建筑围护结构对毛细管辐射系统供冷能力的影响

楼燕进

宁波市城建设计研究院有限公司

近年来，毛细管辐射系统广泛应用，相关研究增多。陈焜等通过理论研究提出了对于毛细管辐射系统优化设计方案[1]。刘前龙等利用数值模拟研究了毛细管表面结露的情况[2]。杨涵宇等通过管网传热研究得到与系统运行效果的关系[3]。Mikeska 等研究发现当室内温度比供水温度高4K 时，室内温度舒适性较好[4]。陈金华等通过研究确定了系统最佳供水温度[5]。毛细管辐射系统前景较好，但是依然存在供冷能力不足、结露、初投资高等问题。目前对毛细管辐射系统设计时并没有侧重考虑到围护结构对毛细管系统的影响。不同的建筑围护结构热工条件，毛细管辐射系统的供冷能力差异较大。因此，本文对建筑围护结构与毛细管辐射系统供冷能力关系进行研究，为工程实践提供参考。

1 实验设置分析

本文以夏热冬冷地区某住宅建筑为例，建筑面积800 m2，空调面积328 m2。其中，建筑房间内空调负荷为围护结构传热负荷、新风负荷、室内人员负荷和室内灯光设备负荷的总和，因此控制后三项负荷不变，以此建筑为研究模型，对系统进行分析，具体建筑平面图如图1 所示。

图1 建筑平面图

该住宅采用毛细管平面辐射空调系统，夏季室内设计温度26 ℃，相对湿度60%。毛细管辐射末端处理室内显热，室内潜热由新风系统负责承担。在第一季供冷过程中，室内温度达不到设计要求，且电费较高，现场勘察发现主要是由于以下原因：1）外围护结构基本上都是落地玻璃外窗，没有外窗帘；2）天井改造成阳光屋，玻璃屋面，也没有遮阳措施；3）屋面是人字型坡屋顶，现浇水泥屋盖，屋盖上面是小青瓦，没有做保温。综上可以看出，毛细管系统供冷能力不足的主要原因是建筑本身的围护结构热工条件较低。

对于不同的建筑围护结构，室内冷负荷、室内空气温度和外墙体内壁温度都不同，这些都会影响毛细管辐射空调系统制冷设计量、毛细管辐射空调系统与室内空气对流换热量和辐射板与墙体壁辐射换热量。

2 供冷能力计算

对于毛细管系统，其直径、布置间距、填充层、地面面层热阻和房间与冷媒参数间的对数平均温差等系统参数对地板辐射供冷能力都有直接影响。本文不考虑辐射空调系统内部对供冷量的影响，仅考虑辐射板与室内的换热。若忽略灯光等内热源对辐射换热的影响，辐射板与室内环境之间的换热主要包括直接被冷表面所吸收的辐射传热量，以及冷表面以对流方式传到室内空气的对流传热量，即对流供冷量和辐射供冷量两部分，辐射供冷系统供冷量表达式如下：

式中：Qt为地板供冷总量，W/m2；Qr为地板与房间其他表面（本文只考虑墙体体和外窗）的辐射供冷量，W/m2；Qc为地板与室内空气间的对流供冷量，W/m2。

辐射供冷量计算式如下[5]：

式中：εf和εi分别为地面及房间其它表面的发射率；Af和Ai分别为毛细管网辐射面积和其他表面面积，m2；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Tf为地板表面热力学温度，K；Ti为房间其他表面热力学温度，K；Ff-i为地板与其他表面的辐射换热角系数。

对于对流供冷量计算式为：

式中：hc为毛细辐射管网外表面对流换热系数，W/(m2·K)；Ac为毛细管辐射面积，m2；tn为房间空气热力学温度，K；tf为地板表面热力学温度，K。

在夏季工况下，毛细管辐射面是低温辐射面，如果有湿热空气涌入就容易导致辐射面结露，往往需要设置新风系统负责室内潜热。但当房屋围护负荷指标大于节能设计标准时，风系统就还要承担毛细管处理不了的显热，能耗就会增加。当毛细管管壁接触面的温度达到其16.8 ℃的露点温度时就会产生冷凝水。所以应使其温度不易过低，当毛细管夏季供水温度上升到20 ℃以上，其所需的供冷量增大，制冷效率衰减倍增，相应也就无法将毛细管辐射空调的优势发挥出来。

假设室外热量透过外墙体进入室内为稳态传热过程，热量从外墙体外壁传到内壁的导热传热量和内壁与室内空气的对流热交换量相等，则有：

式中：h内为内壁与室内空气对流换热系数，W/(m2·K)；tn为室内空气热力学温度，K；tf内为内壁壁面温度，K；tf外为外壁壁面温度，K；λ 为外墙体导热率，W/(m·K)；δ 为外墙体厚度，m。

3 影响因子分析

3.1 单一参数分析

本文主要通过采用不同的围护结构性能参数，进行理论研究，当外窗或墙体的材料热工特性不同时，计算设计房间某日供冷能力，结果如表1 所示。

表1 不同围护结构供冷能力情况

由表1 可得墙体和外窗的传热系数K 对系统供冷能力的影响，结果如图2、图3 所示。不同外围护结构具有不同壁面传热系数K 和对流传热系数h 内，当围护结构热工参数改变后，其相应的传热系数也会改变，从而影响壁温，导致低温地板辐射板与墙体壁间的辐射传热量改变。另外，在辐射供冷的空调房里，外墙内壁面温度增大，使得围护结构与人体辐射换热量减小，降低了人体舒适度。外墙材质改变后，透过围护结构进入室内的热量发生变化，从而影响了室内空气温度，使系统对流供冷量发生变化。因此，在空调系统设计时，应该充分考虑围护结构的传热系数对系统的影响。

图2 墙体传热系数对系统供冷能力的影响变化规律

图3 外窗传热系数对系统供冷能力的影响变化规律

除墙体体外，外窗的传热系数对空调系统辐射供冷量的影响也很大，外窗的遮阳系数越小，进入室内的太阳辐射热量。夏季太阳辐射强度大，室外热量更容易透过外窗进入室内，使室内热量增加，温度升高，增大空调系统能耗。因此，无论是墙体还是外窗，当采用不同的材料时，室内负荷及空调系统能耗有所差异，还会影响室内墙壁，室内物体和室内空气的温度，从而影响辐射空调系统的供冷能力。

由于毛细管辐射空调系统有恒温恒湿恒氧、除尘无噪、节能环保等优点，毛细管辐射空调系统在新建建筑中开始大面积应用，但在决定是否采用毛细管辐射空调系统时，应该考虑围护结构材料是否符合要求，并考虑太阳照度等，否则会影响毛细管空调系统的最终效果。

3.2 参数正交分析

墙体和外窗的传热系数以及窗墙比都是毛细管空调系统供冷能力的重要影响因素。为进一步分析三者对毛细管空调系统供冷能力的影响，现利用正交试验分析墙体传热系数、外窗传热系数和窗墙比对毛细管空调系统供冷量的影响大小。

选取东南方向阳光书房作为试验房间，东面和南面为外墙体，西面和北面为内墙体，房间尺寸为5200 mm×4000 mm×3600 mm。夏季室内空气气流速度定位0.25 m/s，室外定为2 m/s，室内温度tf1=26 ℃，室外温度tf2=34.6 ℃。现通过改变围护结构参数条件，对房间内系统供冷量进行计算，计算结果如表2。

表2 各因子正交试验水平值

墙体传热系数，外窗传热系数和窗墙比为本文试验研究过程中的3 个因素，分别记为A、B、C。根据正交试验原理，在保证任一因素在任一水平与其他因素的任一水平有且仅相碰一次的前提下，进行试验。Ⅰ为各对应列水平1 对应的试验结果之和。Ⅱ为各对应列水平2 对应的试验结果之和。Ⅲ为各列水平3 对应的试验结果之和。T 为透过围护结构冷负荷正交试验结果各因素的极差值，反映出各因素对试验结果的影响程度。

在试验过程中，为满足规范节能要求，墙体传热系数K＜1 W/(m2K)。结合正交试验设计方法，经过试验计算可得结果具体如表3 所示。

表3 正交试验分组及结果

通过表3 可以分析出如下结论：

1）T3＞T1＞T2，可见对透过围护结构进入室内的冷负荷大小来说，窗墙比是影响冷负荷大小的主要因素，墙体材料、外窗材料次之。T1与T2相差不大，即墙体材料和外窗材料对透过围护结构进入室内冷负荷影响相近，系统供冷能力相近。

2）就墙体材料来说，Ⅰ1、Ⅱ1、Ⅲ1 依次均匀递增；就外窗材料来说，Ⅰ2、Ⅱ2、Ⅲ2依次均匀递增，即随着墙体或外窗传热系数K 的增加，进入室内冷负荷增大，系统供冷能力增大。

3）就窗墙比来说，由Ⅰ3、Ⅱ3、Ⅲ3依次均匀递增可以看出：随着窗墙比的增大，进入室内冷负荷增大，系统供冷能力增大。

由于外窗的主要功能是采光、通风等，在一般情况下,应以满足室内采光要求作为窗墙比的确定原则，来规定窗墙比的数值是它能基本满足较大进深房间的采光要求[7]。因此，建筑围护结构对毛细管辐射空调系统极其重要，房屋的结构越保温且避免冷桥，节能优势及毛细管及配套风系统初期投资越明显。外窗、墙体的材料和大小都是影响毛细管供冷能力、系统优点能否完全发挥出来的重要影响因素，但在设计时不能只考虑其对供冷能力的影响，在满足设计要求的同时更应考虑成本和舒适度。

4 结论

外窗的传热系数、墙体的传热系数、窗墙比是毛细管空调系统供冷能力的影响因素。当围护结构热工性能较差时，无法发挥毛细管的众多优势，且严重存在供冷能力不足的问题。故在空调系统的设计初期应根据建筑性质、建筑朝向及所处地点来决定选用毛细管空调系统的适应性。通过正交试验发现墙体的极差为0.08，外窗的极差为0.07，窗墙比的极差为0.22，即窗墙比对系统供冷能力的影响最大。因此，在设计之初，应首先考虑窗墙比对系统供冷能力的影响。