部余湿，室内空气含湿量加大，干式空调末端设备产生结露现象。因此，新风机组除湿量选择十分重要，是选择机组的首要参数。按前文所述，为安全起见，建议以室外最湿日平均含湿量作为计算室外状态点的依据，并用建议的室外状态点与送风点的差值来选择机组。这样，相对于传统的室外参数点为基础的机组选型，独立控制空调设备的选型容量增大。为保证空调系统运行可靠，在设备选型中应特别注意。

辐射地板供冷，表面的平均温度约为20℃，适宜的冷水温度为15~18℃，此温度要求的冷水可以采用很多天然冷源，如深井水、通过土壤源换热器获取冷水等，我国很多地区可以直接利用该方式提供15~18ºC冷水。在某些干燥地区（如新疆等）通过直接蒸发或间接蒸发的方法获取15~18ºC冷水。即使采用机械制冷方式，由于要求的压缩比很小，制冷机的理想COP将有大幅度提高。

联合供冷适用场所

1干燥地区

空气干燥、含湿量低气候条件比较适宜的地域，采用地板辐射供冷的空调系统，新风处理可以减少甚至取消除湿过程。当室外温度较低时，可以利用自然通风的方式，大大节约了能耗。如在我国西北地区，室内负荷较小，对空调的要求是通风和降温，因此，这种方式有广泛的应用前景。

2人员密集房间

对于人员密集、新风量要求大的空调区域，采用辐射地板加独立新风系统，可以利用较大的新风量负担更多的显热符合，以减轻地板的负担。这样做可以提高地板表面的温度，降低结露危险。同时，由于采用新风方式控制室内空气参数，借助于成熟的空调控制手段，通过调节新风参数，控制室内温度，增加了可调性。人员密集的高大空间，联合供冷采用地板送风方式，节能效果更为明显，送风量的减小，节约建筑空间，具有广阔的发展前景。

3冬季地板供暖房间

在冬季采用地板供暖的建筑中，如果夏季采用辐射地板供冷，两者可以公用一套系统及末端装置，节省初投资。对于人员密度较低的房间，联合供冷系统新风量大于人员需要的新鲜空气量。新风量增加，大大提高空气品质，通过采用热回收方式、变风量系统及优化控制策略等减少由于新风量的增加带来的能耗损失。

小结

联合供冷系统有着广泛的应用前景，随着地板辐射的深入研究与应用和温湿度独立控制空调设备的成功研制，可实现温湿度独立控制空气处理过程，新风送风点可以达到更大范围的温度湿度。由于可以直接将含湿量处理到要求的送风点，因此比传统热湿联合空调方式节约能源。结合我国气候特点，采用多种形式，耗费较低能量来制备高温冷水，用于辐射地板供冷。

在室外气象参数选择过程中，温湿度独立控制空调系统，建议采用最湿日平均含湿量作为湿度确定依据。

在设计计算中，应先确定地板表面温度，从而确定辐射所承担的显热负荷，以及新风量，根据室内的湿负荷和余下的显热负荷分别确定新风送风点，最后由送风点的位置选取适当的处理方法。

参考文献

（1）江亿主编，《温湿度独立控制空调系统》，北京，中国建筑工业出版社，2006

（2）中国气象局气象信息中心气象资料室、清华大学建筑技术科学系，《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，北京，中国建筑工业出版社，2005