辐射吊顶空调

第 1 页 @ 筑 龙 网 w w w . s in o a e c . c o m 《 辐 射 吊 顶 — 空 调 系 统 新 世 纪 的 选 择 》 资 料 编 号 ： W Z T U 8 3 - 3 1 2 8 - 2 0 0 0 1 0 @ 辐射吊顶—空调系统新世纪的选择 魏庆芃 王威 江亿 狄洪发 [摘要]：本文介绍了一种新型空调系统形式—供冷、供热辐射吊顶系统的特点、技 术及工程应用。由于该辐射吊顶系统具有健康、舒适、节能、安静、经济等特点， 并可应用于办公商业建筑与住宅中，因此是传统供热空调系统更新换代的理想选择。 [中图分类号]：WZTU83 1 前言 在建筑中使用空调越来越普遍的今天，传统的空调设备和系统存在着两个主要问题，一 是空调系统耗能较多，因此带来一系列的能源、环境问题，不利于社会可持续发展；二是长 期工作和生活在空调环境中的人，由于新鲜空气少、室内空气品质较差，对身体健康产生不 良影响，此外还有吹风感等热舒适问题。因此，全新意义上的“节能、健康、舒适”的空调 设备和系统成为整个行业追求的目标，水源辐射供冷、供热吊顶系统 (hydraulic radiant cooling/heating ceiling system)便是其中之一。 水源辐射的空调方式可能是人类最古老的室内热环境调节手段，最近科学家在土耳其东 部的库尔德人聚居区遗址中发现，几千年前人类就知道在夏季将溪水引入建筑屋顶下的夹层 中，通过冷却屋面而达到为室内降温的目的。在二十世纪，水源辐射空调方式再次出现，特 别是在八十年代中后期，多种水源辐射空调系统形式在欧洲出现，并在一些工程实践中得到 应用。由于这种系统可提供较高水平的舒适环境，并在初投资和运行费用上有一定的优势， 特别是由于水温和室内空气温度之间的差别较小，因此可以使得冷机、热泵机组能在较高能 效比（COP）下运行，甚至可以直接利用自然冷源、热源，因此这类水源辐射空调系统得到国 外制造厂商和科学家们的关注。 辐射吊顶是这类系统中的代，一般来说，水流经特殊制成的吊顶板内的通道，并与吊 顶板换热，吊顶板表面再通过对流和辐射的作用与室内换热，通过控制吊顶板表面温度而达 到控制室内热环境的目的。从吊顶板的结构来说，一般采用的是所谓“三明治”结构，即中 间是水管，上面是保温材料和上盖板，下面是吊顶表面板。从材料讲，吊顶板一般采用金属 材料，如钢，水管可采用金属材料，如铜，也可采用非金属材料，例如塑料。图 1 中介绍了 第 2 页 @ 筑 龙 网 w w w . s in o a e c . c o m 《 辐 射 吊 顶 — 空 调 系 统 新 世 纪 的 选 择 》 资 料 编 号 ： W Z T U 8 3 - 3 1 2 8 - 2 0 0 0 1 0 @ 几种欧洲的典型辐射吊顶板产品。由于其结构的限制，从水到室内的传热过程存在一定的障 碍，虽然选择金属材料可适当降低传热热阻、提高系统承压能力等，但又带来重量大、成本 高等问题，因此辐射吊顶系统尚未被普遍接受。另一方面，由于辐射吊顶必须工作在干工况， 即夏季供冷时吊顶表面绝不允许结露，因此其适用条件比较苛刻，要求计算准确；此外， 这类辐射吊顶系统必须配备专门的通风系统和空气处理装置，从而保证室内基本卫生要求， 并除去室内产湿量，保证吊顶表面不结露，因此整个系统较复杂，对设计和运行管理水平要 求较高。 图 1—几种典型的欧洲辐射吊顶板产品结构 另一方面，我国广大地区四季分明，随着经济发展，既要求空调又要求供热的建筑越 来越多，非常希望有一种能实现供热和空调末端统一的系统形式，辐射吊顶系统正是一种选 择。本文介绍了由清华大学建筑环境与设备研究所和清华同方研发中心共同研制开发的新型 辐射吊顶系统及其设备，由于该系统具有健康、舒适、节能、安静、经济等特点，并可应用 于办公商业建筑与住宅中，因此是传统供热空调系统更新换代的理想选择。 2 技术方案 本文介绍的辐射吊顶系统的技术方案，包括新型辐射吊顶板末端装置、内循环辐射吊顶 供冷、供热系统形式，以及与之配套的专用空气处理和换热机组等三方面的内容。 2.1 辐射吊顶板末端装置 针对国外现有技术中存在的问题，弥补我国在这一技术领域中的空白，笔者提出了一种 带有通风末端的模块式辐射供冷、供热吊顶板。这种将通风末端和辐射吊顶集成的模块式吊 顶板，将供冷、供热和通风三者的末端装置全部统一，使得空调系统相应简化，成本降低。 另一方面，由于将通风末端和辐射吊顶结合，可对吊顶表面及其附近区域实现有效的控制， 在增强换热的同时，更可靠的保证吊顶表面不发生结露现象。 具体而言，就是以硬聚氯乙烯 PVC 为原材料制造标准的吊顶板模块，其上设有相对独立 的水通道和风通道—在吊顶板中部设有独立的空腔，水得以在其中流动并换热，从而达到向 第 3 页 @ 筑 龙 网 w w w . s in o a e c . c o m 《 辐 射 吊 顶 — 空 调 系 统 新 世 纪 的 选 择 》 资 料 编 号 ： W Z T U 8 3 - 3 1 2 8 - 2 0 0 0 1 0 @ 室内供冷、供热的目的（夏季通水温度约为 17℃，冬季约为 35℃）；而在吊顶板的四周区域 另设有空腔，使得空气得以流动，而吊顶板向室内一侧表面开有孔洞，实现向室内的送风。 图 2给出了这一吊顶板的结构示意图。 图 2—辐射吊顶板结构示意图 1—PVC 板壁，2—导流板，3—水流通道，4—进（出）水口， 5—保温层，6—进风口，7—风道 在吊顶板中部作为水通道的空腔中，均匀的排列导流板数片，使得水流在空腔内分布 均匀，并增强换热效果，提高了设备性能；其上部设有进水管和出水管，便于吊顶板的组合 连接；吊顶板中部空腔的上面敷设有保温材料，以减少水向吊顶上部空间的热损失。对于吊 顶板四周的空腔，可作为通风系统的风道，其向室内侧的吊顶表面开有孔洞，形成孔板送风 模式；而空腔上部设有进风和出风的管道，以便于吊顶板的组合连接。在具体工程中，可先 安装龙骨吊架等，再将辐射吊顶板固定，并根据具体情况，采取多块吊顶板的串联、并联组 合连接。这一辐射吊顶板通过配套的专用空气处理与换热机组，与建筑中供暖空调系统相连， 作为供暖通风空调系统的末端装置，实现控制调节室内热环境、湿环境和空气品质的目的。 采用此结构设计方案，大大强化了水与室内的换热，并使得吊顶板表面温度趋于均匀一 致，提高了舒适性，降低了结露的可能性；模块化的设计使得加工简单，使用灵活；选用 PVC 作为原材料，大大降低了成本，其性质在工作温度、压力范围内稳定，符合使用要求。但由 于 PVC 吊顶板承压能力的限制，不能与建筑中空调供热水系统直接相连，因此笔者提出间连 的系统形式，并提出与该辐射吊顶系统配套的专用空气处理和换热机组的方案。 2.2 循环辐射吊顶供冷、供热系统形式 笔者提出的内循环辐射吊顶供冷、供热系统形式，是指采用间连的方式，通过一板式换 热器将水系统分为一次水侧—即外循环水系统， 和二次水侧—即内循环水系统，如图 3所示。 第 4 页 @ 筑 龙 网 w w w . s in o a e c . c o m 《 辐 射 吊 顶 — 空 调 系 统 新 世 纪 的 选 择 》 资 料 编 号 ： W Z T U 8 3 - 3 1 2 8 - 2 0 0 0 1 0 @ 图 3—内循环辐射吊顶供冷、供热系统在制冷工况运行时示意图 内外循环相比有以下的特点： 工作压力 夏季水温 冬季水温 主要部件材料 承压耐温要求 内循环 低，<4mH ~17℃ ~35℃ 加强塑料，PVC 低 外循环 高，>10mH 5~14℃ >40℃ 钢，铸铁等 高 采用这一间连的内循环辐射吊顶系统形式，大大降低了对辐射吊顶板制造材料的要 求，使得价廉物美的 PVC 板材得以使用（成本约为国外产品的十分之一），大幅度提高了辐射 吊顶供冷、供热系统的竞争性，同时，系统的调节特性也大大增强。 2.3 专用空气处理和换热机组 上述间连的内循环辐射吊顶系统有较多的优点，但与此同时也对系统提出了新的要求为 此，笔者提出了与这一辐射吊顶系统配套的专用空气处理和换热机组设计方案。它采取集成 化模块设计，具体而言，就是设计出负责一定辐射吊顶面积的机组模块，根据建筑物的具体 情况灵活安排这些模块，并作为末端装置与冷源、热源、循环泵等构成空调供热系统的外循 环部分；而在这一机组中，集成了辐射吊顶系统所需的空气处理过程、换热与内循环水输送 过程等，是这一系统的核心部件。图 4给出了一个正在测试的机组模块。 图 4—专用空气处理与换热机组 第 5 页 @ 筑 龙 网 w w w . s in o a e c . c o m 《 辐 射 吊 顶 — 空 调 系 统 新 世 纪 的 选 择 》 资 料 编 号 ： W Z T U 8 3 - 3 1 2 8 - 2 0 0 0 1 0 @ 2.3.1 空气处理过程 当辐射吊顶运行在制冷工况时，吊顶表面温度较低，而其表面不能结露，因此送至室内的空 气应充分干燥，而温度可接近室内空气温度，为此笔者提出了以下的空气处理过程。 图 5—空气处理过程示意图 新鲜空气经由吸入口 1和过滤器 2进入空气—空气回热器 3的一侧，经预处理后进入 表面换热器 4，在夏季空气被冷却、干燥，在冬季被加热，之后进入 3 的另一侧与刚经由 1 和 2 的空气换热，再被风机送入吊顶板风道。与常规的空气处理过程相比，这样的过程具有 提高系统能源利用效率、有效保证吊顶表面夏季不结露、保证冬季表面加热器不冻等优点。 2.3.2 换热与内循环水输送 图 3 中已对机组模块中的换热等过程进行了描述。以夏季制冷工况为例，经由制冷机组 的一次水被循环泵送至机组模块，首先进入表面冷却器对空气进行降温、除湿，水温升高后 进入板式换热器与内循环中的二次水换热，并流回制冷机组，而经过换热、降温的二次水被 一个小的循环泵送入辐射吊顶板，与室内进行热交换，从而达到控制室内热环境的目的。其 中，在一次水侧板式换热器两端之间设有旁通阀，根据负荷变化调节表面换热器和板式换热 器的换热量；在内外循环之间设有旁通阀，便于内循环的初次充水。 3 系统特点 由辐射吊顶板、与之配套的专用空气处理和换热机组等构成的内循环辐射吊顶供冷、供 热系统，具有较多的优点和较强的市场竞争力，归纳起来主要特点有： �适用范围广—这一系统适用于办公、商务等公用建筑，也适用于居室、宾馆、病房等 休息、居住的空间；适用于不同地域、各种气候类型下的建筑物；适用于新建建筑，也适合 改造项目； Ø 健康舒适水平高—解决了“怕吹冷风”和“怕吹热风”的问题；辐射供冷、供热可提 供高热舒适水平的室内环境；充足的新风供给和合理的气流组织设计，保证了居住者呼吸到 足够的新鲜空气；低噪音；空间整体感好，视觉效果好； Ø 节能效果明显—提高冷热源效率；提高输配系统效率；能源的梯级合理利用；自然能 源、低品质能源的利用可能性提高； 第 6 页 @ 筑 龙 网 w w w . s in o a e c . c o m 《 辐 射 吊 顶 — 空 调 系 统 新 世 纪 的 选 择 》 资 料 编 号 ： W Z T U 8 3 - 3 1 2 8 - 2 0 0 0 1 0 @ �经济实用—与常规空调供热系统或国外产品相比极具竞争力；施工简便，运行调节简 单易行。 4 系统应用 这一辐射吊顶供冷、供热系统开发研究后，很快便在工程实践中应用，下图给出安装了 此辐射吊顶系统的清华同方研发中心办公楼中的几个场景。 图 6—清华同方研发中心工程实景 此外，在不久的将来，这一系统还将在清华大学土木馆改造工程等一批工程中得到应 用，在细致深入研究的基础上对这一系统不断改进，并形成系列产品投放市场，在不远的将 来，实现对我国供热空调系统的更新换代。 作者简介：魏庆芃，建筑环境联合实验室博士研究生。 -----------王威，建筑环境联合实验室硕士研究生。