金属微孔顶板辐射空调系统运行测试与分析

陈远平李灿*明锦

1 湖南工业大学土木工程学院

2 湖南省建筑节能与环境控制关键技术协同创新中心

金属微孔顶板辐射空调系统运行测试与分析

陈远平1，2李灿1，2*明锦1，2

1 湖南工业大学土木工程学院

2 湖南省建筑节能与环境控制关键技术协同创新中心

为深入了解某图书馆阅览室金属微孔顶板辐射空调系统的能耗及室内空气品质情况，通过对该空调控制系统终端运行数据进行采集，得出该空调系统冬、夏工况下的空调运行负荷及阅览室CO2浓度，并进行了计算与经济分析。结果表明，该空调系统实际运行相对传统空调系统节能，投资回收期为9年。测试发现阅览室空气品质没有达到设计标准，CO2浓度总体基本维持在720ppm～860ppm之间，分析是新风量不足所导致，提出了相应的改善措施。

金属微孔顶板辐射空调系统 经济性 空气品质

辐射式空调作为一种新型的空调系统，是指通过降低或者提高围护结构表面的温度，形成冷（热）辐射面，利用辐射面与人体及其他物体间的辐射热交换，调节室内温度。其具有良好的热舒适性、优越的节能性、噪声影响较小及安装方便等巨大优势[1]。近年来，一种新型的空气载能型辐射空调系统发展起来，与常规辐射空调的区别主要是载冷（热）的介质由水改为空气，但是，关于空气载能型辐射空调的相关研究与实践不足[2～3]，因此，利用已建成的实际工程案例进行全面实时监测与分析总结，为全面推广应用做技术支撑，就显得非常必要。本文选取株洲市某图书馆阅览室金属微孔顶板辐射空调系统作为测试研究对象，通过现场实测的数据分析其节能特性和空气品质情况，以期为同类工程提供经验。

1　测试对象及结果

1.1工程概况

该空调系统安装于该图书馆四楼的一个面积为520m2的独立阅览室内，属于空气载能型辐射空调的一种形式，通过风机盘管将冷（热）风送至顶棚内，与微孔顶板换热后大部分返回风机盘管，冷（热）顶板再与室内进行辐射换热，顶棚内小部分空气在压力差作用下可以从顶板的微孔中渗漏出流，增加与室内空气对流作用并吸收室内余热余湿,同时新风机组送入新风，改善室内空气品质，其工作原理示意如图1所示。

图1　微孔顶板辐射空调系统运行原理示意图

由于空调系统处于调试试验阶段，此阅览室并没有投入使用，但是长期与其他正常使用的阅览室通过门连通，使得此阅览室积累了一定浓度的CO2。顶板多孔辐射空调能否在一定的时间内有效地降低室内CO2浓度且运行节能，需要进行运行经济性分析和CO2测试与分析，为金属微孔顶板辐射空调系统的优化设计与研究提供参考。

1.2测试原理与方法

根据株洲市实时气象条件，确定冬季工况具体测试时间为2014年1月7日～2014年1月8日，夏季工况具体测试时间为2014年6月4日～2014年6月5日。该空调系统每日实际运行时间段为08:00～17:00，选取的测试时间段为09:00～16:00。测试期间，关闭所有的门窗，记录有关参数的初始数据，开机后，每半个小时记录一次。

测试参数有送回风温湿度、供回水温度、水流量及阅览室CO2浓度，通过空调系统参数监控系统软件读取，再根据读取参数计算出空调运行负荷。

空调末端的冷（热）量，可按空气侧或冷冻（热）水侧进行测量与计算，且空气放出的热量按式（1）计算：

式中：Q1为空调末端冷（热）量，kW；L为风量，m3/s；ρ为空气密度，计算时取值1.2kg/m3；△i为空气焓差，kJ/kg，可按式（2）、式（3）计算[7]。

式中：d为对应于1kg干空气的湿空气中所含有的水蒸气量，kg/kg·干；Pq为湿空气的水蒸气分压力，Pa；B为大气压，Pa；Pq.b为空气在相应温度下的饱和水蒸气分压力，Pa；φ为湿空气的相对湿度，%；i为空气焓值，kJ/kg；cp.g为干空气的比定压热容，kJ/(kg·K)，常温下cp.q=1.005kJ/(kg·K)，近似取1或1.01kJ/(kg·K)；cp.q为水蒸气的比定压热容，在常温下cp.q=1.84 kJ/(kg·K)。

冷热源机组供给微孔顶板辐射空调末端的冷（热）量可按式（4）计算。

式中：Q2为冷热源机组供空调末端的冷（热）量，kW；C为冷冻（热）水的比热容，J/(kg·℃)；ρ为水的密度，kg/m3；G为空调水流量，m3/s；△t为供回水温差，℃。

1.3能耗测试结果

冬季工况、夏季工况（分别以2014年1月8日、2014年6月5日的监测数据为分析依据）下阅览室送回风的焓差及供热（冷）量变化数据统计于表1。

表1　送回风的焓差及供热（冷）量变化数据

当天室内环境参数与设计条件一致，室外气象条件接近设计值，阅览室设计热负荷为30.3kW，设计冷负荷为72.8kW，从表1可见，供热（冷）量正常。考虑室外气象参数的波动及测量误差，表明该系统能耗可达到原设计目标。

1.4CO2浓度测试结果

利用微孔顶板辐射空调远程控制系统终端对阅览室内CO2浓度进行监测记录。因2014年1月7日与8日、2014年6月4日与5日的CO2浓度变化都几乎一样，所以分别选取2014年1月8日、2014年6月5日的监测数据作为代表进行分析，如图2所示。

由图2可知，冬季工况CO2浓度全天在720～860ppm之间；夏季工况CO2浓度在720～820ppm之间。高于设计值500ppm甚远，说明通风效果较差。

图2　阅览室CO2浓度监测结果

2　结果分析

2.1经济性比较

金属微孔顶板辐射空调系统的末端——多孔金属辐射板单位面积造价为150元/m2，普通全空气中央空调系统风管单位面积造价80元/m2。两种空调系统其他部分相同的情况下，金属微孔顶板辐射空调系统初投资相对传统中央空调系统多36400元。

株洲市电价为0.8元/kWh。按照当室外空气温度大于28℃时开始供冷，室外空气温度小于12℃时开始供暖的设定计算空调系统全年冷热耗量如下：根据株洲市标准年气象数据，全年供热1379h，供冷1117h。根据文献[1]，该阅览室空调方案设计，金属微孔顶板辐射空调系统年供冷总负荷为66736kW，年供热负荷为44999kW。制冷工况能效比为6.11，制热工况能效比为4.89。则夏季运行费用为66736×0.8/6.11=8738元，冬季运行费用为44999×0.8/4.89=7362元，年总运行费为16100元。传统空调系统年供冷总负荷为78198kW，年供热负荷为53039kW。制冷工况能效比为5.43，制热工况能效比为 4.89。则夏季运行费用为 78178× 0.8/5.43=11518元，冬季运行费用为53039×0.8/4.89= 8677元，年总运行费为20195元。综上可知金属微孔顶板辐射空调系统相对传统空调年运行费少4095元。按照动态回收计算等额年金，可由式（5）表达[4]。

式中：A为等额年金，元；P为初投资，元；i为年利率，一般按5.1875%计；n为计息期数。

通过上述分析，可知A=4095元，P=36400元，由此可以算得n≈9，因此，系统动态投资回收期为9年，有较好的应用前景。

2.2通风效果分析

从阅览室空调系统的风道原理看，分析室内通风效果差的原因，可能是新风因通过过滤器进风机阻力较大，回风不通过过滤器进风机阻力小，因此在室内无机械排风的情况下，不能确保设计的新风量进入室内所致。

为进一步验证上述原因，对实际新风量进行估算。冷热（冻）水侧热量得失等于新风侧新风热量得失，如式（6）所示，通过计算冷热（冻）水侧供热（冷）量，算得冬、夏季工况下新风负荷，如图3所示。

式中：L为顶板多孔对流辐射空调新风量，m3/s；ρ1为空气密度，计算时取值1.2kg/m3；△i为空气焓差，kJ/kg；C为冷冻（热）水的比热容，J/(kg·℃)；ρ2为水的密度，kg/m3；G为空调水流量，m3/s；△t为供回水温差，℃。

图3　新风负荷变化示意图

由图3可知，冬季工况下的新风负荷在5kW至10kW之间，11点后室内温度升至设置温度18℃，此时室外温度为6.2℃，热负荷维持在6kW左右；夏季工况下的新风负荷在11kW至18kW之间，12点后室内温度降至设置温度27℃，此时室外温度为29.7℃，冷负荷，维持在12kW左右。根据文献[1]，相同的室内外参数时，阅览室空调新风负荷设计值如表2。

表2　阅览室空调新风负荷设计值

根据表2，供热新风负荷设计值为31.44×520=16.3kW，实测负荷为6kW，仅为设计值36.8%；供冷新风负荷设计值为117.55×520=24kW，实测负荷为12kW，仅为设计值的50%。忽略室外新风相对湿度的变化，由式（6）可知实际新风量不足，夏季实际新风量只有设计值的一半，冬季仅为设计值的三分之一，导致室内空气品质差。

2.3改进措施

针对新风量不足问题，通过机械排风，减小室内压强，使得新风能够顺利进入室内，改善室内的空气品质，如图4所示。并且利用全热交换机将排风与新风进行热交换，热回收循环利用，减少能量损失。

图4　改进空调系统原理图

3　结论

通过空调控制系统终端运行数据对该空调系统的冬、夏工况下的空调运行负荷及阅览室CO2浓度进行分析，得出如下结论：

1）阅览室微孔顶板辐射空调系统冬夏季能耗均低于常规空调系统，其动态投资回收期为9年，有较好的应用前景。

2）现有系统实际新风量送入不足，导致CO2浓度远高于设计值500ppm，应采取措施增加实际供入阅览室的新风量才能保障室内空气品质。

[1]刘胜酉.夏热冬冷地区阅览室辐射空调系统研究[D].湖南:湖南工业大学,2013

[2]王晨光,马小飞.言树清.辐射空调系统的发展研究现状综述[J].建筑热能通风空调,2014,33(5):47-49

[3]龚光彩,杨厚伟,苏欢.空气载能辐射空调末端系统辐射传热简化算法研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2013,40(12):31-38

[4]黄有亮,徐向阳,谈飞.工程经济学[M].南京:东南大学出版社, 2006

Test and Analysis of the Micro-porous Metal Roof Radiation Air Conditioning System Operation

CHEN Yuan-ping1,2,LI Can1,2*,MING Jin1,2
1 School of Civil Engineering,Hunan University of Technology
2 Collaborative of Innovation Center,Hunan University of Technology

To investigate the energy consumption of the micro-porous metal roof radiation air conditioning system operation and indoor air quality in a library reading room,the concentration of CO2in the reading room was acquired through test experiment and the air conditioning operation load in winter and summer conditions was calculated.Then, by studying on energy saving of this system and economic analysis,it came to the conclusion that the air conditioning system provides superior performance on energy saving compared with traditional air-conditioning and its investment payback period is 9 years.Test indicated that the CO2concentration in the reading room remained a high level a high level from 720 ppm to 860 ppm which was not up to standard for lacking of fresh air.Relevant measures were proposed to improve such conditions.

the micro-porous metal roof radiation air conditioning system,energy consumption,indoor air quality

1003-0344（2015）06-005-4

2014-9-15

李灿（1968～），女，教授，博士；湖南株洲湖南工业大学土木工程学院（412007）；E-mail:lc19992@126.com

湖南省自然科学基金项目（13JJ9015）