輻射吊頂—空調系統(tǒng)新世紀的選擇

1、輻射吊頂空調系統(tǒng)新世紀的選擇             魏慶芃 王威 江億 狄洪發(fā)摘要： 本文介紹了一種新型空調系統(tǒng)形式供冷、供熱輻射吊頂系統(tǒng)的特點、技術方案及工程應用。由于該輻射吊頂系統(tǒng)具有健康、舒適、節(jié)能、安靜、經濟等特點，并可應用于辦公商業(yè)建筑與住宅中，因此是傳統(tǒng)供熱空調系統(tǒng)更新?lián)Q代的理想選擇。 關鍵詞： 輻射吊頂 供熱空調 1 前言在建筑中使用空調越來越普遍的今天，傳統(tǒng)的空調設備和系統(tǒng)存在著兩個主要問題，一是空調系統(tǒng)耗能較多，因此帶來一系列的能源、環(huán)境問題，不利于社會可

2、持續(xù)發(fā)展；二是長期工作和生活在空調環(huán)境中的人，由于新鮮空氣少、室內空氣品質較差，對身體健康產生不良影響，此外還有吹風感等熱舒適問題。因此，全新意義上的“節(jié)能、健康、舒適”的空調設備和系統(tǒng)成為整個行業(yè)追求的目標，水源輻射供冷、供熱吊頂系統(tǒng) (hydraulic radiant cooling/heating ceiling system）便是其中之一。 水源輻射的空調方式可能是人類最古老的室內熱環(huán)境調節(jié)手段，最近科學家在土耳其東部的庫爾德人聚居區(qū)遺址中發(fā)現，幾千年前人類就知道在夏季將溪水引入建筑屋頂下的夾層中，通過冷卻屋面而達到為室內降溫的目的。在二十世紀，水源輻射空調方式再次出現，特別是在八十

3、年代中后期，多種水源輻射空調系統(tǒng)形式在歐洲出現，并在一些工程實踐中得到應用。由于這種系統(tǒng)可提供較高水平的舒適環(huán)境，并在初投資和運行費用上有一定的優(yōu)勢，特別是由于水溫和室內空氣溫度之間的差別較小，因此可以使得冷機、熱泵機組能在較高能效比（COP）下運行，甚至可以直接利用自然冷源、熱源，因此這類水源輻射空調系統(tǒng)得到國外制造廠商和科學家們的關注。 輻射吊頂是這類系統(tǒng)中的代表，一般來說，水流經特殊制成的吊頂板內的通道，并與吊頂板換熱，吊頂板表面再通過對流和輻射的作用與室內換熱，通過控制吊頂板表面溫度而達到控制室內熱環(huán)境的目的。從吊頂板的結構來說，一般采用的是所謂“三明治”結構，即中間是水管，上面是保溫

4、材料和上蓋板，下面是吊頂表面板。從材料講，吊頂板一般采用金屬材料，如鋼，水管可采用金屬材料，如銅，也可采用非金屬材料，例如塑料。圖1中介紹了幾種歐洲的典型輻射吊頂板產品。由于其結構的限制，從水到室內的傳熱過程存在一定的障礙，雖然選擇金屬材料可適當降低傳熱熱阻、提高系統(tǒng)承壓能力等，但又帶來重量大、成本高等問題，因此輻射吊頂系統(tǒng)尚未被普遍接受。另一方面，由于輻射吊頂必須工作在干工況，即夏季供冷時吊頂表面絕不允許結露，因此其適用條件比較苛刻，要求設計計算準確；此外，這類輻射吊頂系統(tǒng)必須配備專門的通風系統(tǒng)和空氣處理裝置，從而保證室內基本衛(wèi)生要求，并除去室內產濕量，保證吊頂表面不結露，因此整個系統(tǒng)較復雜

5、，對設計和運行管理水平要求較高。圖1 幾種典型的歐洲輻射吊頂板產品結構另一方面，我國廣大地區(qū)四季分明，隨著經濟發(fā)展，既要求空調又要求供熱的建筑越來越多，非常希望有一種能實現供熱和空調末端統(tǒng)一的系統(tǒng)形式，輻射吊頂系統(tǒng)正是一種選擇。本文介紹了由清華大學建筑環(huán)境與設備研究所和清華同方研發(fā)中心共同研制開發(fā)的新型輻射吊頂系統(tǒng)及其設備，由于該系統(tǒng)具有健康、舒適、節(jié)能、安靜、經濟等特點，并可應用于辦公商業(yè)建筑與住宅中，因此是傳統(tǒng)供熱空調系統(tǒng)更新?lián)Q代的理想選擇。 2 技術方案本文介紹的輻射吊頂系統(tǒng)的技術方案，包括新型輻射吊頂板末端裝置、內循環(huán)輻射吊頂供冷、供熱系統(tǒng)形式，以及與之配套的專用空氣處理和換熱機組等三

6、方面的內容。 2.1 輻射吊頂板末端裝置 針對國外現有技術中存在的問題，彌補我國在這一技術領域中的空白，筆者提出了一種帶有通風末端的模塊式輻射供冷、供熱吊頂板。這種將通風末端和輻射吊頂集成的模塊式吊頂板，將供冷、供熱和通風三者的末端裝置全部統(tǒng)一，使得空調系統(tǒng)相應簡化，成本降低。另一方面，由于將通風末端和輻射吊頂結合，可對吊頂表面及其附近區(qū)域實現有效的控制，在增強換熱的同時，更可靠的保證吊頂表面不發(fā)生結露現象。 具體而言，就是以硬聚氯乙烯PVC為原材料制造標準的吊頂板模塊，其上設有相對獨立的水通道和風通道在吊頂板中部設有獨立的空腔，水得以在其中流動并換熱，從而達到向室內供冷、供熱的目的（夏季通水

7、溫度約為17，冬季約為35）；而在吊頂板的四周區(qū)域另設有空腔，使得空氣得以流動，而吊頂板向室內一側表面開有孔洞，實現向室內的送風。圖2給出了這一吊頂板的結構示意圖。圖2 輻射吊頂板結構示意圖1PVC板壁，2導流板，3水流通道，4進（出）水口，5保溫層，6進風口，7風道 在吊頂板中部作為水通道的空腔中，均勻的排列導流板數片，使得水流在空腔內分布均勻，并增強換熱效果，提高了設備性能；其上部設有進水管和出水管，便于吊頂板的組合連接；吊頂板中部空腔的上面敷設有保溫材料，以減少水向吊頂上部空間的熱損失。對于吊頂板四周的空腔，可作為通風系統(tǒng)的風道，其向室內側的吊頂表面開有孔洞，形成孔板送風模式；而空腔上部

8、設有進風和出風的管道，以便于吊頂板的組合連接。在具體工程中，可先安裝龍骨吊架等，再將輻射吊頂板固定，并根據具體情況，采取多塊吊頂板的串聯(lián)、并聯(lián)組合連接。這一輻射吊頂板通過配套的專用空氣處理與換熱機組，與建筑中供暖空調系統(tǒng)相連，作為供暖通風空調系統(tǒng)的末端裝置，實現控制調節(jié)室內熱環(huán)境、濕環(huán)境和空氣品質的目的。 采用此結構設計方案，大大強化了水與室內的換熱，并使得吊頂板表面溫度趨于均勻一致，提高了舒適性，降低了結露的可能性；模塊化的設計使得加工簡單，使用靈活；選用PVC作為原材料，大大降低了成本，其性質在工作溫度、壓力范圍內穩(wěn)定，符合使用要求。但由于PVC吊頂板承壓能力的限制，不能與建筑中空調供熱水

9、系統(tǒng)直接相連，因此筆者提出間連的系統(tǒng)形式，并提出與該輻射吊頂系統(tǒng)配套的專用空氣處理和換熱機組的方案。 2.2 循環(huán)輻射吊頂供冷、供熱系統(tǒng)形式 筆者提出的內循環(huán)輻射吊頂供冷、供熱系統(tǒng)形式，是指采用間連的方式，通過一板式換熱器將水系統(tǒng)分為一次水側即外循環(huán)水系統(tǒng)，和二次水側即內循環(huán)水系統(tǒng)，如圖3所示。圖3 內循環(huán)輻射吊頂供冷、供熱系統(tǒng)在制冷工況運行時示意圖內外循環(huán)相比有以下的特點工作壓力夏季水溫冬季水溫主要部件材料承壓耐溫要求內循環(huán)低，4mH1735加強塑料，PVC低外循環(huán)高，10mH51440鋼，鑄鐵等高采用這一間連的內循環(huán)輻射吊頂系統(tǒng)形式，大大降低了對輻射吊頂板制造材料的要求，使得價廉物美的PV

10、C板材得以使用（成本約為國外產品的十分之一），大幅度提高了輻射吊頂供冷、供熱系統(tǒng)的競爭性，同時，系統(tǒng)的調節(jié)特性也大大增強。         2.3 專用空氣處理和換熱機組 上述間連的內循環(huán)輻射吊頂系統(tǒng)有較多的優(yōu)點，但與此同時也對系統(tǒng)提出了新的要求為此，筆者提出了與這一輻射吊頂系統(tǒng)配套的專用空氣處理和換熱機組設計方案。它采取集成化模塊設計，具體而言，就是設計出負責一定輻射吊頂面積的機組模塊，根據建筑物的具體情況靈活安排這些模塊，并作為末端裝置與冷源、熱源、循環(huán)泵等構成空調供熱系統(tǒng)的外循環(huán)部分；而在這一機組中，集成了輻

11、射吊頂系統(tǒng)所需的空氣處理過程、換熱與內循環(huán)水輸送過程等，是這一系統(tǒng)的核心部件。圖4給出了一個正在測試的機組模塊。圖4 專用空氣處理與換熱機組 當輻射吊頂運行在制冷工況時，吊頂表面溫度較低，而其表面不能結露，因此送至室內的空氣應充分干燥，而溫度可接近室內空氣溫度，為此筆者提出了以下的空氣處理過程。圖5 空氣處理過程示意圖 新鮮空氣經由吸入口1和過濾器2進入空氣空氣回熱器3的一側，經預處理后進入表面換熱器4，在夏季空氣被冷卻、干燥，在冬季被加熱，之后進入3的另一側與剛經由1和2的空氣換熱，再被風機送入吊頂板風道。與常規(guī)的空氣處理過程相比，這樣的過程具有提高系統(tǒng)能源利用效率、有效保證吊頂表面夏季不結

12、露、保證冬季表面加熱器不凍等優(yōu)點。 圖3中已對機組模塊中的換熱等過程進行了描述。以夏季制冷工況為例，經由制冷機組的一次水被循環(huán)泵送至機組模塊，首先進入表面冷卻器對空氣進行降溫、除濕，水溫升高后進入板式換熱器與內循環(huán)中的二次水換熱，并流回制冷機組，而經過換熱、降溫的二次水被一個小的循環(huán)泵送入輻射吊頂板，與室內進行熱交換，從而達到控制室內熱環(huán)境的目的。其中，在一次水側板式換熱器兩端之間設有旁通閥，根據負荷變化調節(jié)表面換熱器和板式換熱器的換熱量；在內外循環(huán)之間設有旁通閥，便于內循環(huán)的初次充水。 3 系統(tǒng)特點由輻射吊頂板、與之配套的專用空氣處理和換熱機組等構成的內循環(huán)輻射吊頂供冷、供熱系統(tǒng)，具有較多的優(yōu)點和較強的市場競爭力，歸納起