頂棚輻射供冷與新風聯(lián)合系統(tǒng)空氣品質實驗研究

羅漢 李維 陳英杰

南京工業(yè)大學城市建設與安全工程學院

頂棚輻射供冷與新風聯(lián)合系統(tǒng)空氣品質實驗研究

羅漢 李維 陳英杰

南京工業(yè)大學城市建設與安全工程學院

針對結露問題提出了頂棚輻射供冷和新風聯(lián)合系統(tǒng)，并搭建了系統(tǒng)實驗臺。通過實驗驗證了該系統(tǒng)不僅能避免輻射頂棚表面結露，而且該系統(tǒng)的空氣溫濕度和室內氣流速度分布均滿足人體的舒適性要求。

輻射供冷 結露 熱舒適性

0 引言

目前，國內外學者對于輻射供冷系統(tǒng)結露解決方式的研究主要集中在以下幾個方面：①提出新型的輻射末端設備，如王晉生[1]用對長波具有高透過率的薄膜包裹冷卻頂板，并在冷卻頂板下表面和薄膜之間保留一真空或空氣夾層。②改善輻射末端設備控制方式，如楊芳等[2]對小房間金屬輻射吊頂采用定流量，變水溫的控制法以避免結露。③加入新風系統(tǒng)進行室內空氣除濕同時承擔部分冷負荷，如Mumma[3]指出可以通過獨立新風系統(tǒng)(DOAS)來控制結露；李先中[4]等從理論和實驗方面對置換通風-地板輻射供冷合空調系統(tǒng)進行了研究；施穎[5]對輻射供冷與貼附射流復合空調系統(tǒng)進行數(shù)值模擬后得出通過合理選擇貼附射流空氣參數(shù)，不僅可以避免冷輻射板表面結露，而且可以將輻射板所承擔的冷量提高20%以上。

本文提出了一種旨在解決結露問題的頂棚輻射與上送上回式新風聯(lián)合系統(tǒng)，并在浙江省溫州市一棟6層辦公建筑中搭建系統(tǒng)實驗臺，旨在研究防結露措施的可行性以及室內的空氣品質，以期促進輻射制冷模式的推廣。

1 實驗方案

1.1 實驗房間

實驗房間坐北朝南，房間尺寸為3.6m×3.6m× 2.9m。西墻為內墻，所鄰房間為供冷房間；南墻為外墻，嵌一扇2.6m×1.8m的鋁合金單層窗；東墻與北墻為內墻，與走廊相鄰；地面為20mm聚苯板保溫層加復合地板面層。建筑外墻采用240mm空心磚墻加50mm聚苯板保溫層；內墻采用200mm空心磚墻加20mm聚苯板保溫層。

1.2 輻射頂棚布置方法

輻射頂棚末端結構如圖1所示。其中埋管材料為Φ10mm直徑PP-R管，采用間距100mm U字形敷設。鋪貼20mm厚聚苯保溫板進行頂棚保溫處理，保溫層嵌木龍骨，并利用膨脹螺栓將木龍骨固定于頂棚基礎層上。PP-R管利用卡扣固定在木龍骨之上，被埋在15mm厚石膏粉填充層中。輻射末端由一臺額定制冷量為2.6～8kW的變頻空氣源熱泵A提供冷水。

圖1 輻射頂棚結構圖

1.3 新風系統(tǒng)布置方法

新風系統(tǒng)的冷源采用第二臺額定制冷量為2.6～8kW的變頻空氣源熱泵B，末端設備采用額定冷量2.3kW的風機盤管。并加入一臺額定除濕量為7.6kg/h的工業(yè)除濕機輔助除濕。送回風口設置采用異側上送上回形式。

1.4 測點布置與測試儀器

測點布置與測試儀器詳見表1，測試儀器精度見表2。

表1 測點布置與測試儀器

表2 測試儀器精度

2 實驗結果及分析

實驗時間為2012年8月21日8：00到30日 8:00。期間室外溫度在25℃到36.7℃之間變化，平均溫度為29.4℃；室外相對濕度在55.9%到88.9%之間變化，平均相對濕度為77.1%。實驗設定輻射頂棚平均溫度23℃，新風溫度20℃，相對濕度70%[6]。經(jīng)前期實驗測定，輻射頂棚采用14℃供水溫度；在除濕機輔助下新風系統(tǒng)供水溫度設定為10℃，聯(lián)合系統(tǒng)達到上述設定參數(shù)值。

選取因日照影響而較易發(fā)生結露問題的8:00～ 18:00進行分析。圖2為室內2.8m（頂棚表面）處空氣露點溫度Td，室內1.1m處空氣露點溫度Td與頂棚最低溫度及頂棚平均溫度的時間變化關系。由圖可知，從系統(tǒng)啟動至穩(wěn)定頂棚最低溫度及平均溫度均高于室內空氣露點溫度。且頂棚處（2.8m處）空氣露點溫度低于室內1.1m處空氣露點溫度1℃左右，認為異側上送上回式送風在頂棚處形成了冷空氣層，空氣濕度梯度隨高度上升而下降，最終使輻射面結露風險進一步降低。

圖2 不同位置露點溫度及輻射面溫度變化曲線

圖3給出了受日照影響較大的8:00～18:00時段，聯(lián)合系統(tǒng)從啟動至穩(wěn)定階段室內溫濕度變化情況。聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)過1h達到穩(wěn)定狀態(tài)，之后室內溫度穩(wěn)定在26～27℃，室內相對濕度穩(wěn)定在50%～55%。因輻射供冷室內設計溫度宜提高0.5～1.5℃，所以室內熱濕環(huán)境滿足GB 50736-2012[7]夏季供冷設計中I級熱舒適度供冷工況要求。在系統(tǒng)初始階段未出現(xiàn)結露現(xiàn)象，其原因為初始階段新風除濕帶來的室內頂棚處空氣露點溫度的下降速率高于輻射頂棚降溫速率，所以認為該聯(lián)合系統(tǒng)初始階段無需在頂棚輻射開啟前啟用預除濕處理。

圖3 室內溫濕度變化曲線

圖4給出了豎直方向溫度變化的情況，如圖在0.1～1.7m即人員活動區(qū)域內溫度在豎直方向向上遞增。ISO7730指出人們對于溫度在豎直方向向上遞減的情況較不敏感而對溫度在豎直方向向上遞增的情況較敏感，在敏感情況下頭部和腳踝豎直溫差應保持在3℃以內[8]。圖5給出了坐姿、站姿時頭部與腳踝處的豎直溫差在全過程中的變化曲線。其中坐姿曲線表示坐姿時頭部（距地面1.1m處）與腳踝（距地面0.1m處）豎直溫差平均值的變化情況；站姿曲線表示站姿時頭部（距地面1.7m處）與腳踝（距地面0.1m處）豎直溫差平均值的變化情況。如圖5，頭部與腳踝的豎直溫差最大值為0.5℃，遠小于3℃，滿足規(guī)定。

圖4 室內0.1～1.7m豎直方向溫度變化情況

圖5 坐姿、站姿時頭部與腳踝豎直溫差變化曲線

圖6給出了全過程南北向、東西向的輻射溫度不對稱性變化曲線，輻射溫度不對稱性均低于0.6℃，遠低于ISO7730的規(guī)定（小于10℃）[8]。

圖6 輻射溫度不對成型變化曲線

輻射供冷及新風聯(lián)合系統(tǒng)的特點之一就是以輻射換熱作用為主，同時減少了系統(tǒng)的總送風量，因此相比傳統(tǒng)空調系統(tǒng)可以將吹風感降至最低。圖7給出了坐姿時頭頂（1.1m）與腳踝處（0.1m）室內風速變化曲線，可看出兩處風速處于0.05～0.16m/s之間，經(jīng)計算各測點吹風感不滿意率（渦動氣流強度DR）處于5%左右，參比ASHRAE55-2004中吹風感不滿意率應低于20%的要求，均能達到要求[9]。圖8給出了室內高度上PMV值分布情況，如圖PMV值均小于0.7，基本滿足人員要求[10]。實驗期間2名24歲左右男性實驗人員均穿單衣涼鞋，在室內靜坐時感覺舒適。

圖7 坐姿時頭頂與腳踝處室內風速變化曲線

圖8 室內PMV值分布

圖2～圖8所示的計算結果證明異側上送上回式新風與頂棚輻射供冷聯(lián)合空調系統(tǒng)不僅能避免冷輻射頂棚表面的結露問題，而且室內空氣分布也能滿足相關要求。

3 結論

本文通過實驗驗證了上送上回式新風系統(tǒng)與輻射頂棚系統(tǒng)聯(lián)合時，能夠在頂棚附近形成空氣層，從而降低了頂棚結露的風險。經(jīng)實測，異側上送上回式新風與頂棚輻射供冷聯(lián)合空調系統(tǒng)初始階段無需在頂棚輻射開啟前啟用預除濕處理；聯(lián)合系統(tǒng)室內溫度穩(wěn)定在26±1℃，室內相對濕度穩(wěn)定在55%±5%，滿足供冷設計要求，并能較好滿足ISO7730及ASHRAE55 -2004中關于輻射溫度不對稱性、局部熱舒適性指標豎直溫差及吹風不滿意度的要求，舒適性良好。

本文是對輻射冷頂棚與新風聯(lián)合空調系統(tǒng)的初步分析，在著重考慮防止冷輻射頂棚表面結露的情況下，僅分析了室內的空氣溫度、相對濕度和速度分布，很多因素尚待探討，在此后的研究中會對此理論進一步完善。

[1]王晉生.加裝長波高透過性薄膜的冷卻頂板/置換通風系統(tǒng)實驗與模擬[D].上海:同濟大學,2005

[2]楊芳.金屬輻射冷卻頂板的研究及其應用[D].長沙:湖南大學, 2005

[3]Mumma S A.Chilled ceiling in parallel with dedicated outdoor air systems:addressing the concerns of condensation[J].ASHRA -E Trans,2002,108(2):220-231

[4]李先中,王子介,劉傳聚.地板供冷/置換通風復合空調系統(tǒng)的可行性探討[J].建筑熱能通風空調,2002,(4):4-6

[5]施穎,陳育平,孔祥雷,等.輻射供冷與貼附射流復合空調系統(tǒng)空氣品質研究[J].暖通空調,2011,41(2):60-63

[6]丁研.輻射供冷及獨立新風耦合系統(tǒng)送風形式與控制策略研究[D].天津:天津大學,2011

[7]民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范(GB50736-2012)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012

[8]ISO.Ergonomics of the Thermal Environment(ISO EN.7730)[S]. Geneva:International Standard Organization,2005

[9]Chen Qingyan.A Zero-equation Turbulence Model for Indoor Ai -rflow Simulation[J].Energy and Buildings,1998,28(2):137-144

[10]陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002

The Study of Air Qua lity unde r the Unite d Sys te m of Ce iling Ra dia nt Cooling a nd Fre s h Air

LUO Han,LI Wei,CHEN Yin-jie
College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing University of Technology

An united system of ceiling radiant cooling and fresh air in view of the condensation problem was proposed, and a scientific laboratory was built for this study.The united system was verified by experiment can not only avoid radiation ceiling surface condensation,but the air temperature and humidity and indoor air velocity distribution of this system can also meet the human body comfort.

radiant cooling,condensation,heat comfort

1003-0344（2015）05-034-4

2014-5-13

羅漢（1986～），男，碩士研究生；江蘇省南京市中山北路200號南京工業(yè)大學城市建設與安全工程學院（210009）；E-mail:popeluohan@126.com