辐射供冷-置换通风复合系统分析
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摘要：采用辐射供冷与置换通风联合作用，既利用了辐射换热量大，又利用了置换通风能耗小的特点。通过辐射板在房间中放置的不同位置对系统进行定性的分析，最终提出了顶板辐射供冷与置换通风复合系统是最优的搭配，为进一步进行定量分析奠定了基础，并为工程中系统的选择提供了理论支持。
关键词：辐射供冷，置换通风
0. 引言
目前，我国建筑总能耗约占国民经济能耗的27.6%，夏季空调能耗，约占建筑总能耗的85%[1]。辐射板供冷方式不仅节约能源，且能让人体感觉舒适。同时结合置换通风的方式既解决了新风问题和辐射冷板结露问题，又降低了室内空气的竖直温度梯度，改善了热舒适性，工作区的气流速度也较常规全空气系统低。空气处理能耗因送风量减少而大大降低，且夏季冷板供冷温度也较高，可使系统的总能耗降低。
1.辐射供冷、置换通风独立系统分析
1.1 辐射供冷方式利与弊
一般而言，辐射供冷中，辐射换热量要占总换热量的50%以上。其具有以下优点：
1) 舒适性强：一般认为，舒适条件下人体产生的热量，大致以这个比例散发：对流散热30%、辐射45%、蒸发25%。辐射供冷在夏季降低维护结构表面温度，加强人体辐射散热份额，提高了舒适性。
2) 节能，转移峰值耗电，提高电网效率，减少环境污染：由于辐射供冷使用的水温高于常规空调系统，为采用地下水等天然冷热源提供了条件。同时热泵/制冷机蒸发温度的提高增大了其制冷系数，提高了效率，有利于家用热泵/制冷机等设备的开发利用；辐射供冷的峰值耗电量是全空气系统的27%左右[7]，调峰作用明显。辐射供冷的冷媒温度较集中空调系统的高，可采用低温的地面水、地下水、太阳能、地热（冷）等自然冷热源，提高了节能性，能够减少环境污染。
3) 辐射换热具有“自调节”功能：由于地板和房间的壁面、顶棚有辐射换热，起到冷壁的效果，而维护结构的热容量大，所以短暂的门窗开启对室内温度场的影响不大；而且辐射换热具有“自调节”功能，当维护结构和室内热源温度升高时，根据辐射换热的四次方定律可知，能自动加大辐射换热量(供冷量)。有研究表明，当玻璃穹顶温度达到50℃时，供冷能力可升至100～150W/m2[8]。
4) 提供了另一种末端系统形式：为目前夏季供冷的居住建筑，提供了又一种可能的末端系统形式，改变了原来只能选用风机盘管或小型集中送风系统的情况。
5) 有利于系统形式和布置方式的优化：传统的空调系统，以空气为冷媒，风管截面大，占用较大的建筑空间，有时还会与建筑的梁相冲突而难以布置。采用辐射供冷有利于系统形式和布置方式的进一步优化。
但是，单独使用此方式供冷也会存在一定的弊端：
1) 表面易结露：在单纯的辐射供冷中，可以认为辐射对空气是透明的，空气温度的下降主要通过辐射板以及其他内墙之间的自然对流换热，但没有除去室内余湿的作用，当室内余湿较大或人在室内停留时间较长时，会感觉闷热。在稳定状况下，地板表面温度一般在19-20℃，室内温度在24℃左右，所以当湿度高于70%时就有可能在地板上结露。
2) 辐射供冷能力有限：由于露点温度的限制，加上表面温度太低，会影响人的舒适感，所以限制了辐射供冷的供冷能力。
3) 空气品质问题：在潮湿地区，室外空气进入室内会增大结露的可能性，因此要求门窗尽可能密闭，影响自然通风。在不使用风系统时，室内空气流速太低，如果温度达不到要求，会增加闷热感。
1.2 置换通风方式的利与弊
置换统风的优点主要表现在以下几个方面：
1) 环境舒适性改善。热源发生的热量可通过热对流作用自然向上，有效排出房间；向工作区扩散的热量仅为一小部分，热负荷的增减对工作区的影响较小；送风口设置较低，人手可及，能随个人要求调节出风量，满足个人的舒适性要求。
2) 运行方面的经济性。夏季送风温度比常规方式有所提高，制冷剂蒸发温度高，制冷机效率高，过度季节能利用的新风供冷的时间较常规系统长，故制冷机运行时间可缩短。
3) 室内布置较灵活。与混合通风相比，置换通风的风量减少，因此风道所需空间减少，建筑面积使用率可提高。
2.辐射供冷与置换通风复合系统的分析
鉴于顶板辐射供冷、置换通风独立系统的上述缺陷，辐射供冷通常要与某种形式的送风结合，将室外新风经过除湿处理后送入室内，既可解决新风问题，又可降低室内空气温度，并降低结露的风险。送风还可以承担一定的室内冷负荷，使得顶板辐射供冷在冷负荷较大的场合也能使用。 有数据表明，使用该系统时地面与室内空气的对流换热系数高出单独使用地板供冷时约45%，导致总换热量高出30%。
2. 1 地板辐射供冷加置换通风情况分析
以地面温度为20℃为例，由于地面温度低，室内温度分层较为明显，上部区域温度高，变化较小；下部区域温度低，变化大，有一个较大的垂直温度梯度。在靠近地板处的温度最低，随着高度的增加，温度逐渐升高，呈倒温度梯度分布。单纯的地板辐射供冷房间的气流组织非常微弱，只有室内的空气遇到热源的情况下，气流速度才会加大，置换通风的引入，不但为室内引入了新空气，还加强了气流的扰动，使室内空气动起来，室内空气的空气龄减小。但是送风口处温度较低且附近的冷空气厚度比大，这区域会使人感到有冷风，产生不舒适感。。
2.2 顶板辐射供冷加置换通风情况分析
冷却顶板通过提供低温辐射来冷却热源，产生对流热，通过对流换热冷却上层区域的空气，从而降低了室内空气温度梯度。因此冷却顶板的存在，不仅提高了室内工作人员的舒适性，也减轻了置换通风引起的垂直温差问题。但是，送风口及热源附近，垂直温度梯度仍然很大，只要远离这两个区域，房间内绝大部分区域的垂直温度梯度都很小。送风口处温度较低且附近的冷空气厚度比大，这区域会使人感到有冷风，产生不舒适感。
2.3 两种供冷方式的对比分析
地板辐射供冷加置换通风系统由于辐射板和新风的送风口都位于房间的底部,辐射板的存在加剧了置换通风形成的温度梯度。地板承担了主要的冷负荷，并且可以看出，地板辐射提供的冷量在该系统其主要作用。
而在顶板供冷加置换通风系统中，冷却顶板的存在，不仅提高了室内工作人员的舒适性，也减轻了置换通风引起的垂直温差问题。由于热气流的上升作用，在顶板辐射供冷中，对流作用在承担室内冷负荷中所占的比重比地板辐射供冷大。
3.综述
本章分析了两种不同的辐射供冷方式，通过分析发现，顶板辐射供冷加置换通风房间内的温度分布最舒适，最佳的搭配方式。从经济和舒适两方面而言，提高送风速度都是不必要的。在此基础之上，可以在今后的工作中根据辐射板不同温度、送风的不同速度和温度等情况,对此系统做出定量的分析，以期给出最佳的运行工况。
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