建筑冷梁系统性能与系统设计

一、冷梁送风系统的工作原理

冷梁送风系统在室内负荷热交换及热能传送方式上相当于一个气水并行系统。冷梁送风口(以下简称冷梁)是借由空间的热负荷(包括人体)和冷梁面板间的温差所产生“对流”以及“辐射”效应进行热交换，同时冷梁送出干冷空气也有助于人体皮肤表面的蒸发冷却，因此冷梁是一个结合冰水提供冷能控制温度和利用送风温差形成对流循环及水蒸气压力差所建立的空调送风系统。

冷梁是一种干盘管， 其主体是一个翅片式冷水盘管，可让空气穿越翅片以达到冷却效果，左右有铝壳支撑，看起来就象是横梁一样。

依据是否有室外空气供给，冷梁分为主动式冷梁和被动式冷梁两种形式。

主动式冷梁是指空气循环动力由外部强制送风供给，在冷梁内部形成空气诱导过程，利用强制对流造成空气与盘管间的传热的设备。 主动式冷梁主要由外壳、喷嘴、一次空气连接管、换热器(即盘管)、面板等几部分构成。 其夏季空气处理过程为： 来自室外且经空调箱处理过的干冷一次空气以较高的速度经喷嘴喷出，进入到冷梁中，根据文丘里效应，当高速流动的气流通过阻挡物时，在阻挡物的背风面上方端口附近会形成负压，从而产生吸附作用，诱导室内低速的二次空气经过冷盘管。 冷却后的空气和主气流混合形成速度足够大的混合空气，其温度低于房间温度。 混合空气通过两个封闭的导流槽形成贴附射流，沿着吊顶流动，然后进入到房间中冷却室内空气。 经过相同的循环，房间的热量被冷却盘管带走，从而起到了制冷的作用。 冬季换热器中流动的是热水，冷梁起到了制热的作用。 其原理图见图1。

主动式冷梁体积小，结构紧凑，可显著节省建筑空间(尤其在高度方面)，且每台冷梁自带送、回风口，使吊顶整齐美观，简洁明快，末端在干工况下工作，新风分布均匀，明显提高了室内空气品质和热舒适性，设备本身无任何运转部件，室内噪声极低，使工作环境大大改善。另外，主动式冷梁的盘管下一般都配有凝水盘，一旦冷水温度低于露点温度产生结露，凝结水可由凝水盘收集。

被动式冷梁系统是一种集制冷换热功能于一体的空调系统，主要用于排走室内大部分显热负荷，同时还需要一个单独的一次空气系统进行通风和调节湿度。被动式冷梁主要由箱体、孔板面板和带法兰及铝制肋片的水盘管等部分构成，通常悬吊在天花板上方，通过自然对流来供冷。该冷梁系统集舒适、低噪音、节能和低维护的优点于一体。其原理图见图2。

被动式冷梁的优点和主动式冷梁近似，在冷梁盘管中使用较高温度的循环冷水，主机在较高的冷水温度下运行，可以提高能效比和降低能量损耗。同时，被动式冷梁系统的新风仅仅用来调节湿度，可以节约大量的集中处理机组的电能，进一步达到节能的效果。但是，由于被动式冷梁主要依靠自然对流来使气流通过盘管，单位制冷能力取决于盘管的换热能力，其性能比主动式冷梁要低。并且，当机体安装位置不合理时可能会使冷风直接吹到其下面的物体上，产生吹风感。

二、冷梁送风系统的特点

2.1 冷梁送风系统的优点：

(1)能力范围广，冷梁具有较高的冷却和加热能力。

(2)安装简易，冷梁设备能轻易地融合到各种材料的吊顶中去。

(3)低噪音，经过特殊处理的喷嘴在产生最大效应的同时保持了最小的噪音。

(4)无电机，节省能源。

(5)适应性，冷梁设备可以有不同的长度和宽度，这就使冷梁几乎适用 于所有吊顶。

2.2 冷梁送风系统的缺点：

(1)初投资较高，失控时会产生冷凝水。

(2)外墙结构的设计应避免因气密性不良造成室外湿热的空气渗入与冷梁接触产生冷凝现象。

(3)因冷梁系统的盘管为干盘管，在室内潜热负荷比较大的场所有冷凝风险。

(4)对室内换气次数要求较高或室内污染源较多的地方的场所不宜使用 冷梁系统。

三、冷梁送风系统的设计

3.1 冷梁的空气处理

冷梁系统的一次空气通常是新风，必要时可以使用部分回风，采用新回风混合可以节省能量。但采用回风后，风管系统会比较复杂，投资增加，使用回风的经济性并不明显，故工程中大多不设回风管。冷梁系统一般可采用高速送风，故机房尺寸和管道断面比全空气系统小(管道断面仅为全空气系统的1/3)，节约建筑空间，能保证每个空调区的新风需求，卫生情况好。冷梁系统的新回风混合的空气处理过程如图3：

首先室外新风与室内回风混合得到状态点Q ，由混合点Q 冷却到机器露点K；由送风温差Δt 0 沿室内等湿线得到送风状态点O，状态点K 与O 混合至点C ，沿室内空气热湿比线到达室内状态点N。

冷梁的设计步骤：

(1)在焓湿图上过室内状态点N ，再由送风温差Δt 0确定送风状态点O。

(2)由新回风混合比例，得到混合后点Q，Q K为新回风混合后的处理过程，混合后的风须要承担的湿负荷为：W=L m(d n-d k)，d k为含湿量，d n为

新回风混合后的空气质量，由上式得到d k，K点为L m与U=95%的交点。

(3)诱导比：

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(5)根据一次空气量和诱导比及生产厂家提供的产品样本选择型号合适的冷梁，并根据冷梁的热效率对换热器的供冷量进行校核。

3.2 冷梁配水系统的控制

输配水系统是冷梁系统的一个重要组成部分。以主动式冷梁为例，由于空调箱的冷冻水与冷梁的冷冻水的温度不同，相差较大，所以需要两套冷水机组，即高温冷水机组和低温冷水机组，考虑较好的制冷效果，两套冷水机组的供回水温度分别为：7℃/12℃，16℃/19℃。

针对文献中冷梁配水系统的控制图，发现其如果低温水机组发生故障时，其只能用高温水机组代替低温水机组，而其自身失 去应有的作用，即只有去空调箱的冷却水而没有去冷梁的冷却水。 经过改善后，不管哪个冷水机组发生故障，都能保证系统的稳定的运行。 其原理如图4所示：

正常情况下，两个机组都正常运行，阀门(1)(2)(3)(4)均关闭，循环泵A、B开启；当低温冷水机组出现故障时，用高温冷水水机组来带动整个系统的运行，阀门(2)(3)(4)开启，阀门(1)关闭，循环泵A、C开启；当高温冷水机组出现故障时，用低温冷水机组来带动整个系统的运行，阀门(1)(4)开启，阀门(2)(3)关闭，循环泵A、B开启。

正常情况下，高温水泵将16℃的高温冷冻水送入冷梁，在房间内吸收热量 后，回水温度升高，通过回水管进入集水器。 冷梁供水管安装有一个电动调节阀，由房间温控器控制电动调节阀的开启度，当房间温度高于设定值时，增大阀门开启度； 低于设定值时，减小阀门开启度，以维持房间内温度恒定。 诱导新风经过空气处理器处理后通过冷梁送入房间，由于室内办公人数变化不大，须要的新风量基本恒定，所以送风机采用定频运行。

3.3 冷梁预防结露控制系统

为了保证冷梁不产生结露，室内空气相对湿度一般控制在5 0 % 以下， 同时也需安装结露预防控制系统，如图5所示：

进水温度感应器测出进入冷梁的冷却水的温度t1，温度控制器通过测出室内空气温度t2，湿度然后计算出露点温度，t1与t2在冷吊顶控制器内进行比较得出偏差e =t1-t2，当偏差e 是负偏差时，则电动阀关闭，诱导空气停止冷却，室内温度升高，冷梁盘管处便不会结露。

3.4冷梁送风系统与其他系统形式的结合

在大型办公区域，可采用冷梁系统+风机盘管系统，通过冷梁来消除建筑内区的冷、热负荷并为办公区域提供充足的新风，在外区利用落地式风机盘管来消除窗户等围护结构的得热。同时，还可以使排风经过全热式能量回收机组对新风进行预处理(夏季降温除湿、冬季增温加湿)，处理后的新风再送入各层空调机房，由冷梁系统送入办公内区。目前冷梁与辐射吊顶空调系统结合也比较多，补充辐射吊顶的供冷不足。

四、小结

由于冷梁系统的安装方便、节能、提供更舒适健康的室内空气品质等各种优点，越来越多的被推广应用起来。根据安装的环境确定冷梁安装的最佳位置，使气流组织更加符合人体的舒适要求。冷梁系统的一次风可以是全新风，也可以是新风与部分回风的混合风。

冷梁系统的节能效果明显，由于提高了冷冻水供水温度，相应地提高了冷水机组的制冷系数COP值。 相关测试数据表明：当冷却水出水温度保持恒定时，水冷螺杆机组冷冻水出水温度每降低1℃，制冷量约下降5%，而制冷系数COP值将下降3%左右。

由于冷梁出风速度较小，空气循环相对较弱，导致室内的降温速度较慢，降温延时较长，所以须要提前开机运行。初投资较高，失控时会产生冷凝水，因此，如何有效探测、避免和控制制冷状态下吊顶的结露问题以及一旦失控时如何处理冷凝水是影响冷梁发展的重要问题。冷梁系统是一个新的课题，需要在实践中不断的探讨和完善，处理好冷梁的不足之处，冷梁的发展前景将会越来越好。