王利霞

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)存在的問題及解決措施分析

王利霞

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003）

介紹了置換通風(fēng)加冷卻頂板空調(diào)系統(tǒng)，分析了冷卻頂板所承擔(dān)制冷量的大小和冷板在頂棚的位置對室內(nèi)氣流的影響，總結(jié)了針對該系統(tǒng)結(jié)露問題的解決措施，為該系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用提供一定參考。

置換通風(fēng)；冷卻頂板；影響因素；結(jié)露

置換通風(fēng)以獨(dú)特的氣流組織形式，不僅能提供良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)，而且具有一定的節(jié)能性，近年來，在我國被逐步地推廣使用，如北京國家大劇院、上海大劇院、廣州新體育館、葛壩洲水電站廠房等，這些都是置換通風(fēng)技術(shù)在工業(yè)與公共建筑上的典型應(yīng)用。在置換通風(fēng)系統(tǒng)中，為了滿足人體的熱舒適性要求，該系統(tǒng)送風(fēng)溫度高、工作區(qū)溫度梯度小，送風(fēng)裝置的送風(fēng)速度小、因而單一的置換通風(fēng)系統(tǒng)的制冷能力有限，而置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)能有效提高制冷量，并且運(yùn)行費(fèi)用低、舒適性高，很適合于工程應(yīng)用。

1 置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)

根據(jù)已有文獻(xiàn)，單一的置換通風(fēng)系統(tǒng)的制冷能力一般為20～35w/m2，在室內(nèi)負(fù)荷較小時可以采用。而我國南方夏季溫度較高，即使是北方，夏季室內(nèi)負(fù)荷也遠(yuǎn)大于35w/m2。因此，通過置換通風(fēng)與末端冷卻設(shè)備的結(jié)合來提高制冷量是十分必要的。這些末端冷卻設(shè)備主要有帶誘導(dǎo)的末端送風(fēng)裝置、冷卻頂板、冷梁、冷柱等，它們的制冷能力見表1。

表1 不同置換通風(fēng)形式的制冷能力［2］

我們可以根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷大小選用不同形式的置換通風(fēng)系統(tǒng)。從工程應(yīng)用來看，當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷較大時，采用置換通風(fēng)結(jié)合冷卻頂板的系統(tǒng)比VAV系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)。同時，置換通風(fēng)與冷卻頂板結(jié)合比混合通風(fēng)與冷卻頂板結(jié)合節(jié)能效果更明顯［1］。

圖1 冷卻頂板結(jié)構(gòu)［2］

如圖1所示，常用的輻射頂板一般用金屬板或混凝土板做為冷負(fù)荷的分布器。金屬板散熱快，混凝土板蓄熱能力強(qiáng)。輻射頂板中布置的管網(wǎng)內(nèi)循環(huán)流動的是用于消除余熱的冷卻水，通過熱輻射和熱對流兩種方式與室內(nèi)空氣進(jìn)行換熱。由于單位質(zhì)量的水?dāng)y帶的能量是空氣的3 000多倍，因而輻射制冷系統(tǒng)大大降低了能耗。同時，混凝土較強(qiáng)的蓄熱能力也提供了十分穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境，而且一定程度的輻射也滿足了人體的熱舒適要求。

2 置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)的影響因素分析

冷卻頂板制冷量占系統(tǒng)總制冷量的比例 對CC/DV系統(tǒng)有重要的影響。圖2所示為實(shí)驗(yàn)所得室內(nèi)熱源散熱功率為20w/m2情況下，隨著冷卻頂板所占制冷量比例的增大，垂直溫度梯度明顯變小了，當(dāng)冷卻頂板制冷量比例為0.9時，其垂直溫度分布曲線幾乎是一條垂直直線。因此隨著冷卻頂板制冷量比例的增加，可以降低垂直溫差，同樣會滿足人體的舒適性要求，同時減少了置換通風(fēng)的風(fēng)機(jī)能耗。然而，隨著比例系數(shù)的增大，會導(dǎo)致墻面溫度的顯著下降，墻面會形成下降的冷氣流。Fitzner等［2］的實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)冷卻頂板負(fù)擔(dān)的室內(nèi)冷負(fù)荷比例占60％時，沿墻壁下沉的冷氣流和從冷卻頂板下沉的空氣，開始影響工作區(qū)氣流流型，隨著比例系數(shù)的增大，下沉的冷氣流會一直到地板，從而破壞了置換通風(fēng)的氣流組織，室內(nèi)的分層置換氣流將轉(zhuǎn)化為混合流動，使工作區(qū)空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈混合，降低了工作區(qū)空氣品質(zhì)。所以在進(jìn)行CC/DV系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，冷卻頂板負(fù)擔(dān)的室內(nèi)冷負(fù)荷不宜過大，需要確定合適的冷負(fù)荷分配比例。

圖2 室內(nèi)垂直溫度分布隨冷卻頂板制冷量比例的變化曲線［2］

另外，冷板在頂棚的布置位置是對CC/DV系統(tǒng)有影響的又一因素。文獻(xiàn)［3］通過用CFD對CC/DV系統(tǒng)中冷板處于不同位置時室內(nèi)氣流溫度與速度分布的模擬進(jìn)行研究，結(jié)果表明：冷板的位置對室內(nèi)下半部分的流場和溫度場的影響很小，主要影響室內(nèi)上半部分的流場和溫度場；冷板位于人體熱源上方頂棚比冷板位于非熱源上方頂棚更能增強(qiáng)熱源產(chǎn)生的熱羽流強(qiáng)度，從而使人體周圍的氣流速度增加；當(dāng)冷板下方的非人體熱源強(qiáng)度過大時，產(chǎn)生強(qiáng)度很大的熱羽流遇到頂棚向下返回的過程中，可能會破壞房間下部置換通風(fēng)良好的氣流場。因此如果室內(nèi)存在過強(qiáng)熱源時，應(yīng)避免將冷板設(shè)置在其上方，或者避免將此類熱源放置在冷卻頂板正下方。

3 置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在我國由于對置換通風(fēng)的認(rèn)識不足，錯誤地將置換通風(fēng)作為一種調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的送風(fēng)方式。其實(shí)，對于采用置換通風(fēng)與冷卻頂板組合的末端送風(fēng)裝置，置換通風(fēng)主要是用來改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，提供100％的室外新風(fēng)，只承擔(dān)室內(nèi)的濕負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷及小部分冷負(fù)荷。而溫度的調(diào)節(jié)主要通過與之配合使用的冷卻頂板、冷梁等設(shè)備通過冷輻射來承擔(dān)室內(nèi)大部分冷負(fù)荷。從人體舒適性方面來講，40％～50％的輻射，30％～40％的對流，10％～20％的蒸發(fā)是人體最佳的舒適感［4］。而單一的置換通風(fēng)只能提供對流與蒸發(fā)，缺少了影響人員舒適度的一個主要因素—輻射。從節(jié)能角度來講，在輻射換熱下，人員對溫度的感覺靈敏度提高，在室內(nèi)溫度略高的情況下也會感覺比較涼爽。對于回風(fēng)采用效率很高的熱回收裝置。置換通風(fēng)的這種方式在歐洲的辦公建筑、商業(yè)建筑中被廣泛使用。

4 置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)存在的問題及解決措施

由于冷卻頂板只能除去顯熱負(fù)荷，無法除去濕負(fù)荷，室內(nèi)相對濕度和露點(diǎn)溫度的控制是輻射板面臨的主要問題。為避免結(jié)露，應(yīng)通過水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)或空氣系統(tǒng)的相應(yīng)措施，使頂板的供水溫度高于周圍空氣露點(diǎn)溫度。研究表明：對于大多數(shù)辦公室建筑輻射板表面溫度不低于17.5℃就可避免結(jié)露，同時可獲得高達(dá)100w/m2的能量［5］。

根據(jù)已有文獻(xiàn)，置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)避免結(jié)露的主要方法有：

1）對新風(fēng)進(jìn)行除濕處理?？諝獾某凉襁^程有兩種方式，一是送風(fēng)由冷水盤管或制冷劑直接蒸發(fā)進(jìn)行冷卻除濕，盤管表面溫度必須低于送風(fēng)露點(diǎn)溫度以進(jìn)行除濕處理，空氣經(jīng)過此處理過程后會過冷，因此在送人室內(nèi)之前往往需要進(jìn)行再熱處理；另一種方法即是采用轉(zhuǎn)輪硅膠除濕器進(jìn)行除濕處理，此過程可把除濕和冷卻兩過程相對分開，因而比較適用于送風(fēng)溫度相對而言比較高時需要去濕的場合。此外，還可用液體除濕系統(tǒng)去除空氣中的水分，吸濕后的溶液通過加熱再生后循環(huán)使用。

2）用對長波具有高透過性的薄膜密封包裹冷卻頂板，并在冷卻頂板下表面和薄膜之間保留一真空或空氣夾層［6］。文獻(xiàn)［6］通過實(shí)驗(yàn)測試了辦公室內(nèi)的溫度場、速度場和CO2濃度場，結(jié)果顯示薄膜的溫度等于或大于冷卻頂板下表面和室內(nèi)空氣溫度的平均值，薄膜表面和冷卻頂板不可能結(jié)露，下降氣流也相應(yīng)減少，冷卻頂板的制冷量基本保持不變。

3）對原有置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)［7］把空調(diào)系統(tǒng)的作用過程分為系統(tǒng)啟動初期和正常運(yùn)行兩個階段。第一階段冷卻頂板關(guān)閉，置換通風(fēng)系統(tǒng)以定風(fēng)量的方式向室內(nèi)送入新風(fēng)。當(dāng)貼附層內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度低于冷卻頂板的設(shè)計(jì)溫度時，系統(tǒng)進(jìn)入第二個階段，冷卻頂板開啟，新風(fēng)量減小到系統(tǒng)正常運(yùn)行時的設(shè)計(jì)新風(fēng)量。同時文獻(xiàn)［7］通過數(shù)值模擬的方式對這種避免結(jié)露的改進(jìn)方法進(jìn)行了研究，并對改進(jìn)后該系統(tǒng)的室內(nèi)熱舒適性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了改進(jìn)后空調(diào)系統(tǒng)的PMV和PPD值均符合ISO7730標(biāo)準(zhǔn)，證明了系統(tǒng)改進(jìn)方法的可操作性。

5 結(jié)語

置換通風(fēng)是一種既節(jié)能又能提供良好空氣品質(zhì)的氣流組織形式，然而，由于單一的置換通風(fēng)制冷能力有限，其應(yīng)用受到了限制。置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)能有效提高制冷量，然而，頂板的結(jié)露和頂板所承擔(dān)制冷量的大小及頂板的布置位置對室內(nèi)氣流的影響是該系統(tǒng)的主要問題，我們只有把這幾方面處理好，才能充分發(fā)揮該系統(tǒng)的節(jié)能性和舒適性，使其在工程上得以廣泛應(yīng)用。

［1］Atila Novoselac，Jelena Srebric.A Critical Review on the Performance and Design of Combined Cooled Ceiling and Displacement Ventilation Systems［J］.Building and Environment，2002（34）：497-509.

［2］Klaus Fitzner，Holger Kruhne.Displacement flow and cooling ceilings［J］.Healthy Buildings，1995.

［3］方晶，黃翔.CC/DV系統(tǒng)中冷卻頂板位置對室內(nèi)環(huán)境的影響［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2010（1）：21-25.

［4］張帆.置換通風(fēng)加冷卻頂板技術(shù)評述［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，1999（4）：31-34.

［5］Hodder S G，Loveday D L，Parsons K C，et al.Thermal comfort in chilled ceiling and displacement ventilation environments：vertical radiant temperature asymmetry effects［J］.Energy and Buildings，1998（27）：167-173.

［6］王晉生，龍惟定，董濤，等.置換通風(fēng)加冷卻頂板系統(tǒng)避免結(jié)露和下降氣流的方法［J］.暖通空調(diào)，2009（1）：27-32.

［7］郭少朋.置換通風(fēng)與冷卻頂板空調(diào)系統(tǒng)熱環(huán)境與除濕的模擬研究［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2009.

〔編輯 石白云〕

An Analysis of the Problem and Solution in Displacement Ventilation plus Cooling Ceiling System

WANG Li－xia
（School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003）

The displacement ventilation plus cooling ceiling system is introduced.An influence on indoor air flow by the refrigerating capacity of cooling ceiling and the location of the cooling ceiling is analyzed.The resolution of the condensation trouble is also summarized.The thesis is used to provide some reference for the technical application.

displacement ventilation；cooling ceiling；influence factor；condensation

TQ051.5

A

1674-0874（2011）02-0067-03

2010－12－20

王利霞（1976－），女，山西大同人，碩士，副教授，研究方向：建筑環(huán)境與設(shè)備工程。