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摘要：從理論上對冷卻吊頂空調系統的結構、換熱計算及空氣處理過程進行了分析，并對其結構設計提出了一些改進意見。

關鍵詞：冷卻頂板結構對流輻射

1.概述

冷卻頂板空調系統主要靠冷輻射面提供冷量。目前國外已有許多專家學者對冷卻吊頂空調系統進行了大量的理論和實驗研究，主要包括該系統的設計方法、室內熱環境及其控制方法、系統的能耗指標等。而且，在德國和北歐已有很多應用冷卻吊頂空調系統的工程實例，冷卻吊頂設備也不斷地更新換代，該系統大有替代傳統全空氣空調系統的趨勢。本文從理論上對冷卻吊頂空調系統的結構、換熱計算及空氣處理過程進行了分析，并依據換熱分析結果對冷卻吊頂的結構設計提出了一些改進意見。

2.冷卻頂板的結構分析

冷卻頂板水管與金屬頂板可以制作成一體，直接形成一頂板單元(見圖1a)，或者通過傳熱片把水管和金屬頂板聯結起來，形成一吊頂單元(見圖1b)，另外水管也可以以毛細管的形式鑲嵌在頂板內，組裝成一安裝單元(見圖1c)。

一體式結構復雜，工期較長，不能保證質量；鑲嵌式需要較高的機械工藝成本較大另外對水質要求較高；而單元式可以以產品的形式在工廠內部進行組裝，效率較高質量有保證，所以建筑業和現代工業的不斷發展，單元式應該是今后發展的趨勢。圖2即為筆者曾經參與設計的冷卻頂板結構形式，圖3為其正視圖放大圖。

該系統水管緊貼頂板，為了保證水管與頂板緊密結合，每根管分別由管槽壓緊，管槽與頂板之間的連接方式采用閃光對焊形式的點焊機點焊，不影響頂板外表面美觀，這些工藝都在工廠內進行。

頂板單元之間的聯結方式可以采用兩端帶接頭的柔性軟管連接，或者根據水管材料不同，若水管為塑料管，如PR、PR－T等管材，采用電熱熔焊方式較好；若水管為銅管，采用直接焊接方式也可接受，為滿足防火需要，可采用無明火的高頻焊機焊接方式。

3.冷卻頂板系統換熱分析

冷卻頂板的傳熱有兩種形式，即輻射和自然對流。兩者的傳熱比例取決于頂板的物理特性以及頂板附近的空氣流動形式，其比值大小很難通過儀器測量直接得出，但是我們可以通過所建模型的分析估計該比值的范圍，為空調系統的設計提供參考。

在同樣的供水溫度下，由于冷卻頂板結構不同，傳熱效果不同。不同形式的冷卻頂板表面溫度是不一樣的，顯然，相比較來說，供水到冷卻頂板表面的熱阻小時，具有更強的優勢，這樣在頂板表面溫度相等的情況下，供水溫度可適當提高，提高了制冷機組的COP值，同時減輕結露的危險，一般情況下當供水溫度為16°C時，表面平均溫度為17.5°C，是可以接受的。

現取一模型房間，已知條件如下：

輻射頂面ts＝17.5°C，室內tN＝26.0°C，周圍墻壁溫度tq＝29°C，地面溫度td=29°C。取模型空間幾何尺寸：長×寬×高＝3.3m×6.6m×2.9m。

3.1單位面積頂板輻射換熱量計算：

其冷卻頂板表面發射率ε1＝0.9，墻體和地面發射率ε2＝0.8，組成封閉腔的表面間的輻射換熱量計算公式為：

式中：

F1＝21.78m2，F2=79.2m2

所以：

3.2單位面積頂板對流換熱量計算：

對流采用水平放置冷面朝下的自然對流計算公式。

特性尺度

由定性溫度tm確定空氣的物性值：tm=(17.5+26)/2=21.8°C

查得空氣的物性參數：

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

；

，屬于紊流狀態。

由文獻（1）查表7-6，得下式中的C＝0.15，n＝1/3，則：

3.3計算結果分析：

由以上計算，可知總換熱效率為：

其中，輻射換熱約占總換熱的65%，對流換熱約占總換熱的35%。由于冷卻頂板具有噪音很少，舒適度高等優點，可以適用于高檔住宅及高檔寫字樓等場所。

4.空氣處理過程分析

冷卻頂板只能除去顯熱負荷，無法除去濕負荷，因此冷卻頂板設計中有一點是不容忽視的，即在一定的空氣狀態下，當整個制冷系統處于溫度最低點時，冷卻頂板表面溫度可能會降到室內空氣露點溫度以下，從而出現結露的危險。因此，為避免結露，應通過調節水系統或空氣系統，使供水溫度高于空氣露點溫度。出于此種考慮，供水溫度一般為16℃左右，對相對濕度較高的送風進行除濕處理，使其露點溫度低于14℃。

空氣的除濕過程有兩種方式，一是采用傳統的空調方式，即送風由冷水盤管或制冷劑直接蒸發進行冷卻除濕，盤管表面溫度必須低于送風露點溫度以進行除濕處理，空氣經過此處理過程后會過冷，因此在送入室內之前往往需要進行再熱處理；另一種方法是采用轉輪硅膠除濕器進行除濕處理，因而比較適用于送風溫度相對而言比較高時需要去濕的場合。單獨采用第一種方式，由于空氣處理后過冷，還需要進行熱處理，顯然不是節能之舉。對于第二種方式，由于除濕時潛熱轉換為顯熱，送風溫度過高，也不適用于一般空調系統。因此，可以采用兩種方式的綜合，其空氣處理過程及焓濕圖如圖4、圖5所示。

空氣通過轉輪硅膠除濕器后，溫度上升，一部分進入供水為16°C的冷水盤管，由感溫器控制其開啟程度，然后與旁通的一部分混合。達到送風狀態點O，送風溫度和室內溫度相同取26°C。冷卻頂板承擔建筑冷負荷等所有的顯熱負荷，冷水盤管承擔新風負荷和其它的潛熱負荷。具體送風方式可以采用側送風或孔板送風，以便在頂板表面形成一層相對干燥的空氣貼附保護層，阻止下部吸收了熱量特別是潛熱而對流上升的空氣與頂板的直接接觸，促使頂板一直在干燥狀態下運行，減少細菌滋生的機會，延長吊頂的使用壽命。

5.結論

通過以上的分析，我們可以得出以下結論：

5.1進行冷卻頂板結構設計時，盡量減少供水與頂板表面之間的熱阻，采用單元式冷卻頂板，可以減少安裝時間保證頂板質量。

5.2根據算例，在自然對流的情況下，單位面積換熱量大約為88.98W/m2其中輻射換熱約占總換熱的65%，對流換熱約占總換熱的35%，采用強制對流，增大頂板表面和內墻表面發射率，其換熱效率增加是顯而易見的。

5.3對于送風方式應采用先由轉輪硅膠除濕器除濕，然后通過冷卻盤管的一部分和旁通的另一部分混合達到與室內等溫的送風狀態，并且保證在頂板表面形成一層干燥的空氣保護層，這樣具有較高的舒適度，可以有效解決頂板的結露問題，減少細菌滋生的機會。

參考文獻：

1.陸耀慶.實用供熱空調設計手冊.北京：中國建筑工業出版社，1994

2.章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學（第二版）.北京：中國建筑工業出版社，1993

3.姚仲鵬，王瑞君，張暉.傳熱學.北京：北京理工大學出版社，1995

4.馬最良，姚揚.民用空調設計手冊.北京：化學工業出版社，2003

5.馬麗穎，馬景駿，馬最良.制冷與空調.2003，5（3）37－40