輻射和新風(fēng)（RCF）空調(diào)技術(shù)在工程中的應(yīng)用及防結(jié)露控制研究

程瑞，嚴(yán)繼光

（1.廣東中山建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 中山 528400；2.燕通科技（香港）有限公司首席科學(xué)家，廣東 珠海 419015）

1 工程中輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)的分析

1.1 輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)原理

利用處于末端的特殊冷媒結(jié)構(gòu)（輻射板），將相應(yīng)能量傳遞到輻射板的表面，通過對(duì)流、輻射等方式完成與室內(nèi)環(huán)境的溫度傳遞，簡化室內(nèi)外環(huán)境傳遞過程，也能減少能量的損失。通常情況下，水是輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)的冷媒，水相比空氣密度更大，既有著更好的傳輸效果，又能降低配電系統(tǒng)的能耗。

1.2 優(yōu)勢(shì)

實(shí)際應(yīng)用中，按照輻射板設(shè)置的位置分成不同系統(tǒng)，與傳統(tǒng)空調(diào)制冷形式相比，其本身有著顯著優(yōu)勢(shì)。如：（1）選擇水作為傳遞能量的冷媒，本身密度較大，占用空間小且有著較高的空間利用率；（2）降低維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的表面溫度，加強(qiáng)人體輻射的散熱度，增強(qiáng)室內(nèi)環(huán)境溫度的舒適度；（3）輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)可以與供暖系統(tǒng)共用一套系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)形式與布置方式；（4）輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)水溫較高，實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇低品質(zhì)的自然資源。

1.3 不足

輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)也存在不足，主要表現(xiàn)為：（1）當(dāng)輻射板表面溫度偏高時(shí)，需要降低室內(nèi)溫度來提高室內(nèi)潛熱負(fù)荷的消除功能，但這樣會(huì)增加冷輻射表面的結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。（2）輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)無法將室內(nèi)潛熱徹底消除，處理不好會(huì)影響使用者的居住體驗(yàn)。

1.4 傳統(tǒng)高溫水輻射板

傳統(tǒng)輻射板系統(tǒng)需要兩種不同溫度的冷源，夏季輻射板除了采用高于空氣露點(diǎn)溫度的高溫冷水（防結(jié)露原因）外，系統(tǒng)還需要通過配置冷梁和其他空調(diào)末端設(shè)備（如設(shè)置低溫冷凍水的新風(fēng)除濕機(jī)）才能滿足室內(nèi)熱舒適度要求。系統(tǒng)較復(fù)雜并且造價(jià)較高。

高溫水輻射板的紅外成像圖如圖1 所示。當(dāng)輻射板采用12℃冷水時(shí)，板面會(huì)有14℃的冷線形成結(jié)露。這條冷線是冷水銅管和金屬天花板的接觸傳熱所致，實(shí)際板面溫度在20℃左右。通過多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳統(tǒng)輻射板采用16℃的冷水，此時(shí)，冷線溫度為18℃，此溫度可以防止結(jié)露，實(shí)際板面溫度在24℃左右。采用輻射板方式的日本大阪的著名綠色建筑中，明確標(biāo)注了板面溫度是23℃。設(shè)計(jì)為了達(dá)到空調(diào)的效果，還配置了大量使用傳統(tǒng)冷源的供回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

圖1 高溫水輻射板的熱成像

1.5 RCF 輻射板（7℃低溫水的輻射板系統(tǒng)）

測(cè)試顧問公司AEM，在香港最炎熱的2010 年7 月23 日的中午做的紅外成像的結(jié)果是：當(dāng)輻射板表面最低溫度為17.5℃時(shí)，室內(nèi)的內(nèi)墻表面溫度為20℃，外墻溫度為21℃，此時(shí)，不管室內(nèi)空氣溫度如何，室內(nèi)是個(gè)很冷的表面環(huán)境，人體向包括輻射板在內(nèi)的各個(gè)表面發(fā)射熱量，具有很強(qiáng)烈的冷感覺。實(shí)際運(yùn)行時(shí)輻射板表面溫度約為20℃左右，室內(nèi)其他物件表面的平均溫度約為25℃，此時(shí)，人會(huì)有24℃的體感溫度。

通過研究測(cè)試，導(dǎo)致輻射板結(jié)露的主要因素是由于板面溫度場(chǎng)不均勻，銅管和金屬天花板的接觸傳熱產(chǎn)生了冷線。采用高溫水防止了結(jié)露，但是，提高了板面溫度，降低了輻射強(qiáng)度，還需要補(bǔ)充其他冷源的空氣處理系統(tǒng)。顯然，RCF 輻射板和傳統(tǒng)高溫水輻射板相比，板面溫度場(chǎng)均勻，沒有低溫冷線，可以有效防止結(jié)露。是RCF 輻射板系統(tǒng)室內(nèi)控制部件圖，根據(jù)功能將空調(diào)劃分為若干區(qū)域。該區(qū)域的輻射板串聯(lián)成一個(gè)子系統(tǒng)，輻射板內(nèi)表面安裝有板面溫度傳感器，當(dāng)感知溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，管路的電動(dòng)兩通閥打開，反之關(guān)閉。

這個(gè)控制模式和傳統(tǒng)空調(diào)的風(fēng)機(jī)盤管相似，即風(fēng)盤調(diào)節(jié)控制的是空氣參數(shù)，RCF 是調(diào)節(jié)控制的是輻射板的板面溫度。子系統(tǒng)還需設(shè)有控制新風(fēng)量的功能，一般按照人均30m3/h 設(shè)計(jì)新風(fēng)量取值，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于室外環(huán)境的差別（主要指CO2濃度差），樓層冷輻射系統(tǒng)可根據(jù)排風(fēng)的CO2濃度控制樓層新風(fēng)量，根據(jù)排風(fēng)的相對(duì)濕度控制新風(fēng)的出風(fēng)露點(diǎn)溫度，室內(nèi)還可以根據(jù)室內(nèi)的人員多少自動(dòng)或手動(dòng)控制新風(fēng)量。制冷主機(jī)的出水溫度為6.9℃，室內(nèi)CO2濃度631PPM（低于設(shè)定的800PPM），新風(fēng)機(jī)降頻至40Hz，室內(nèi)的相對(duì)濕度61%（高于設(shè)定值55%），新風(fēng)機(jī)的出風(fēng)溫度為10.3℃，系統(tǒng)處于除濕狀態(tài)。

2 防結(jié)露控制對(duì)策

2.1 RCF 的新風(fēng)技術(shù)

針對(duì)建筑內(nèi)新風(fēng)系統(tǒng)能耗占比較大的特點(diǎn)，新風(fēng)系統(tǒng)采用智能控制系統(tǒng)，設(shè)有室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器。末端新風(fēng)動(dòng)力模塊依據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，在保證室內(nèi)濕度條件下確定新風(fēng)供給量，新風(fēng)機(jī)組根據(jù)末端新風(fēng)量需求反饋?zhàn)詣?dòng)進(jìn)行變頻運(yùn)行，使得新風(fēng)系統(tǒng)能耗可控。輻射板技術(shù)的室內(nèi)濕負(fù)荷需要人工消除，否則，輻射板表面結(jié)露是不可避免的。RCF 技術(shù)中使用了專利新風(fēng)機(jī)，利用雙級(jí)逆向交換的原理，具有非常強(qiáng)勁的除濕能力。這種新風(fēng)機(jī)經(jīng)過深圳建筑科學(xué)研究,院測(cè)試，在深圳夏季室外計(jì)算條件下，除濕能力達(dá)到了17g/kg 空氣。RCF 技術(shù)專利新風(fēng)機(jī)處理送入室內(nèi)新風(fēng)的含濕量和室內(nèi)的濕負(fù)荷，設(shè)備及運(yùn)行。RCF 變頻新風(fēng)機(jī)是根據(jù)室內(nèi)CO2濃度來調(diào)節(jié)新風(fēng)量。RCF 新風(fēng)機(jī)根據(jù)室內(nèi)的相對(duì)濕度控制出風(fēng)露點(diǎn)，室內(nèi)相對(duì)濕度61%時(shí)，出風(fēng)露點(diǎn)溫度是10.3℃，是個(gè)強(qiáng)除濕工況。

2.2 RCF 的自控系統(tǒng)

RCF 技術(shù)的運(yùn)行方法與傳統(tǒng)空調(diào)相差很大，需要有一套全自動(dòng)的操控方案來自動(dòng)運(yùn)行。圖2 是AEM 公司對(duì)一個(gè)RCF 系統(tǒng)做的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，時(shí)間是2010 年7 月23 日至26 日，正值香港一年中最熱最濕的季節(jié)。

圖2 RCF 技術(shù)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)記錄

這個(gè)房間是星期六中午制冷系統(tǒng)關(guān)閉，星期一的啟動(dòng)時(shí)間有多長？從圖中星期一的啟動(dòng)曲線顯示，首先是啟動(dòng)新風(fēng)機(jī)送入新風(fēng)，室內(nèi)藍(lán)色的濕球溫度線急劇下降，室內(nèi)在強(qiáng)烈的除濕。大約7 分鐘后，室內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)到要求，輻射板啟動(dòng)送水。正常運(yùn)行時(shí)輻射板板面溫度在19℃線±0.5℃的范圍波動(dòng)。從圖2 中的測(cè)試結(jié)果顯示，中午12 點(diǎn)半時(shí)，輻射板有個(gè)較大的溫度波幅，經(jīng)過詢問，了解到是由于室內(nèi)人員午休息短暫關(guān)閉系統(tǒng)所致。測(cè)試機(jī)構(gòu)的測(cè)評(píng)結(jié)論為：RCF 輻射板和新風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行精度高，具有可靠的降溫除濕能力。

3 輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)的案例分析

3.1 RCF 技術(shù)應(yīng)用在香港恒X 銀行大樓的空調(diào)改造工程

工程概況：項(xiàng)目地處香港，建造于1996 年，為3m無梁板結(jié)構(gòu)。室內(nèi)凈空高度只有2.75m，其中使用RCF技術(shù)改造的寫字樓共有23 層，辦公總?cè)藬?shù)為3000 人，拆除前使用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，天花高度為2.2m。

3.2 室內(nèi)輻射板的設(shè)計(jì)方案

恒X 銀行標(biāo)準(zhǔn)層50%的天花板面積布置了輻射板，在氣流比較復(fù)雜的電梯前室設(shè)計(jì)了兩臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管。根據(jù)裝修的風(fēng)格辦公區(qū)天花板采用1080×600mm 的規(guī)格。會(huì)議室采用的是1200×3000 的大塊板結(jié)構(gòu)。

3.3 RCF 技術(shù)解決了安裝空間高度限制的困局

由圖3 所示，在室內(nèi)凈空高度僅為2.75m 的空間里，安裝風(fēng)機(jī)盤管以后只能保證2.2m 的天花高度。由于銀行必須有地板布線，最少的架空地板也需要90mm 高度。假如仍然使用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，裝修后的天花高度只能保證在2100mm。超低的天花板高度會(huì)給人帶來壓抑和逼迫感。而且空調(diào)風(fēng)口的安裝高度太低，室內(nèi)的人員也不可避免地被動(dòng)承受空調(diào)送風(fēng)口的吹風(fēng)感。經(jīng)過RCF 技術(shù)改造后，新風(fēng)量只需滿足室內(nèi)CO2濃度的要求，新風(fēng)管的斷面尺寸只有傳統(tǒng)送風(fēng)管的1/3。改造完成后的室內(nèi)凈空高度較之前增加了290mm?？梢?，對(duì)于舊建筑改造工程，RCF 技術(shù)具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖3 恒X 銀行安裝空間

3.4 RCF 的運(yùn)行負(fù)荷特征

香港恒X 銀行大樓改造完畢投入運(yùn)行后，RCF 技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷曲線和傳統(tǒng)空調(diào)以對(duì)流為主的空調(diào)技術(shù)完全不同。橙色的面積是輻射板負(fù)荷，藍(lán)色的是RCF 的新風(fēng)負(fù)荷，黃色虛線包絡(luò)的面積是風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)的負(fù)荷。由曲線可見RCF 上班前預(yù)啟動(dòng)時(shí)，輻射板負(fù)荷瞬間有個(gè)脈沖達(dá)到160kW，但是幾分鐘后急劇下降到105kW。人員上班達(dá)到第二峰值122kW，RCF 系統(tǒng)隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，總負(fù)荷在不斷地下降，下午4 點(diǎn)左右是80kW。風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)是最低的150kW，人員上班時(shí)是170kW，下午4 點(diǎn)達(dá)到了峰值240kW。這條曲線和我們通常認(rèn)識(shí)的空調(diào)最大負(fù)荷發(fā)生時(shí)間是吻合的。

為了印證RCF 技術(shù)的負(fù)荷曲線的特征是否可靠，我們拍攝了RCF 的啟動(dòng)界面正常運(yùn)行界面是系統(tǒng)啟動(dòng)3 分鐘的運(yùn)行工況，此時(shí)，經(jīng)過一夜停運(yùn)的輻射板子系統(tǒng)內(nèi)的水溫高達(dá)28℃以上。經(jīng)過3 分鐘左右的運(yùn)行，盡管一次水溫是7℃，但由于回水溫度高達(dá)22.7℃，樓層水-水交換器的二次出水溫度仍然高達(dá)12℃。

RCF 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)換熱器二次供回水溫差達(dá)到10.7℃，很多學(xué)者認(rèn)為輻射板系統(tǒng)的換熱溫差很小，擔(dān)心輻射板能否承擔(dān)室內(nèi)的輻射負(fù)荷，事實(shí)證明這個(gè)擔(dān)憂顯然是不必要的。也印證了輻射板啟動(dòng)工況時(shí)負(fù)荷的脈沖現(xiàn)象。是正常運(yùn)行的工況，此時(shí)，交換器二次出水溫度為8.1℃，回水溫度是11.3℃，兩個(gè)工況的水泵同樣是50Hz 工頻狀態(tài)，大致可以認(rèn)為是流量不變的前提，除了新風(fēng)負(fù)荷的輻射板啟動(dòng)負(fù)荷是正常運(yùn)行負(fù)荷的3 倍。機(jī)電顧問于2016 年8 月26 日下午在RCF 標(biāo)準(zhǔn)層實(shí)際的耗冷測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)室外濕球溫度是27.4℃接近香港的計(jì)算溫度。樓層辦公110 人，輻射板冷量為22kW，新風(fēng)冷量60kW，總冷量為82kW。這個(gè)數(shù)據(jù)針對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)層空調(diào)面積1000m2的寫字樓來說，是個(gè)非常低的能耗指標(biāo)。是恒X 銀行RCF 系統(tǒng)運(yùn)行的能耗和往年FCU 的運(yùn)行能耗對(duì)比圖（顧問公司提供）。該數(shù)據(jù)證明RCF 技術(shù)比傳統(tǒng)空調(diào)的FCU 技術(shù)降低運(yùn)行能耗57%。

4 結(jié)語

總之，和傳統(tǒng)空調(diào)相比，輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)能結(jié)合低品位能源供應(yīng)，RCF 技術(shù)具有在建筑全壽命期成本低，節(jié)能效果顯著的特性（裝機(jī)功率和運(yùn)行能耗可節(jié)省40%以上）。工程中，通過合理利用RCF 技術(shù)進(jìn)行防結(jié)露控制，避免了傳統(tǒng)空調(diào)冷風(fēng)造成的環(huán)境不適感。由于運(yùn)行時(shí)不使用空氣循環(huán)，避免了疫情期間的交叉感染，值得應(yīng)用與推廣。