北京辐射供冷地暖系统

关于北京辐射供冷地暖系统设计参数的讨论

 

摘 要:北京辐射供冷必须新风地暖系统结合使用。在两者联合设计中，室内设计参数的变化对于两地暖系统的连锁影响是非常明显的。本文结合一间办公室的辐射供冷设计，讨论了新风量、房间负荷、室内设计干球温度、设计相对湿度对于地暖系统设计的影响。
 

关键词:辐射供冷 独立新风 设计参数

1.引言

辐射供冷必须与新风地暖系统结合使用。新风负担房间的全部潜热(湿)负荷，同时负担部分显热负荷，其余部分由辐射供冷负担。在两者联合设计中，室内设计参数对于两地暖系统的连锁影响非常明显。比如，室内设计温度升高，对辐射供冷板供冷能力影响是双方面的，一方面供冷板与房间温差增加，会加大供冷板的供冷能力；另一方面，由于室内露点设计温度的随之升高，势必要求供冷板供水温度升高，进而会降低辐射供冷板供冷能力。而室内设计温度升高，将提高新风地暖系统承担显热、潜热负荷的能力。因此在进行辐射供冷＋独立新风地暖系统的设计时，有必要空调设计参数进行分析。

以下结合一个设计案例对辐射供冷地暖系统设计参数对地暖系统设计的影响进行分析。

2.案例描述

天津地区一间办公室，一面朝北的外墙，双玻璃外窗，其它均为内墙，整体建筑设计满足《公共建筑节能设计标准》要求。房间尺寸为5m×5m×3m。

夏季空调设计室外干球温度33.4℃，湿球温度26.9℃。办公类建筑室内空调设计温度26℃，相对湿度60%。露点温度为17.7℃。
人员密度以5人/m²计算，设备及照明负荷42.8W/m²。采用逐时法计算房间冷负荷，计算时间段为早上7点至晚上10点。经计算该办公室冷负荷指标为91.4W/m²。其中显热负荷76.0W/m²，潜热负荷15.4W/m²，散湿量0.55kg/h。
 

3.新风量与潜热负荷

3.1 潜热负荷变化

与辐射供冷地暖系统相匹配的新风地暖系统一般采用独立新风地暖系统，房间的湿负荷完全由新风来承担，因此，当房间的湿负荷变化，如人员活动量增大或引入其他散湿量大的物品，新风承担的湿负荷会变得更大，在这种条件下，一般解决途径有两种。在以下讨论中我们将对这两种解决方法作简要分析。
 

(1)在保证送风状态点可以由常规的冷却除湿可以实现的条件下，增大地暖系统的新风量。如果室内工作人员劳动强度变化，则必将引起潜热负荷的变化，保持上例中送风状态点不变，则新风量与潜热负荷的关系可以由下式表示：

(1)

由公式(1)和图1可以看到，潜热负荷与新风量呈严格线性关系，增大人均新风量是可以消除增大的潜热负荷的。考虑到一般房间人均新风量至少要保证30m³/h，在与上例相同的送风状态点下，人均潜热负荷至少要达到77W/人，但新风地暖系统设计首先考虑到的是消除室内的潜热负荷，若潜热负荷过小，在此例中若小于77W/人，则人均新风量不能得到保证。为了避免这二者之间的矛盾，在设计之初应该在把人均新风量和潜热负荷都考虑后再进行送风状态点的设计。
 

(2)保证人均最小新风量不变，降低送风温度。辐射供冷的独立新风部分与常规空调相同，冷却除湿的除湿能力有限，送风温度不能无限制降低。通过以下推导可以得到潜热负荷与送风温度之间的关系表达式。

仍以上例为基础，天津地区夏季大气压力1.01×105Pa，根据湿空气水蒸气压力和含湿量的关系可以得到水蒸气压力表达式：

(2)

其中：

d--含湿量(kg/kg干空气)

B--当地大气压(Pa)

根据露点温度和湿空气水蒸气压力的经验公式：
(3)

将式(1)代入(8)后再代入(9)，可以得到新风量G₁和露点温度t₁的关系：

新风采用露点送风，相对湿度95%的送风温度已经和露点温度十分接近，所以可以利用露点温度近似代替送风温度，露点温度与潜热负荷之间关系可以从下图中看出。

由图2可以看到，随着潜热负荷的增大，送风温度逐渐降低，且二者呈近似线性关系。在我国常规空调的冷冻水供水温度为7℃。在理论上，采用逆流冷却除湿方式送风温度最低可以达到的7℃，但实际上最低送风温度通常会比冷冻供水温度高3～5℃，因此采用冷却除湿方式最低送风温度为10～12℃。以11℃考虑，根据公式(4)可以求得本设计潜热负荷最大不得超过120W/人，若潜热负荷超过该值则需要降低冷冻水温度或寻求其他除湿方法。
 

通过以上两种假设条件的分析，辐射供冷新风量、潜热负荷和送风温度之间有着密切的关系，这三个量中每一个量的变化都将引起整个设计参数的变化。在室内新风量恒定条件下，第二点的讨论也说明了辐射供冷冷却除的局限性，只有在送风温度不能低于某一值的前提下才能使用冷却除湿，低于该温度只能采用别的除湿方式。

3.2 潜热负荷恒定

辐射供冷独立新风地暖系统在承担室内全部潜热负荷的同时，也可以消除室内部分的显热负荷。在室内潜热负荷不变的前提下，独立新风地暖系统承担的显热负荷与送风量之间有着密切关系。独立新风地暖系统新风量的改变会带来送风温度和其承担显热负荷的变化，下面分别作讨论。

送风采用露点送风，送风温度与露点非常接近，因此可以用露点温度近似代替送风温度。在公式(4)中，改变送风量 ，可以得到送风量和送风温度之间的关系：

由图3可以看出，随着人均新风量的增加，送风温度逐渐增高。送风温度的上限为室内状态点等湿冷却的露点温度，在本例中为18.5℃。若新风量减少，则要求其在承担潜热负荷不变的情况下足够干燥，这样常规的冷却除湿有可能不能满足这样低温干燥的要求。在本例中，当人均新风量小于20m3/h时，送风温度便会低于11℃，7℃水冷却除湿失效。但在通常情况下人均新风量取30m3/h，从图中得到送风温度为14.2℃，常规的冷却除湿是可以达到的。因此辐射供冷独立新风设计时必须考虑到在保证最小新风量的前提下使得送风温度能够满足冷却除湿的要求。

独立新风地暖系统在承担全部潜热负荷的同时也承担部分显热负荷，与辐射顶板共同分担室内的显热负荷。将式(10)代入(2)中可以得到独立新风承担的显热负荷与新风量之间的关系:

从图4中可以看到，新风量与其去除房间的显热负荷呈近似线性关系，随着新风量的增加，送风温度升高，送风含湿量增大，去除的显热负荷增加，同时辐射供冷的能力减弱，当新风量增大至一定程度时，在本例中，当人均新风量达到100m3/h，房间冷负荷完全由独立新风地暖系统承担，辐射供冷地暖系统便会退化成全空气地暖系统。

4.室内设计状态点的选择

4.1 室内设计干球温度

一般来说辐射供冷给人体的感觉比设计温度低约2℃，因此在设计时可以提高室内设计温度，减少房间围护结构的得热，辐射面之间的温差加大了还能提高辐射供冷的能力，从而节约空调能耗。

设计干球温度变化对于地暖系统设计影响很大。仍以天津地区为例，保持室内相对湿度和人均新风量不变，从24℃到28℃依次取5个不同的室内设计温度值，忽略由于室内设计温度变化所引起的冷负荷，统一以上例中室内设计温度为26℃的冷负荷为依据。在不同室内设计温度下，人员散发的潜热负荷也有所变化，依据公式(4)可以、得到在不同设计参数条件下送风温度和单位冷负荷的关系。

由图5可以看到，随着室内设计温度的提高，人员散失量增大，由于新风量不变，故送风温度必须要足够低。但是室内设计温度过于高，常规的冷却除湿则将失效。提高室内的设计温度后新风承担的冷负荷同时增大，如果将室内设计温度从26℃提高2℃至28℃，新风承担的显热负荷增加了17.3%，相应的辐射供冷地暖系统承担的负荷减少，节省地暖系统整体能耗。

室内设计温度提高后，室温的露点温度相应升高，辐射供冷的供水平均温度也需要相应增大。参照辐射顶板在室内设计温度和冷冻水平均供水温度均提高的情况下，单位面积的辐射顶板供冷量基本没有变化，从而可以减少辐射顶板面积，较少地暖系统的投资。

另一方面，从舒适型角度而言，在原来的室内设计参数下，露点温度17.7℃，如果将设计温度提高2℃至28℃，露点温度不变，则相对湿度降低为53%。人体感觉26℃，而人体的实际散湿量随实际温度的提高而增加了。如果一个人对环境变化比较敏感，就会有干燥、寒冷的感觉，空调效果就会不一样。如果把相对湿度调高到60%，使人仍有26℃，相对湿度60%的感觉，此时的露点温度19.6℃，如果仍按照上边例子选取的辐射顶板表面温度，就会低于露点温度，必然会造成结露。为了防止结露，冷冻水温必须相应提高2℃。

综合以上两个方面，适当提高室内的设计参数1～2℃，保持相对湿度不变。新风能够得以更加充分的利用，减少了辐射供冷地暖系统设备量，减小了地暖系统的成本。此外，这样做还可以提高冷冻水供、回水温度，进而提高了制冷机的COP，提高了能量利用率。

4.2 室内设计相对湿度

室内相对湿度的变化也是影响辐射供冷设计的一个重要因素。仍以天津地区为例，在上例中，保持房间设计温度和人均最小新风量不变，从40%到70%依次取5个不同的相对湿度设计值（40%、50%、60%、65%、70%）。忽略由于相对湿度增大引起的室内增大的潜热负荷。因房间设计温度和潜热负荷没有变化，故独立新风消除室内的潜热负荷没有变化，所以辐射供冷地暖系统承担的负荷也没有变化。

从图6可以看出，随着室内相对湿度的增大，露点温度也同时增大，为了避免辐射顶板结露，不得不提高冷冻水平均供水温度，在室温不变的情况下，辐射顶板单位面积供冷量减少，辐射顶板面积增大。因此，设计相对湿度提高会导致辐射板面积增大，地暖系统的投资增加，但冷冻水供水温度升高有利于提高制冷机的COP值。

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