楊德潤
華東建筑設計研究院有限公司
輻射空調系統(tǒng)是以輻射換熱為主要傳熱方式的空調系統(tǒng),其將室內空氣品質與熱環(huán)境分開考慮,空調通風系統(tǒng)保證室內的空氣品質,輻射空調系統(tǒng)保證室內的熱環(huán)境。根據(jù)輻射板的構造,所在位置,熱媒種類和溫度等的不同,輻射空調系統(tǒng)可以分為多種類型。按輻射板位置,可以分為吊頂式,墻面式和地面式。按輻射板構造,可以分為埋管式,毛細管式,風管式,組合式、整體式。
輻射空調具有占用建筑空間小、轉熱介質輸送能耗低和系統(tǒng)安靜、噪聲低的優(yōu)勢。另一方面,輻射空調以輻射為主的換熱方式,無吹風感,舒適性較好。此外,輻射末端空調方式為自然低品位冷熱源的利用提供可能,可與不同冷熱源相結合,可進一步提高系統(tǒng)COP,降低能耗。
本文所述項目為天津某音樂學院,該項目是集音樂廳、劇場、教學為一體的現(xiàn)代化音樂學校,位于天津濱海新區(qū)。項目的總建筑面積4.5 萬m2,其中地上2.3萬m2,地下2.2 萬m2。建筑高度38 m,地上6 層,地下2 層。地上分為A、B、C、D 四個樓,包含700 座音樂廳、300 座演奏廳、250 座黑盒劇場,在 2F 和3F 采用五條連廊將四個樓連接起來,為音樂教室,工作室和練習室等音樂教學房間,4 個樓和連廊之外的空余部分為公共大廳。
圖1 項目效果圖
該學院定位為世界殿堂級音樂學院,主要音樂演出,表演及排練空間音樂廳、演奏廳等噪聲限值需滿足NC15 聲學標準。位于2F、3F 連廊的音樂教學區(qū)總面積 4870 m2,主要為面積在 8 m2~ 51 m2左右的練習室,工作室和教室,房間為雙層玻璃幕墻+浮筑地板的房中房結構,是該學院音樂教學,練習和工作活動的主要承載空間,對室內溫濕度、噪聲、空氣品質等要求嚴格,表1 為音樂教學房間室內設計標準?;谝魳方虒W房間的上述特點,本項目音樂教學房間考慮采用輻射空調+獨立新風的空調系統(tǒng)形式。
表1 音樂教學房間室內設計標準
根據(jù)《輻射供暖供冷技術規(guī)程》要求,輻射供冷系統(tǒng)供水溫度應保證供冷表面溫度高于室內空氣露點溫度 1~2 ℃,供回水溫差不宜大于 5 ℃且不應小于2 ℃,輻射供冷、供熱表面平均溫度宜符合表2、表 3 的規(guī)定[2]。本項目音樂教學房間夏季室內設計參數(shù)為24 ℃/50%,供冷時輻射板面溫度取 17~20 ℃,冷凍水供回水溫度取16~19 ℃。在該條件下冷輻射吊頂可提供的冷量約為70~80 W/m2[3],而一般情況下,室內可鋪設的冷吊頂面積為總吊頂面積的 70%,甚至更少,折算后的單位面積供冷能力約為50 W/m2。
表2 輻射供冷表面平均溫度
表3 輻射供暖表面平均溫度
本項目音樂教室、工作室、練習室的室內顯熱冷負荷指標在 60~120 W/m2,采用純輻射吊頂空調形式不能滿足室內顯熱冷負荷的處理需求,需輔助其他空調末端形式。基于本項目聲學設計要求高,一方面要求空調末端的噪音盡量低,另一方面對末端空調安裝方式及安裝敷設面積有限制要求。故采用輻射吊頂 +冷梁+獨立新風的空調系統(tǒng)形式。新風系統(tǒng)處理室內潛熱負荷和濕負荷,輻射板和冷梁處理室內顯熱負荷。
2.1.1 輻射吊頂
根據(jù)建筑師及聲學顧問要求,輻射板面層采用石膏板形式,石膏輻射吊頂板結構如圖2 所示,性能參數(shù)如表4 所示,輻射板單位面積制冷量為69.4 W/m2,制熱量為122.2 W/m2。
圖2 石膏輻射吊頂板示意圖
表4 輻射板性能表
2.1.2 冷梁
冷梁是一種誘導式末端裝置,冷梁具有優(yōu)異的節(jié)能效益,舒適性和靜音運轉效果,也具有較高的冷卻和加熱能力并且安裝簡易、維護簡單,是一項很有潛力的空調技術,符合世界“ 節(jié)能減碳”的發(fā)展趨勢。依據(jù)是否有室外空氣供給,則可分為主動式冷梁和被動式冷梁。
考慮到被動式冷梁供冷能力小,基本無法有效供熱,所以本項目設計采用主動式冷梁。同時控制冷梁噪音滿足聲學要求。主動式冷梁的一次風動力來自空調箱,位于冷梁靜壓箱兩側或上部的噴口將一次風送入室內,一次風進入室內后會附吊頂或天花流動,并誘導室內空氣經過位于冷梁底面或兩側的盤管,進行等濕冷卻或加熱,被冷卻或加熱的室內回風在冷梁腔室里與一次風進行混合,并重新進入到室內,具體如圖3 所示。
圖3 冷梁示意圖
2.1.3 末端選型與布置
輻射板根據(jù)吊頂可敷設區(qū)域進行布置,由于受輻射板供冷能力,吊頂可敷設面積及輻射板數(shù)量的限制,輻射板提供的冷/熱量難以滿足室內冷/熱負荷的要求,不足部分由冷梁補充。冷梁根據(jù)房間需求新風量作為一次風量進行選型,制冷/制熱量滿足房間剩余冷/熱負荷需求。輻射板和冷梁的布置及安裝如圖4,圖5 所示。
圖4 教學工作室平面圖
圖5 教學工作室剖面圖
各房間的末端選型結果及吊頂覆蓋率統(tǒng)計如表 5所示,受室內裝飾、燈具、吊頂模數(shù)等限制,輻射吊頂板的實際覆蓋率遠低于理論上的覆蓋率,輻射板+冷梁的吊頂覆蓋率為 27%~48%,輻射板的吊頂覆蓋率為18%~35%,輻射板實際的單位房間面積供冷量為12.6~24.5 W/m2,供熱量為22.0~42.8 W/m2。
表5 各房間空調末端選型統(tǒng)計表
本項目連廊輻射空調區(qū)域占項目空調區(qū)域總量比例不大,輻射空調冷負荷占項目總冷負荷8 左右。如為連廊空調單獨分別配置常溫、高溫機組,系統(tǒng)復雜,初投資增加,主機房面積增加。另一方面機組容量小,高溫型螺桿式冷水機組較難選型,選用小容量機組一般主機效率較低。所以設計連廊輻射空調與項目空調主系統(tǒng)共用同一冷源,利用三通混水方式,同時滿足兩者各自不同的水溫要求。即將常規(guī)空調系統(tǒng)回水與輻射空調系統(tǒng)回水混合作為輻射系統(tǒng)供水,供冷時輻射空調供/回水溫度為16 ℃/19 ℃,供熱時輻射空調供/回水溫度為40 ℃/35 ℃,如圖6 所示。
圖6 輻射供冷系統(tǒng)冷源示意圖
混水系統(tǒng)采用二級泵變流量系統(tǒng),二級泵流量與空調末端設備的負荷相匹配,并隨著各空調房間負荷變化作相應的變流量調節(jié),二次混水泵的流量通過三通調節(jié)閥調節(jié)混水比得到平衡。
末端空調水管采用分區(qū)兩管制,各層水平干管分支管設電動兩通閥切換供冷/供熱工況。冷梁、輻射板供冷均干工況運行,冷水供水溫度高于室內露點溫度1~2 ℃。末端空調通過調節(jié)冷梁、輻射板回水支管電動二通閥調節(jié)室內供冷供熱。
新風除濕,是保證采用輻射吊頂和冷梁空調系統(tǒng)正常運行的重要方面,送入經過深度除濕的新風,室內維持足夠的正壓,采取可靠的措施阻止室外潮濕空氣侵入,配合有效的自動控制系統(tǒng),就可以保證室內空氣濕度滿足使用要求,可靠地防止輻射冷吊頂、冷梁、內表面等結露。
根據(jù)建筑平面布局及空間布置要求,同時結合各區(qū)域使用功能和性質共劃分為四個新風空調系統(tǒng),新風量根據(jù)末端房間舒適性及衛(wèi)生條件設計。各連廊輻射空調新風系統(tǒng)制冷時新風除濕要求如表6 所示。
表6 連廊輻射空調新風系統(tǒng)
根據(jù)表 6 計算,設定新風空調箱處理后新風送風狀態(tài)點的絕對含濕量控制在約6.5 g/kg 干空氣。
對于本項目,采用供水溫度 6~13 ℃的常溫冷水機組供新風機組除濕降溫,出口新風空氣的含濕量可以達到8.0~9.0 g/kg 左右,難以滿足要求。設計采用熱管輔助除濕方式,可使本項目空調機組冷卻除濕后空氣含濕量可達7.5 g/kg 左右,還需在表冷器后設置高效除濕器。在本項目的設計中,采用轉輪除濕的方式,使送風含濕量達到不超過6.5 g/kg 左右,降低室內結露風險。
1)冷源采用中溫混水系統(tǒng),供回水溫度 16/19 ℃,供水溫度高于露點溫度 3.2 ℃(夏季室內干球溫度24 ℃,相對濕度50%,對應露點溫度12.8 ℃)。即使相對濕度短時間波動到 60%時,露點溫度 15.6 ℃,也低于供水溫度。
2)制冷季新風承擔室內濕負荷,送風溫度不低于16 ℃,正常運行工況下,送風絕對濕度控制在6.0 g/kg干空氣,經冷梁誘導混合,以 20~22 ℃送入室內,送風溫度高于室內露點溫度。獨立新風空調系統(tǒng)剛開始運行或中斷后一段時間重新啟動時,通過增大新風機組除濕能力的方式,加快排除室內濕負荷,新風送風絕對濕度可低至4.8 g/kg 干空氣。房間有結露風險時,相應降低送風絕對濕度,增加新風除濕能力。當室內降溫除濕到室內露點溫度不高于 20 ℃時,啟動冷梁制冷,當室內降溫除濕到室內露點溫度不高于16 ℃時再開啟輻射板制冷,以避免輻射表面結露。夜間低負荷時,通過調節(jié)新風、回風調節(jié)閥,減少新風濕負荷進入室內。
3)針對夏季高濕環(huán)境,新風空調箱選型時加大除濕轉輪除濕量,除濕轉輪按最不利再生溫度(干球溫度32.5 ℃、相對濕度 95%)時選型除濕能力,相依配套輔助再生空氣除濕設施。
4)設置自動控制系統(tǒng),各房間設置露點溫度探測器,當溫度接近露點溫度時(一般控制溫差1~2 ℃),自動關斷各房間水閥。過渡季節(jié)空調負荷不大時,還可調整混水系統(tǒng),提高供水溫度,降低結露風險。制冷空調關斷時先關斷輻射板,再關斷冷梁。
按照連廊音樂教學房間噪聲控制標準,風管/風口風速控制如表7 所示。
表7 風管/風口風速控制表(m/s)
風管設置如下消聲措施:房間內外風管至少兩個彎頭連接(或消聲靜壓箱)。室內風管設置必要的消音措施,如消聲風管、消聲器。支吊架設置減震支吊架。
輻射空調系統(tǒng)具有舒適、節(jié)能、噪音小等優(yōu)點,但在實際的項目設計應用中,受其本身,裝飾及可敷設面積等條件限制,其供冷能力往往有限,需根據(jù)項目特點,靈活選用其他輔助空調方案,以便更好的發(fā)揮輻射空調系統(tǒng)的有點,滿足項目需求。輻射吊頂+冷梁+獨立新風的空調系統(tǒng)形式能夠較好的滿足本文所述音樂學院教學房間室內熱濕環(huán)境和聲環(huán)境的高要求,但該空調系統(tǒng)整體較復雜,適用條件較嚴苛,要求設計計算準確,做好防結露和消聲降噪措施。