冷却顶板空调系统分析

摘要： 从理论上对冷却吊顶空调系统的结构、换热计算及空气处理过程进行了分析，并对其结构设计提出了一些改进意见。

关键词： 冷却顶板 结构 对流 辐射

1. 概述 冷却顶板空调系统主要靠冷辐射面提供冷量。目前国外已有许多专家学者对冷却吊顶空调系统进行了大量的理论和实验研究，主要包括该系统的设计方法、室内热环境及其控制方法、系统的能耗指标等。而且，在德国和北欧已有很多应用冷却吊顶空调系统的工程实例，冷却吊顶设备也不断地更新换代，该系统大有替代传统全空气空调系统的趋势。本文从理论上对冷却吊顶空调系统的结构、换热计算及空气处理过程进行了分析，并依据换热分析结果对冷却吊顶的结构设计提出了一些改进意见。

2. 冷却顶板的结构分析 冷却顶板水管与金属顶板可以制作成一体，直接形成一顶板单元(见图1a)，或者通过传热片把水管和金属顶板联结起来，形成一吊顶单元(见图1b)，另外水管也可以以毛细管的形式镶嵌在顶板内，组装成一安装单元(见图1c)。

一体式结构复杂，工期较长，不能保证质量；镶嵌式需要较高的机械工艺成本较大另外对水质要求较高；而单元式可以以产品的形式在工厂内部进行组装，效率较高质量有保证，所以建筑业和现代工业的不断发展，单元式应该是今后发展的趋势。图2即为笔者曾经参与设计的冷却顶板结构形式，图3为其正视图放大图。

该系统水管紧贴顶板，为了保证水管与顶板紧密结合，每根管分别由管槽压紧，管槽与顶板之间的连接方式采用闪光对焊形式的点焊机点焊，不影响顶板外表面美观，这些工艺都在工厂内进行。

顶板单元之间的联结方式可以采用两端带接头的柔性软管连接，或者根据水管材料不同，若水管为塑料管，如PR、PR－T等管材，采用电热熔焊方式较好；若水管为铜管，采用直接焊接方式也可接受，为满足防火需要，可采用无明火的高频焊机焊接方式。

3. 冷却顶板系统换热分析 冷却顶板的传热有两种形式，即辐射和自然对流。两者的传热比例取决于顶板的物理特性以及顶板附近的空气流动形式，其比值大小很难通过仪器测量直接得出，但是我们可以通过所建模型的分析估计该比值的范围，为空调系统的设计提供参考。

在同样的供水温度下，由于冷却顶板结构不同，传热效果不同。不同形式的冷却顶板表面温度是不一样的，显然，相比较来说，供水到冷却顶板表面的热阻小时，具有更强的优势，这样在顶板表面温度相等的情况下，供水温度可适当提高，提高了制冷机组的COP值，同时减轻结露的危险，一般情况下当供水温度为16°C时，表面平均温度为17.5°C，是可以接受的。

现取一模型房间，已知条件如下：

辐射顶面ts＝17.5°C，室内tN＝26.0°C，周围墙壁温度tq＝29°C，地面温度td=29°C。取模型空间几何尺寸：长×宽×高＝3.3m×6.6m×2.9m。

3.1　单位面积顶板辐射换热量计算：

其冷却顶板表面发射率ε1＝0.9，墙体和地面发射率ε2＝0.8，组成封闭腔的表面间的辐射换热量计算公式为：

式中：

F1＝21.78　m2，F2=79.2　m2

所以：

3.2　单位面积顶板对流换热量计算：

对流采用水平放置冷面朝下的自然对流计算公式。

特性尺度

由定性温度tm确定空气的物性值：tm=(17.5+26)/2=21.8°C

查得空气的物性参数：

λf=2.6×10-2 W/(m. °C)；ν＝15.26×10-6；Pr=0.703；

；

，属于紊流状态。

由文献（1）查表7-6，得下式中的C＝0.15，n＝1/3，则：

3.3　计算结果分析：

由以上计算，可知总换热效率为：

其中，辐射换热约占总换热的65%，对流换热约占总换热的35%。由于冷却顶板具有噪音很少，舒适度高等优点，可以适用于高档住宅及高档写字楼等场所。

4. 空气处理过程分析 冷却顶板只能除去显热负荷，无法除去湿负荷，因此冷却顶板设计中有一点是不容忽视的，即在一定的空气状态下，当整个制冷系统处于温度最低点时，冷却顶板表面温度可能会降到室内空气露点温度以下，从而出现结露的危险。因此，为避免结露，应通过调节水系统或空气系统，使供水温度高于空气露点温度。出于此种考虑，供水温度一般为16℃左右，对相对湿度较高的送风进行除湿处理，使其露点温度低于14℃。

空气的除湿过程有两种方式，一是采用传统的空调方式，即送风由冷水盘管或制冷剂直接蒸发进行冷却除湿，盘管表面温度必须低于送风露点温度以进行除湿处理，空气经过此处理过程后会过冷，因此在送入室内之前往往需要进行再热处理；另一种方法是采用转轮硅胶除湿器进行除湿处理，因而比较适用于送风温度相对而言比较高时需要去湿的场合。单独采用第一种方式，由于空气处理后过冷，还需要进行热处理，显然不是节能之举。对于第二种方式，由于除湿时潜热转换为显热，送风温度过高，也不适用于一般空调系统。因此，可以采用两种方式的综合，其空气处理过程及焓湿图如图4、图5所示。

空气通过转轮硅胶除湿器后，温度上升，一部分进入供水为16°C的冷水盘管，由感温器控制其开启程度，然后与旁通的一部分混合。达到送风状态点O，送风温度和室内温度相同取26°C。冷却顶板承担建筑冷负荷等所有的显热负荷，冷水盘管承担新风负荷和其它的潜热负荷。具体送风方式可以采用侧送风或孔板送风，以便在顶板表面形成一层相对干燥的空气贴附保护层，阻止下部吸收了热量特别是潜热而对流上升的空气与顶板的直接接触，促使顶板一直在干燥状态下运行，减少细菌滋生的机会，延长吊顶的使用寿命。

5. 结论 通过以上的分析，我们可以得出以下结论：

5.1 进行冷却顶板结构设计时，尽量减少供水与顶板表面之间的热阻，采用单元式冷却顶板，可以减少安装时间保证顶板质量。

5.2 根据算例，在自然对流的情况下，单位面积换热量大约为88.98W/m2其中辐射换热约占总换热的65%，对流换热约占总换热的35%，采用强制对流，增大顶板表面和内墙表面发射率，其换热效率增加是显而易见的。

5.3 对于送风方式应采用先由转轮硅胶除湿器除湿，然后通过冷却盘管的一部分和旁通的另一部分混合达到与室内等温的送风状态，并且保证在顶板表面形成一层干燥的空气保护层，这样具有较高的舒适度，可以有效解决顶板的结露问题，减少细菌滋生的机会。

参考文献： 1.陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1994

2.章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，1993

3.姚仲鹏，王瑞君，张晖.传热学.北京：北京理工大学出版社，1995

4.马最良，姚扬.民用空调设计手册.北京：化学工业出版社，2003

5.马丽颖，马景骏，马最良.制冷与空调.2003，5（3）37－40