暖通空调——辐射供冷系统

0 引言节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。其中空调能耗占整个建筑能耗的一半以上。因此，应采取一切可行的方案以降低建筑能耗，缓解电力紧张局面，成为迫在眉睫的大事。建设低能耗的建筑和使用节能绿色空调系统便是其中最有效的解决方案。辐射空调系统，作为一种节能空调系统，可以很好地与低能耗或绿色建筑结合，有着良好的应用前景。

0 引言

节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。其中空调能耗占整个建筑能耗的一半以上。因此，应采取一切可行的方案以降低建筑能耗，缓解电力紧张局面，成为迫在眉睫的大事。建设低能耗的建筑和使用节能绿色空调系统便是其中最有效的解决方案。

辐射空调系统，作为一种节能空调系统，可以很好地与低能耗或绿色建筑结合，有着良好的应用前景。

1 辐射供冷的原理与现状

辐射供冷是指降低围护结构内表面中一个或多个表面的温度，形成冷辐射面，依靠辐射面与人体、家具及围护结构其余表面的辐射热交换进行降温的技术方法。由于辐射供冷系统中辐射传热所占份额在50%以上，当采用辐射供冷时室内作用温度可比传统空调系统降低1~2℃。辐射供冷具有节能、舒适性强、污染性小等优点，本文将对辐射供冷进行分析。

辐射供冷的主要优点：

（1）节能：由于传统空调中热量的介质主要是空气，但是空气的比热容较低，而辐射供冷的介质不采用空气，因此它在输配传热介质上的耗能要比传统空调小得多，节能可达到28%~40%；

（2）舒适性强：一般认为，舒适条件下人体产生的热量，大致以如下比例散发：对流30%、辐射45%、蒸发25% 。辐射供冷在夏季降低围护结构表面温度，加强人体辐射散热份额，提高了舒适性。另外，传统的空调如果要想实现温、湿度的同步控制，一般需要对新风再热，导致能耗增加，唯一和解决途径就是牺牲温湿度中的其中一项，这样就相当于牺牲了室内的热舒适性；而辐射供冷可以实现温湿度分开控制，且辐射供冷在室内形成的温度梯度很小，风速极小，达到良好的室内舒适性。

（3）提供一种新的末端形式，有利于系统及布置方式的优化空调送风系统，特别是采用全新风的空调系统，其风管截面大、占用建筑空间大、有时还会与建筑

的梁相碰，难于布置。采用地板或顶板供冷，有利于系统和布置方式进一步优化，减少建筑层高的增加幅度。

辐射供冷20 世纪70 年起代源于欧洲，早在上个世纪90 年代就在欧洲一些发达国家的的民用建筑中得到具体应用。到目前为止，在欧洲已广泛应用于商场、超市、银行等场所，特别在德国和瑞士。

辐射供热系统，在我国已经有了多年的应用历史，其舒适性和节能效益得到了业内同行的一致好评。辐射供冷有着与传统空调无法比拟的优势，但辐射供冷在我国起步较晚，至今还未有实际场所大面积的应用，仅仅停留在理论研究和实验室论证的阶段。随着国家提倡节能减排的政策越来越强烈，低碳建筑不断被广泛应用，再加上人们对室内空调的舒适性要求越来越高，因此，辐射供冷是相当有前景的。

2 供冷系统的组成

一般辐射供冷系统结合相关空调系统进行合理配置，由冷热源、辐射供冷供热末端系统及独立除湿新风系统三部分组成。

2.1 空调冷热源部分

空调冷热源采用高效率、低污染、使用可再生能源的主机。如利用地热、地（下）表水等可再生资源作为冷热源的空调系统，或者高效率的制冷制热空调系统。

2.1.1 土壤源热泵（地源热泵）

土壤热泵系统采用垂直（埋管深度在地下100m以内，也可利用建筑混凝土桩基埋管）或水平埋管形式，利用地下浅层土壤温度常年保持在10～20℃左右的特点，通过地下埋管管内的介质循环与土壤进行闭式热交换以达到供冷供热的目的。夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下，对建筑进行降温；冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑物供暖。同时还可提供卫生热水。土壤源为可再生性能源，由于地下换热器为闭式系统，不会污染地下水资源，对环境零污染。

为保证土壤源热泵长期稳定运行的关键技术，就是地下换热器系统的精确设计与良好的安装工艺。

2.1.2 水源热泵

水源热泵，直接利用地下水或者江河湖泊水塘作为空调系统的冷热源，夏季吸收建筑物余热量，冬季向建筑物输送热量。分为开式系统和闭式系统两类。

（1）开式系统：直接采用地下水作为空调系统的冷热源时，如果处理不当，有可能污染地下水，或者取水与回灌量的不平衡，从而造成系统不能安全稳定地长期运行。所以此方式，虽然能源具有可再生性，但是由于设计要求较高，并且受地质条件和当地政策的限制，应根据实际情况慎重选用。

（2）闭式系统：采用江河、湖泊、水塘等地表水作为冷热源时，由于通常采用闭式系统，对环境无污染，且安装方便，在地表水资源丰富的地区采用较好。

2.1.3 风冷热泵机组

风冷热泵机组主要应用在冬冷夏热（冬季非采暖）地区。由于其安装方便、维护简单，对于家庭等分散用户是一个有效的选择。

2.2 空调末端部分

供冷辐射与环境的热交换一般有两种形式，即对流和辐射，因此根据这两种热交换的形式，其末端也对应两种设备，即对流式和辐射式。对流式供冷还可以分为，主动式冷梁和被动式冷梁。

2.2.1 辐射式

辐射式可以分为吊顶式和楼板式两种。楼板式又可以分为毛细管式和混凝土式。毛细管式一般使用内径很小的塑料管，供冷能力有限，一般为40~65W/m ² 。

对室内负荷变化的反应快，而在辐射能力相当的情况下造价低、安装简捷、节约建筑空间。可以根据客户要求定制尺寸、干湿式建筑施工要求均可。混凝土式是把冷水管直接进入楼板混凝土中，与建筑围护结构形成一体，它的供冷能力更小，只有30W/m ² ，一般满足建筑的基础冷负荷。吊顶式在闭式平滑表面，它一般直接悬吊在天花板下方。吊顶式在房间垂直方向上温度波动极小，提供的冷量不超过100W/m ² 。总体来说，辐射式供冷引起的室内空气对流风速很小，室内人员没有吹风感，一般应用于冷负荷不太大的场所，如办公室、学校、银行等。其优点为：

（1）节能和舒适。夏季不需低温冷水，供水温度为16℃时，空调系统的运行效率可达到10.0。空调末端系统可以和任何形式的冷热源结合使用，尤其是与土壤源热泵、闭式地表水水源热泵配套使用，由于夏季可以直供，不需要开启机组制冷，节能效果更明显。同时具有舒适性高的优点。

（2）空气品质好。辐射空调系统采用独立新风形式，不存在和回风的混合，因而空调品质好。

（3）节省建筑空间。基本不占用吊顶空间，因而可降低房间层高要求，从而大大节省建筑投资。而且安装方便、快捷，经济性好。

缺点：供冷能力不强，局限性小。

2.2.2 对流式

（1）吊顶式：对流式吊顶一般有强化空气流动的缝隙，加强对流换热，其所占换热比例超过50%。对流式系统的房间垂直方向温度波动也较小，一般在2K以内，比辐射式略高。提供的供冷量也不超过。风速比辐射式高，但也不会超过0.15m/s。这种供冷方式适合冷负荷较大的场所，如商场、超市等。

（2）冷梁：冷梁与环境之间的热交换绝大部分是通过对流进行，对流比例达90%~95%。冷梁按有无新风通入可分为主动式冷梁（如图1 所示）和被动式冷梁（如图2 所示）。

主动式冷梁有新风通入，新风以极高的速度进入冷梁，从而产生负压，诱导周围空气进入冷梁，并通过冷梁内的盘管进行对流换热，从而降低室内空气温度。由于主动式冷梁的出风流速较高，不能直接布置在人员活动的正上方。主动式冷梁又可分为单侧送风和双侧送风。单侧送风主要敷设在房间天花的边缘处；双侧送风布置在天花中间。其供冷系统能力很大，可达620W/m ² 适用于冷负荷非常高的场所。

被动式冷梁与主动式的最大区别就是它没有新风参与室内的对流换热，只是一个封闭循环。被动式冷梁下方的气流速度也比较大，同样不能直接布置在工作人员的上方，它的供冷负荷可以达到400W/m ² 。

2.3 独立除湿新风系统

辐射供冷不能去除室内的潜热负荷，因此，可以利用独立的新风系统来承担潜热负荷。另外，为避免辐射表面出现结露的现象，新风系统也要进行除湿处理。

2.3.1 用冷却方式除湿

此方式运行可靠、技术成熟、能效较高。但冷却除湿的原理必须将要处理的空气冷却到机器露点以下，然后对空气再热，对能源的使用效率受到制约，而且不能利用低位能源（包括可再生能源）。

2.3.2 液体除湿新风系统

液体除湿系统利用溶液的吸湿能力去除空气中的水分，溶液通过加热再生然后循环使用。除湿后的空气再由表冷器除去显热，构成一除湿新风系统。液体除湿可以使用低品位能源（如太阳能、地热、余热等）。由于液体除湿系统的可独立除湿（处理潜热）的能力，在空调系统中的应用将有广泛的领域。目前由于其体积大，溶液有腐蚀性等弱点，尚未得到大量的使用。随着研发的进一步深入，液体除湿系统会有更大的突破。

3 辐射供冷的其它设计特点

3.1 送风方式的选择

为保证室内的良好热舒适性，避免产生吹风感，达到节能的要求，因此一般选用天花板顶送风和置换通风。

（1）天花板顶送风方式技术比较成熟，独立新风系统可以直接选用和全空气系统相似的空调机组，再配合高吸入性的旋流风口，这样新风（经冷却除湿）可以不需要再加热，而直接送入房间，而且人员不会有吹风感，另外，顶送风可以加强空气的扰动，提高换热效果，从而提高供冷量。

（2）置换通风的换气效率、能量利用效率都高于天花板顶送风系统。但由于置换通风要求的送风温差不宜大（低于3K），须对新风进行再加热，因此造成了能源浪费。

3.2 辐射供冷水系统

由于辐射供冷水系统比较复杂，需要提供两组不同温度的冷水，一组为辐射供冷，一组为独立新风系统。辐射供冷系统的水温一般在15～20℃之间，有3种方案实施：

（1）方案一（如图3 所示）：辐射供冷和独立新风共用一套水系统。独立新风系统采用一次冷水，水温较低；辐射供冷采用二次冷水，通过板式换热器进行热交换的，则水温略高。此方案设计简单，控制容易。

（2）方案二（如图4 所示）：冷水机出来的冷水先对独立的新风系统进行处理，再处理辐射供冷。一般冷回水（已处理好新风系统）的水温为12℃，满足辐射供冷对冷冻水温的要求。另外可以在辐射供冷回水处加装三通，以调节辐射供冷的水温，这样冷水就两次利用，降低了冷量损失。

（3）方案三：为独立新风和辐射供冷各设一套冷水系统，此设计有很强的针对性，可以降低系统能耗，但初投资比较大。

4 结语

辐射供冷具有节能、舒适性好、节省建筑空间等优点，在应用过程中，应注意以下几点：

（1）辐射供冷系统应该与置换通风、天花板顶送风相结合，互相取长补短。特别是蒸发冷却与辐射供冷相结合的半集中式空调系统由于采用了零费用的蒸发冷却技术，符合国家节能减排的政策，有着广阔的市场前景。因此，目前蒸发冷却与辐射末端相结合的半集中式空调系统已成为业内关注的研究热点。

（2）采用辐射供冷与置换通风系统相结合时，辐射供冷承担室内显热复合；置换通风承担新风的潜热负荷和湿负荷。但是冷负荷分配是个关键的问题，有待于继续研究讨论。

（3）采用辐射供冷系统时，除湿是个关键问题。随着除湿技术的发展，辐射供冷将呈现更多的形式，其供冷能力也将大幅度的提高。