辐射吊顶供冷加独立新风系统的设计及控制策略

易伶俐,孙婷婷

(1.深圳机械院建筑设计有限公司,深圳518000;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150001)

1 概述

辐射吊顶供冷起源于20世纪50年代,经过二十多年的研究和发展逐渐在欧洲、美国、大洋洲等地区得到推广和应用。辐射吊顶供冷的应用领域也逐渐从单一的住宅建筑拓展到商业建筑。辐射吊顶供冷加置换通风系统由于其结露问题、冷却顶板冷辐射能力问题及一次投资问题逐渐被辐射吊顶供冷加独立新风系统所取代。2002年,辐射吊顶供冷加独立新风系统凭借舒适、节能等优点,被美国能源部列为美国当今和未来最具优势的15项暖通空调节能技术之一[1]。国内外学者对辐射吊顶供冷加独立新风系统也进行了深入的研究。University of Pennsylvania的Mumma教授通过实验和模拟指出辐射冷吊顶加独立新风系统比辐射冷吊顶加置换通风系统节能10%,比单纯用辐射冷吊顶系统节能15%[2]。湖南大学的殷平通过工程实例分析了采用辐射吊顶供冷加独立新风系统房间内的热湿平衡,结果表明辐射吊顶供冷加独立新风系统明显提高室内空气品质、人体舒适感[3]。尽管国内北京、上海等地辐射吊顶供冷加独立新风系统得到了应用,但是由于室内温度、湿度对地辐射吊顶供冷加独立新风系统的影响很复杂,系统的运行和控制需进一步加强。

2 辐射吊顶供冷+独立新风水系统的形式

辐射吊顶供冷+独立新风水系统有三种供水方式:第一种,新风机组和辐射吊顶水路串连,制冷机先供水给新风机组,然后为辐射吊顶供冷,如图1所示;第二种,制冷机同时为新风机组和辐射吊顶并联供水,如图2所示;第三种,新风机组和辐射吊顶独立供水,如图3所示。

由于第一种方式水的流量控制难度大,难以准确控制辐射吊顶的进水温度,实际运行时较少选用这种系统。第二种供水方式是采用板式换热器把制冷机组产生的低温冷水转换成高温冷水,辐射吊顶利用转换的高温水制冷,减少了结露的危险。第三种方式采用了两组制冷机,设备的初投资会有所增加,但是与第一种和第二种供水方式相比在控制和节能方面都相对优越。当辐射吊顶和新风机组独立供水时,高温制冷机组性能系数大大提高,发挥了节能优势。高温机组与低温机组独立运行,系统的自动控制也得以简化。

图3 新风机组和辐射吊顶水路独立供水示意图

3 辐射吊顶供冷+独立新风控制流程

由于辐射吊顶供冷+独立新风系统换热方式的不同,它与对流空调系统在运行和控制上差别很大。辐射吊顶供冷+独立新风系统主要是通过吊顶辐射顶板辐射来消除室内显热负荷,通过新风系统来消除室内潜热负荷及部分显热负荷。系统运行时既要满足室内温度的稳定和室内的舒适要求,又要解决和地面结露问题。影响辐射吊顶供冷+独立新风系统的因素很多,包括了供回水温度、太阳辐射、室内人数、建筑结构等。为了保证辐射吊顶供冷+独立新风系统有效地运行,必须对这些参数进行严格的控制,并且制定合理的控制流程。

对于采用辐射吊顶供冷+独立新风系统的空调房间,新风与辐射板水管阀门的开启流程如图4所示。开启信号输入时,新风首先开启,为房间除湿,接下来辐射板水管阀门开启。

当室内温度与设定值相比较高时新风风量加大,辐射板供水水温降低。当探头检测到外窗开启室内湿度上升时,新风风量加大,辐射板供水水温升高。必要时采取报警措施,强制关闭水管阀门。当系统输入关闭信号时辐射板水管阀门首先关闭,其次新风关闭,保证室内较低的相对湿度,减少结露的危险。

图4 空调房间控制流程示意图

4 辐射吊顶供冷加独立新风系统的设计要点

4.1 辐射吊顶盘管内冷冻水水温的控制

在辐射吊顶供冷加独立新风系统运行时,控制的难点主要是室内空气结露,控制辐射吊顶供水温度是解决方案之一。当辐射吊顶供水温度高于其室内空气露点温度,就可以避免结露。

在空调设计时,室内空气温度和相对湿度是一定的,但是在实际运行中,夏季室内温度在23.5～28℃之间变动,相对湿度在40%～89%范围内变动,因外界环境温湿度的改变而发生改变。因此,在实际运行中,室内空气的露点温度是一个变数,应进行实时的监控检测。辐射吊顶盘管内供水温度的设定也应随着露点温度的改变而发生相应的变化。当供水温度达到设定的下限时,机组的供水温度提高。

4.2 室内温度与湿度探头及报警装置的设定

辐射吊顶供冷加独立新风系统影响因素较多,在人员频繁进出房间或者较大面积开启外窗、外门的情况下,将会引起较大的室内空气温湿度变化,为了使系统正常有效地运行,必须在室内设定有效地温湿度探头。

室内温湿度探头一般设置三个点,位置如图5所示。探头1设于房间外门顶棚,距离外墙水平距离300～400mm,探头2设于房间中间的顶棚,探头3设于靠近窗户的顶棚,距离窗户水平距离300～400mm。

当探头测试到门或者窗户开启时,新风风量加大,室内保持正压,阻止室外空气进入室内,并调节辐射板的供水温度,使其维持在比室内空气露点温度高0.5～2℃[4]。必要时发出警告,告知住户或者客人关闭,门或者窗。当警告得不到回应或者室内的湿度超过限值时,强制关闭冷冻水,避免结露的危险。

图5 室内温湿度探头布置图

4.3 末端风机的设计

常用的空调系统如风机盘管加新风、全新风系统等,空气经处理后直接送入室内,末端设置调节阀或者电动阀调节空气量。

由于辐射吊顶供冷加独立新风系统室内除湿全部由新风承担,新风的输送不仅到关系室内的舒适,而且是避免室内结露的有效措施,合理的设计新风系统及系统控制策略是关键。

在空调设计时,各送风末端设置小变频风机。风机的风量根据探头的测试结果调节新风量,保证室内的舒适度及系统的正常运行。

4.4 建筑材料的选择

建筑的围护结构包括墙体、屋面、门窗和地面等,围护结构的保温隔热性能的高低,对辐射吊顶供冷加独立新风系统供冷的影响很大。外围护结构传热系数小的建筑,外环境对内环境的影响相对较小,有利于系统的控制。窗户的密封性更是辐射吊顶供冷加独立新风系统严格控制的指标之一。

辐射面的材料对辐射供冷有一定影响。导热系数小的材料,导热延迟时间较长,表面温度降低速度慢,不会立即出现结露,这段缓冲时间可以通过系统的调节来防止结露,研究表明采用导热系统较小的材料可以降低地板表面结露[5]。

材料的光滑度也是影响结露的因素之一,根据文献研究表明表面光滑的材料结露主要发生在表面,对内部结构不会产生太大的影响,然而对于粗糙的表面,容易在材料的内部形成结露,对材料具有破坏性。辐射板板的材料应采用超疏水表面技术,超疏水表面材料的冷辐射板可以避免空调冷表面凝露。

5 总结

本文介绍了辐射吊顶供冷+独立新风水系统的形式,并对设计和控制要点进行了总结。

(1)系统运行时采用合理的控制流程避免结露危险。

(2)在空调设计中,室内空气的露点温度是一个变数,应进行实时的监控检测。辐射吊顶盘管内供水温度的设定也应随着露点温度的改变而发生相应的变化。

(3)合理布置温湿度探头。

(4)新风送风末端设置变频风机保证新风的输送。

(5)选择传热系数小的维护结构。辐射面的材料应导热系数小,且具有疏水性。

[1] Stanley A.Mumma.Chilled ceilings in parallel with dedicated outdoor air systems addressing the concerns of condensation,capacity,and cost[J].ASHRAETransactions,2002,108(2):1-12

[2] Stanley A.Murnma.Ceiling panel cooling systems[A].ASHRAE Journal[C],2001,43(11):1-5

[3] 殷平.独立新风系统 (DOAS)研究(2):设计方法[J].暖通空调,2004,34(2):37-43

[4] 孙丽颖,马最良.冷却吊顶空调系统的设计要点[A].全国暖通空调制冷 2000年学术年会论文集 [C],2000:659-662

[5] 李常河,永安.板辐射供冷系统地面温度的确定[J].建筑技术,2005,(2):94-95