冷暖輻射空調(diào)的若干理念和合理

冷（暖）輻射空調(diào)的若干理念和合理應(yīng)用

北京市建筑設(shè)計(jì)研究院張錫虎

冷（暖）輻射空調(diào)的理念,最先可能來自歐洲。這個(gè)理念的出發(fā)點(diǎn),是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能問題。受太陽與地球相對(duì)位置變化的影響，會(huì)發(fā)生春夏秋冬四個(gè)季節(jié)環(huán)境溫度變化。例如:北京年最大溫差約可達(dá)50℃（從-15℃到35℃）。

但是,人體能適應(yīng)溫度的范圍大約為：較高標(biāo)準(zhǔn)18℃-28℃（溫差10℃）較差標(biāo)準(zhǔn)12℃-32℃（溫差20℃）改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，或者采用自然通風(fēng)等方法，使室外溫度對(duì)室內(nèi)溫度波動(dòng)的影響大幅度減小，縮短依賴人工冷熱源進(jìn)行采暖空調(diào)的周期，大大降低空調(diào)能耗。歐洲推出的冷（暖）輻射空調(diào)新理念，一定要基于建筑能耗極低的節(jié)能建筑。1）從熱舒適性指標(biāo)看冷（暖）輻射空調(diào)的優(yōu)勢(shì)

房間的熱舒適性并非單一與干球溫度有關(guān)，還與風(fēng)速、相對(duì)濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻和新陳代謝率等因素有關(guān)。

《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50019-2003

)

預(yù)計(jì)平均熱感覺指數(shù)（-1≤PMV≤+1）和預(yù)計(jì)不滿意者的百分?jǐn)?shù)（PPD≤27%）與風(fēng)速、相對(duì)濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻和新陳代謝率等因素有關(guān)。例如：當(dāng)上述因素取下值時(shí)夏季冬季風(fēng)速0.25m/s0.15m/s相對(duì)濕度60%40%平均輻射溫度比室溫高4℃與室溫相等服裝熱阻（clo）0.7（單衣）0.9（厚運(yùn)動(dòng)衫、毛線衫）新陳代謝率（met）1.01.0旅游旅館級(jí)別夏季冬季PPD%室溫PMV室溫PMV一級(jí)24℃024℃05二級(jí)25℃+0.3723℃-0.378三級(jí)25℃+0.5722℃-0.5712四級(jí)26℃+0.7222℃-0.7216

請(qǐng)?zhí)貏e注意到上表取值中的“平均輻射溫度”,即房間各表面的加權(quán)平均溫度,夏季取比室溫高4℃,冬季取與室溫相等。

夏季采用輻射供冷時(shí)，由于可以降低房間的平均輻射溫度，輻射溫度每降低1℃,約相當(dāng)于室內(nèi)干球溫度降低1℃的平均熱感覺指數(shù)。冬季采用輻射供暖時(shí)，由于可以提高房間的平均輻射溫度，輻射溫度每提高1℃,約相當(dāng)于室內(nèi)干球溫度提高1℃的平均熱感覺指數(shù)。

因此，采用輻射供冷或輻射供暖，可以在一定程度上得到節(jié)能和改善房間熱舒適性效果。但是，同任何事物一樣，輻射供暖特別是輻射供冷也有其一定的局限性。2）輻射供冷能承擔(dān)的冷負(fù)荷冷輻射要嚴(yán)格控制冷表面的結(jié)露，板面溫度應(yīng)不低于室內(nèi)設(shè)計(jì)工況的露點(diǎn)溫度（例如不低于20℃），因此只能負(fù)擔(dān)空調(diào)房間夏季空調(diào)的部分顯熱負(fù)荷。理論計(jì)算公式可采用

ASHRAEhandbook：(美國供暖制冷和空調(diào)工程師學(xué)會(huì)手冊(cè))★單位面積的總傳熱量

Q=QF+QL

★輻射傳熱量TF

輻射體表面平均溫度,K

TEP其他表面的加權(quán)平均溫度,K

★對(duì)流傳熱量地面(或頂板冷輻射）

QL＝2.17(tEP

－tN)1.31頂面（或地面冷輻射）

QL＝0.14(tEP

－tN)1.25

墻面

QL＝1.78(tEP

－tN)1.32

tEP

輻射體表面平均溫度,℃tN

室內(nèi)空氣溫度,℃室溫℃相對(duì)濕度％空氣露點(diǎn)溫度℃冷表面控制溫度℃輻射和對(duì)流熱量W/m2266018193850151652256017183750141551246016173750131451

地面輻射供冷的冷輻射量參考值

但是，冷輻射能夠?qū)嶋H吸收的熱量，為什么往往會(huì)大于上述按照“不結(jié)露”原則計(jì)算所得到的數(shù)值呢？這是因?yàn)榉块g的得熱量中，有相當(dāng)一部分（如日射、人體、燈光等）是輻射熱，可以直接和冷輻射表面之間進(jìn)行熱交換。

正如“得熱”應(yīng)區(qū)別于“負(fù)荷”一樣。進(jìn)入房間的輻射熱，并不立即轉(zhuǎn)化為使空氣溫度上升，而是首先被各個(gè)壁面所吸收。冷輻射直接進(jìn)行了這個(gè)換熱過程。因此，對(duì)于房間冷負(fù)荷構(gòu)成中，有較大比例輻射熱的，冷輻射能力會(huì)增大。得熱量與冷負(fù)荷房間得熱量不同于空調(diào)冷負(fù)荷。上世紀(jì)七十年代以前,曾將二者混為一談。

1978年8月20日,對(duì)京西賓館一間西向會(huì)議室測定:

房間最大得熱量為2777kcal/h

空氣最大得熱量即空調(diào)冷負(fù)荷為1429kcal/h

空調(diào)冷負(fù)荷占房間最大得熱量的51.46％房間得熱量中:

對(duì)流熱直接與室內(nèi)空氣換熱成為瞬時(shí)冷負(fù)荷。

輻射熱則被圍護(hù)結(jié)構(gòu)和家具等蓄熱體吸收,隨后再以對(duì)流形式放入室內(nèi),成為滯后的冷負(fù)荷。如果采用冷輻射,輻射熱就會(huì)直接被冷表面所吸收,不再以對(duì)流形式放入室內(nèi)。

輻射┌───┐┌─→│蓄熱體│─--┐┌────--┐│└───┘││房間得熱量├→││└--─---─┘││

2777│對(duì)流┌────┐

│└─→┤空氣├←┘└──┬─┘↓┌─────┐└→│空調(diào)冷負(fù)荷│└────--┘

1429室溫26℃、相對(duì)濕度60％、露點(diǎn)溫度18℃、表面控制溫度19℃其他表面加權(quán)平均溫度取值地板冷輻射（W/m2）頂板冷輻射（W/m2）輻射熱對(duì)流熱總熱量輻射熱對(duì)流熱總熱量與室溫相等35.91.637.535.927.863.7較室溫高1℃41.31.642.941.327.869.1較室溫高2℃46.71.648.346.727.874.5較室溫高3℃52.21.653.852.227.880.0較室溫高4℃57.61.659.257.627.885.4

但是，房間冷負(fù)荷構(gòu)成中輻射熱不同比例條件下的冷輻射能力，還沒有嚴(yán)密的理論計(jì)算方法。正如地面輻射供暖的負(fù)荷計(jì)算，仍沿用一般對(duì)流供暖方式的計(jì)算方法略加修正一樣，輻射供暖和輻射供冷的技術(shù)原理和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料環(huán)節(jié),仍處在認(rèn)識(shí)過程中，滯后于應(yīng)用，尚需要通過實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用不斷探索。3)冷（暖）輻射空調(diào)的方式

所謂冷（暖）輻射空調(diào)，一般采用將冷（熱）媒管道敷設(shè)于房間的地面、頂或墻面的方式。冬天通過熱媒水，形成熱輻射，夏天通過冷媒水，形成冷輻射。如果是地面的冷熱輻射，可稱為“冷暖地面”，如果是頂板的冷熱輻射，可稱為“冷暖頂棚”。

所謂“毛細(xì)管網(wǎng)”，也是冷（暖）輻射空調(diào)的一種形式。采用較一般地面輻射供暖加熱管較細(xì)的外徑為3-5mm的塑料管組成管網(wǎng)，或稱之為“席”，用砂槳將其抹在地面、頂或墻面內(nèi)?；蝾A(yù)制在不同材質(zhì)的天花板模塊內(nèi)，稱之為“吊頂毛細(xì)管模塊”。

其實(shí)，冷（熱）媒在管網(wǎng)內(nèi)的循環(huán)，同其他采暖空調(diào)水系統(tǒng)一樣，完全是依靠來源于系統(tǒng)循環(huán)水泵的機(jī)械循環(huán)動(dòng)力，根本不是真正意義上的毛細(xì)管作用。正如初期將這種特征的空調(diào)方式戲稱之為“告別暖氣空調(diào)時(shí)代”或“恒溫恒濕”一樣，帶有一定的商業(yè)炒作味道，暖通空調(diào)的業(yè)內(nèi)人士，大多并不認(rèn)同這種對(duì)專業(yè)術(shù)語的輕率命名。4）輻射供冷的除濕問題夏季的空調(diào)需要對(duì)空氣進(jìn)行減焓除濕。除濕過程以及補(bǔ)充輻射供冷承擔(dān)冷負(fù)荷的不足，只能依靠其他空氣處理手段。例如:①配置獨(dú)立新風(fēng)處理系統(tǒng)，將新風(fēng)的絕對(duì)含濕量處理到低于室內(nèi)設(shè)計(jì)絕對(duì)含濕量，例如：較室內(nèi)設(shè)計(jì)絕對(duì)含濕量低3g/kg，取新風(fēng)“送風(fēng)濕差”不小于3g/kg。這樣，處理后的新風(fēng)除了擔(dān)負(fù)新風(fēng)本身濕負(fù)荷和房間內(nèi)的散濕量以外,還可以擔(dān)負(fù)部分冷負(fù)荷。溶液除濕或冷卻除濕如果新風(fēng)只需要擔(dān)負(fù)新風(fēng)本身濕負(fù)荷和房間內(nèi)的散濕量,則有條件采用溶液除濕。如果新風(fēng)還需要擔(dān)負(fù)部分冷負(fù)荷,則宜采用冷卻除濕。

顯然，獨(dú)立新風(fēng)方式適用于熱、濕負(fù)荷較小的場合。而且，應(yīng)按照承擔(dān)除濕負(fù)荷確定所需最大新風(fēng)量，還應(yīng)該在除濕所需最大新風(fēng)量與衛(wèi)生要求所需最小新風(fēng)量（例如冬季）之間，采取有效的變風(fēng)量措施。②配置常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)，將輻射供冷設(shè)施作為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的補(bǔ)充。適用場合顯然廣泛多了。雖然只是一種“補(bǔ)充”，也可以不同程度減少常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的容量，由于節(jié)能和改善房間熱舒適性效果的優(yōu)勢(shì)，值得加以提倡。

奧運(yùn)籃球比賽場地——五棵松體育館的觀眾休息廳，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院就采用了這樣的設(shè)計(jì)。北京工業(yè)大學(xué)陳超教授等,在北京某辦公樓的大堂，實(shí)施了地板輻射冷熱聯(lián)供系統(tǒng)改造，2009年夏季實(shí)測結(jié)果表明，可在地板表面不凝露和送風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉的條件下，大堂空氣溫度維持在24.6-26.5℃范圍。5）不宜刻意作輻射供冷的配置有些工程需要設(shè)置地面輻射供暖(例如需要保證冬季溫度的高大空間)，在此前提下，完全可以“利用”現(xiàn)成的輻射供暖設(shè)施，在夏季供給適當(dāng)?shù)睦涿?，自然形成輻射供冷條件，何樂而不為呢？

如果本來就不需要或不適合設(shè)置輻射供暖，而輻射供冷所可以擔(dān)負(fù)的冷負(fù)荷在總冷負(fù)荷中的比例又很小時(shí)，刻意作輻射供冷的配置，就很可能會(huì)得不償失。因?yàn)?，配置地面、墻面或頂板的冷熱輻射，需要?duì)建筑裝飾或其他設(shè)施，提出多方面的限制,甚至要犧牲其他方面的功能,特別是建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高的公共建筑,從設(shè)計(jì)的整體往往很難完善實(shí)施。6）認(rèn)真對(duì)待冷媒問題

為充分發(fā)揮輻射供冷可以采用溫度較高冷媒的優(yōu)勢(shì),以及防止輻射供冷設(shè)施冷表面結(jié)露，應(yīng)通過認(rèn)真計(jì)算，合理確定和采取可靠技術(shù)措施控制冷媒溫度。而為保證獨(dú)立新風(fēng)處理系統(tǒng)或空調(diào)系統(tǒng)有足夠的除濕能力，又需要較低的冷媒溫度。應(yīng)從提高冷源設(shè)備效率的角度，認(rèn)真尋求合理的冷源系統(tǒng)配置方案。7）若干認(rèn)識(shí)問題①將輻射供冷的新風(fēng)下送風(fēng)方式，稱之為“置換通風(fēng)”，這偷換了暖通空調(diào)專業(yè)的理論概念。“置換通風(fēng)”的機(jī)理，是送入的冷空氣層依靠熱浮升力的作用上升帶走熱濕負(fù)荷和污染物，因此只適用于全年送冷的區(qū)域。當(dāng)送入熱風(fēng)時(shí)，將不再屬于“置換通風(fēng)”范疇。②有人認(rèn)為：輻射供冷應(yīng)位于房間上部，輻射供暖應(yīng)位于房間下部，認(rèn)為如果采用地面輻射供冷，將形成“凍腳”的不舒適感。熱氣流上升、冷氣流下沉，這是對(duì)流換熱的一般概念，但是，難以做到同時(shí)配置供冷和供暖的兩套設(shè)施。

事實(shí)上，輻射供冷或輻射供暖的傳熱過程主要是輻射，作用于房間的各個(gè)表面。對(duì)于層高不大的建筑，經(jīng)工程實(shí)測證明，無論采用地面輻射還是頂輻射，供暖或供冷時(shí)室內(nèi)垂直溫度場分布和各表面的輻射溫度，均不會(huì)有“想當(dāng)然”那樣大的差異。輻射供冷時(shí)，一般也要控制表面溫度在20℃左右，根本不致于會(huì)發(fā)生“凍腳”的問題。③但是,采用地面輻射還是采用頂板輻射,對(duì)供暖量或供冷量會(huì)有較大的影響。主要是其中的對(duì)流傳熱量部分。地面輻射的對(duì)流供暖量會(huì)大于頂板輻射的對(duì)流供暖量。頂板輻射的對(duì)流供冷量會(huì)大于地面輻射的對(duì)流供冷量。因此，有必要根據(jù)房間冷和熱的負(fù)荷特性以及建筑構(gòu)造特征，合理確定輻射方式。④若干工程的冷暖頂板，采用DE25的PB管，管間距300mm，埋設(shè)于200mm厚樓板下鐵之上、水電管道及上鐵之下的現(xiàn)澆混凝土層內(nèi)。此種將塑料管埋設(shè)于樓板結(jié)構(gòu)層內(nèi)的敷設(shè)方式，因帶有對(duì)施工安裝質(zhì)量的極大依賴性，不宜作為千篇一律的固定模式。⑤輻射供暖