辐射冷房 热负荷模拟器 返回
空调·HVAC

辐射冷房 热负荷模拟器

用于天井安装冷面板的辐射冷房(辐射冷却、冷吊顶)设计工具。改变室内温度、面板表面温度、相对湿度,可实时了解冷房能力和负荷覆盖率,以及辐射冷房最重要的"是否会结露"。

参数设置
室内温度 T_room
°C
要维持的室内空气温度
面板表面温度 T_panel
°C
天井面板的表面温度。越低能力越大,但结露风险增加
室内相对湿度 RH
%
决定露点温度。越高越容易结露
面板面积 A_panel
天井安装的辐射面板总面积
室内冷房负荷 Load
W
室内需处理的显热负荷(人体、设备、日射等)
计算结果
冷房能力 q (W/m²)
面板总能力 Q (W)
负荷覆盖率 (%)
露点温度 T_dp (°C)
结露余裕 (°C)
所需面板面积 (m²)
辐射冷房 室内断面图 — 辐射热流

天井冷面板向下辐射冷却,从人体、地面吸收辐射热。左上露点指示灯为绿色则安全,红色则面板结露。

冷房能力 vs 面板温度
负荷覆盖率 vs 面板面积
理论·主要公式

$$q=h\,(T_{room}-T_{panel}),\qquad Q=q\,A$$

单位面积冷房能力 q [W/m²] 和面板总能力 Q [W]。h:总合热传递率,A:面板面积。h≈11 W/m²K 为辐射(约5.5)和自然对流(约5.5)之和,对应EN 14240的量级,作为恒定值处理。

$$p_v=\frac{RH}{100}\,p_{sat}(T_{room}),\qquad p_{sat}(T)=611.2\,e^{17.62\,T/(243.12+T)}$$

Magnus公式的饱和水蒸气压 p_sat [Pa] 和实际水蒸气分压 p_v。RH:相对湿度。反解该式可得露点温度 T_dp。

$$T_{panel}\gt T_{dp}\quad(\text{防止结露})$$

辐射冷房面板必须始终高于室内空气的露点温度 T_dp。如果低于露点,面板表面水蒸气会凝聚,导致结露、水滴落下、霉菌滋生。冷房能力(显热)和露点约束(防结露)的双重条件同时满足是设计要点。

什么是辐射冷房

🙋
"辐射冷房"与普通空调有什么不同?听说天井要贴冷面板?
🎓
好问题。普通空调是吹冷风循环室内空气的"对流冷房"。而辐射冷房是在天井或墙面贴低温面板,让该面板直接从人体、地面、家具等吸收辐射热。几乎不产生气流。冬天地暖的冷房版,这样理解比较好。靠近冷面板时,自己身体散发的红外线被面板"嗖"地吸收,那种凉爽感就是辐射冷房。
🙋
那如果把面板降得特别冷,岂不是能冷却很多?左边"面板表面温度"降低的话,冷房能力 q 不是一直上升吗?
🎓
这正是辐射冷房最大的陷阱。确实 q = h·(T_room − T_panel) 中面板越冷能力越大。但把面板降得太冷,空气中水蒸气会在面板表面冷凝——"结露"。冷水杯外壁会冒水珠,道理一样。天井面板滴水漏水,还会长霉菌。所以必须维持在露点温度之上,这是绝对约束。
🙋
露点温度……左边"相对湿度"上升的话,结果卡的 T_dp 也上升了。湿度高就容易结露对吧?
🎓
完全正确。露点是"把空气冷却到水蒸气开始液化的温度"。湿度高的空气含水蒸气多,冷得稍微一点就开始结露——也就是露点高。默认设置室温27℃、湿度55%的话露点约17.2℃。面板设到18℃,结露余裕才0.8℃,非常紧张。把湿度改到70%试试。露点会一下子上升,面板18℃就会判定为结露。
🙋
要防结露,面板温度要升高,那冷房能力就不足了。负荷覆盖率是用来看这个的吗?
🎓
完全说对了。负荷覆盖率 = 面板总能力 ÷ 室内冷房负荷。100%就是辐射冷房够了。但不结露的范围内面板温度顶多17〜18℃,单位面积能力限于60〜100 W/m²左右。负荷大或面板面积小的话,100%达不到。所以实务中"辐射冷房+除湿通风机混合方式"是标准做法。
🙋
通风侧处理湿气的话,室内露点会降低,面板就能降得更冷……这样良性循环呢。
🎓
完美理解。通风侧(一次空调)处理外气的湿气——潜热,把室内湿度降下来,露点就降低。这样辐射面板能更低温,显热处理能力就上升。角色分工配合得很好。本工具里试试先降湿度再降面板温度,数字就能看出这个关系。辐射冷房设计是"能力"和"结露"的双正面作战——两边同时盯着。这就是窍门。

常见问题

冷吊顶(天井辐射冷房)的单位面积冷房能力用 q = h·(T_room − T_panel) 求得。h 为辐射和自然对流合并的总合热传递率,本工具按 EN 14240 的量级,采用 h≈11 W/m²K(辐射约5.5+对流约5.5)的恒定值。T_room 为室内温度,T_panel 为面板表面温度。面板全体能力为 Q = q·A(A 为面板面积)。例如室温27℃、面板18℃时 q=99 W/m²,20m² 时 Q=1980 W。
当面板表面温度低于室内空气的露点温度时,面板表面的水蒸气会凝聚并结露。露点可用 Magnus 公式求得,室内相对湿度越高,露点越高。辐射冷房最重要的约束是必须保证"面板温度 > 露点温度"。防止方法有:(1) 不要过度冷却面板(缩小与室温的温差),(2) 通过通风、除湿降低室内相对湿度来降低露点,(3) 用露点传感器自动控制面板供水温度。本工具显示结露余裕(面板温度−露点),0℃以下为结露。
在不结露的范围内,面板温度无法降得太低,因此辐射冷房的单位面积能力通常上限为60〜100 W/m²左右。当室内冷房负荷大或面板面积小时,负荷覆盖率无法达到100%。所需面板面积用 A_req = Load / q 求得,超出可安装天井面积时,通常采用"辐射+通风混合方式",即辐射冷房与外气处理空调机组合。通风侧负责潜热(湿气)和新鲜空气,辐射侧负责显热(温度)。
普通空调是吹出冷空气循环室内空气的"对流冷房"。而辐射冷房是低温面板直接从人体、家具、地面吸收辐射热的"辐射冷房",几乎不产生气流。优点是无冷风感(不舒适感)、静音、温度均匀性好、低室温设定也感觉凉爽(因平均辐射温度下降)。缺点是响应慢,需要单独的除湿系统和湿度处理。本工具重点关注辐射侧的显热能力和结露风险。

实际应用

办公楼·公共建筑:天井辐射冷房在欧洲广泛应用于办公楼、图书馆、机场、美术馆等。因为静音无气流,文件和展品不会被吹动,温度均匀分布舒适。多数情况下,天井安装冷梁(辐射+诱导对流复合面板)或毛细管垫,与外气处理空调机(DOAS)组合,分担显热和潜热。

住宅辐射冷暖房系统:地面、天井、墙面埋管,夏季通冷水、冬季通热水的辐射式冷暖房在高断热住宅中越来越普及。冷房时结露是最大课题,需要用通风除湿控制室内湿度,并根据露点自动调节供水温度。

数据中心·服务器室局部冷却:在高发热密度的机架上部安装辐射接触冷却面板,能在减少送风风扇电力和噪音的同时冷却设备。但露点管理需要更加严格,仅在湿度低且受控的专用空间才能使用低温面板。

HVAC设计初期评估和CAE:详细的CFD(数值流体解析)模拟室内温度、气流、辐射场之前,用本工具这样的热平衡概算来"面板面积是否够"、"结露余裕有多少"做初步判断。概算结露余裕为负数,说明在跑CFD前应该重新检查湿度设计。

常见误解和注意点

最大的误解就是"只要冷房能力足够就设计完成"的想法。辐射冷房只能处理显热(温度),完全处理不了湿气——潜热。再怎么降面板温度增加冷房能力,如果室内湿度高,露点就会超过面板温度而结露。本工具独立显示结露余裕数值正是这个原因。冷房能力和结露防止是两个独立的约束,必须同时满足才能成立的设计。湿度处理一定要用通风、除湿等单独系统来保证。

其次"只从定常状态能力看,忽视湿度变化"。本工具处理的是定常热平衡,但实际室内湿度会因人员进出、门窗开关、外气侵入、降雨等而时刻变动。即使晴天时设定结露余裕0.8℃运行,突然下雨外气湿度大幅上升,露点一下子升高,那瞬间面板就结露了。实机中必须装露点传感器,用反馈控制把面板供水温度始终维持在露点+1〜2℃以上。固定温度运行太危险。

最后"把总合热传递率 h 当成恒定值"这一点。本工具采用 h≈11 W/m²K 恒定值,但这只是天井冷吊顶的代表量级。实际的 h 会因为面板在天井、墙面还是地面(对流分量会大幅变化)、面板表面辐射率、室内平均辐射温度、家具遮蔽视野等而变动。地面辐射冷房冷气容易沉底对流减弱,同样温差下能力反而比天井式小。最终设计要用 EN 14240 等规格试验值和厂商能力曲线,本工具仅作概算和教育用途。

使用指南

  1. 输入室内设定温度(trNum)为20~28°C范围,设置目标冷房负荷(trRange)为W/m²单位
  2. 指定辐射面板表面温度(tpNum)为16~24°C范围,输入面板有效面积(apNum)为m²单位
  3. 设置室内相对湿度(rhNum)为30~70%范围,点击模拟运行按钮,立即计算出冷房能力q、面板总能力Q、负荷覆盖率、露点温度T_dp、结露余裕

具体计算示例

办公楼天井辐射冷房系统,室内温度25°C、相对湿度55%、面板表面温度18°C、面板面积150m²的情况。应用辐射热交换系数h_r=5.5W/(m²·K),得单位面积冷房能力q=38.5W/m²,面板总能力Q=5,775W。室内露点温度为13.9°C,与面板表面的结露余裕为4.1°C,确保安全范围。

实务注意事项