辐射和新风（RCF）空调技术在工程中的应用及防结露控制研究

程瑞，严继光

（1.广东中山建筑设计院股份有限公司，广东 中山 528400；2.燕通科技（香港）有限公司首席科学家，广东 珠海 419015）

1 工程中辐射供冷空调系统的分析

1.1 辐射供冷空调系统原理

利用处于末端的特殊冷媒结构（辐射板），将相应能量传递到辐射板的表面，通过对流、辐射等方式完成与室内环境的温度传递，简化室内外环境传递过程，也能减少能量的损失。通常情况下，水是辐射供冷空调系统的冷媒，水相比空气密度更大，既有着更好的传输效果，又能降低配电系统的能耗。

1.2 优势

实际应用中，按照辐射板设置的位置分成不同系统，与传统空调制冷形式相比，其本身有着显著优势。如：（1）选择水作为传递能量的冷媒，本身密度较大，占用空间小且有着较高的空间利用率；（2）降低维护结构内的表面温度，加强人体辐射的散热度，增强室内环境温度的舒适度；（3）辐射供冷空调系统可以与供暖系统共用一套系统，优化系统形式与布置方式；（4）辐射供冷空调系统水温较高，实际应用中，可以选择低品质的自然资源。

1.3 不足

辐射供冷空调系统也存在不足，主要表现为：（1）当辐射板表面温度偏高时，需要降低室内温度来提高室内潜热负荷的消除功能，但这样会增加冷辐射表面的结露风险。（2）辐射供冷空调系统无法将室内潜热彻底消除，处理不好会影响使用者的居住体验。

1.4 传统高温水辐射板

传统辐射板系统需要两种不同温度的冷源，夏季辐射板除了采用高于空气露点温度的高温冷水（防结露原因）外，系统还需要通过配置冷梁和其他空调末端设备（如设置低温冷冻水的新风除湿机）才能满足室内热舒适度要求。系统较复杂并且造价较高。

高温水辐射板的红外成像图如图1 所示。当辐射板采用12℃冷水时，板面会有14℃的冷线形成结露。这条冷线是冷水铜管和金属天花板的接触传热所致，实际板面温度在20℃左右。通过多次测试发现，当传统辐射板采用16℃的冷水，此时，冷线温度为18℃，此温度可以防止结露，实际板面温度在24℃左右。采用辐射板方式的日本大阪的著名绿色建筑中，明确标注了板面温度是23℃。设计为了达到空调的效果，还配置了大量使用传统冷源的供回风空调系统。

图1 高温水辐射板的热成像

1.5 RCF 辐射板（7℃低温水的辐射板系统）

测试顾问公司AEM，在香港最炎热的2010 年7 月23 日的中午做的红外成像的结果是：当辐射板表面最低温度为17.5℃时，室内的内墙表面温度为20℃，外墙温度为21℃，此时，不管室内空气温度如何，室内是个很冷的表面环境，人体向包括辐射板在内的各个表面发射热量，具有很强烈的冷感觉。实际运行时辐射板表面温度约为20℃左右，室内其他物件表面的平均温度约为25℃，此时，人会有24℃的体感温度。

通过研究测试，导致辐射板结露的主要因素是由于板面温度场不均匀，铜管和金属天花板的接触传热产生了冷线。采用高温水防止了结露，但是，提高了板面温度，降低了辐射强度，还需要补充其他冷源的空气处理系统。显然，RCF 辐射板和传统高温水辐射板相比，板面温度场均匀，没有低温冷线，可以有效防止结露。是RCF 辐射板系统室内控制部件图，根据功能将空调划分为若干区域。该区域的辐射板串联成一个子系统，辐射板内表面安装有板面温度传感器，当感知温度高于设定温度时，管路的电动两通阀打开，反之关闭。

这个控制模式和传统空调的风机盘管相似，即风盘调节控制的是空气参数，RCF 是调节控制的是辐射板的板面温度。子系统还需设有控制新风量的功能，一般按照人均30m3/h 设计新风量取值，但实际运行时，由于室外环境的差别（主要指CO2浓度差），楼层冷辐射系统可根据排风的CO2浓度控制楼层新风量，根据排风的相对湿度控制新风的出风露点温度，室内还可以根据室内的人员多少自动或手动控制新风量。制冷主机的出水温度为6.9℃，室内CO2浓度631PPM（低于设定的800PPM），新风机降频至40Hz，室内的相对湿度61%（高于设定值55%），新风机的出风温度为10.3℃，系统处于除湿状态。

2 防结露控制对策

2.1 RCF 的新风技术

针对建筑内新风系统能耗占比较大的特点，新风系统采用智能控制系统，设有室内空气质量监测传感器。末端新风动力模块依据室内空气质量状况，在保证室内湿度条件下确定新风供给量，新风机组根据末端新风量需求反馈自动进行变频运行，使得新风系统能耗可控。辐射板技术的室内湿负荷需要人工消除，否则，辐射板表面结露是不可避免的。RCF 技术中使用了专利新风机，利用双级逆向交换的原理，具有非常强劲的除湿能力。这种新风机经过深圳建筑科学研究,院测试，在深圳夏季室外计算条件下，除湿能力达到了17g/kg 空气。RCF 技术专利新风机处理送入室内新风的含湿量和室内的湿负荷，设备及运行。RCF 变频新风机是根据室内CO2浓度来调节新风量。RCF 新风机根据室内的相对湿度控制出风露点，室内相对湿度61%时，出风露点温度是10.3℃，是个强除湿工况。

2.2 RCF 的自控系统

RCF 技术的运行方法与传统空调相差很大，需要有一套全自动的操控方案来自动运行。图2 是AEM 公司对一个RCF 系统做的运行数据监测，时间是2010 年7 月23 日至26 日，正值香港一年中最热最湿的季节。

图2 RCF 技术运行数据实测记录

这个房间是星期六中午制冷系统关闭，星期一的启动时间有多长？从图中星期一的启动曲线显示，首先是启动新风机送入新风，室内蓝色的湿球温度线急剧下降，室内在强烈的除湿。大约7 分钟后，室内相对湿度达到要求，辐射板启动送水。正常运行时辐射板板面温度在19℃线±0.5℃的范围波动。从图2 中的测试结果显示，中午12 点半时，辐射板有个较大的温度波幅，经过询问，了解到是由于室内人员午休息短暂关闭系统所致。测试机构的测评结论为：RCF 辐射板和新风系统的运行精度高，具有可靠的降温除湿能力。

3 辐射供冷空调系统的案例分析

3.1 RCF 技术应用在香港恒X 银行大楼的空调改造工程

工程概况：项目地处香港，建造于1996 年，为3m无梁板结构。室内净空高度只有2.75m，其中使用RCF技术改造的写字楼共有23 层，办公总人数为3000 人，拆除前使用风机盘管系统，天花高度为2.2m。

3.2 室内辐射板的设计方案

恒X 银行标准层50%的天花板面积布置了辐射板，在气流比较复杂的电梯前室设计了两台风机盘管。根据装修的风格办公区天花板采用1080×600mm 的规格。会议室采用的是1200×3000 的大块板结构。

3.3 RCF 技术解决了安装空间高度限制的困局

由图3 所示，在室内净空高度仅为2.75m 的空间里，安装风机盘管以后只能保证2.2m 的天花高度。由于银行必须有地板布线，最少的架空地板也需要90mm 高度。假如仍然使用风机盘管系统，装修后的天花高度只能保证在2100mm。超低的天花板高度会给人带来压抑和逼迫感。而且空调风口的安装高度太低，室内的人员也不可避免地被动承受空调送风口的吹风感。经过RCF 技术改造后，新风量只需满足室内CO2浓度的要求，新风管的断面尺寸只有传统送风管的1/3。改造完成后的室内净空高度较之前增加了290mm。可见，对于旧建筑改造工程，RCF 技术具有独特的技术优势。

图3 恒X 银行安装空间

3.4 RCF 的运行负荷特征

香港恒X 银行大楼改造完毕投入运行后，RCF 技术的实际运行负荷曲线和传统空调以对流为主的空调技术完全不同。橙色的面积是辐射板负荷，蓝色的是RCF 的新风负荷，黄色虚线包络的面积是风机盘管系统的负荷。由曲线可见RCF 上班前预启动时，辐射板负荷瞬间有个脉冲达到160kW，但是几分钟后急剧下降到105kW。人员上班达到第二峰值122kW，RCF 系统随着运行时间的延长，总负荷在不断地下降，下午4 点左右是80kW。风机盘管系统启动运行时是最低的150kW，人员上班时是170kW，下午4 点达到了峰值240kW。这条曲线和我们通常认识的空调最大负荷发生时间是吻合的。

为了印证RCF 技术的负荷曲线的特征是否可靠，我们拍摄了RCF 的启动界面正常运行界面是系统启动3 分钟的运行工况，此时，经过一夜停运的辐射板子系统内的水温高达28℃以上。经过3 分钟左右的运行，尽管一次水温是7℃，但由于回水温度高达22.7℃，楼层水-水交换器的二次出水温度仍然高达12℃。

RCF 系统启动时换热器二次供回水温差达到10.7℃，很多学者认为辐射板系统的换热温差很小，担心辐射板能否承担室内的辐射负荷，事实证明这个担忧显然是不必要的。也印证了辐射板启动工况时负荷的脉冲现象。是正常运行的工况，此时，交换器二次出水温度为8.1℃，回水温度是11.3℃，两个工况的水泵同样是50Hz 工频状态，大致可以认为是流量不变的前提，除了新风负荷的辐射板启动负荷是正常运行负荷的3 倍。机电顾问于2016 年8 月26 日下午在RCF 标准层实际的耗冷测试数据。当时室外湿球温度是27.4℃接近香港的计算温度。楼层办公110 人，辐射板冷量为22kW，新风冷量60kW，总冷量为82kW。这个数据针对于标准层空调面积1000m2的写字楼来说，是个非常低的能耗指标。是恒X 银行RCF 系统运行的能耗和往年FCU 的运行能耗对比图（顾问公司提供）。该数据证明RCF 技术比传统空调的FCU 技术降低运行能耗57%。

4 结语

总之，和传统空调相比，辐射供冷空调系统能结合低品位能源供应，RCF 技术具有在建筑全寿命期成本低，节能效果显著的特性（装机功率和运行能耗可节省40%以上）。工程中，通过合理利用RCF 技术进行防结露控制，避免了传统空调冷风造成的环境不适感。由于运行时不使用空气循环，避免了疫情期间的交叉感染，值得应用与推广。