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冷(暖)辐射空调 的若干理念和合理应用 北京市建筑设计研究院 张锡虎 2009-10-14,冷(暖)辐射空调的理念,最先可能来自欧洲。 这个理念的出发点, 是建筑围护结构的节能问题。 受太阳与地球相对位置变化的影响,会发生春夏秋冬四个季节环境温度变化。 例如:北京年最大温差约可达50(从-15到35)。,但是,人体能适应温度的范围大约为: 较高标准18-28(温差10) 较差标准12-32(温差20) 改善建筑围护结构的热工性能,或者采用自然通风等方法,使室外温度对室内温度波动的影响大幅度减小,缩短依赖人工冷热源进行采暖空调的周期,大大降低空调能耗。 欧洲推出的冷(暖)辐射空调新理念,一定要基于建筑能耗极低的节能建筑。,1)从热舒适性指标看冷(暖)辐射空调的优势 房间的热舒适性并非单一与干球温度有关,还与风速、相对湿度、平均辐射温度、服装热阻和新陈代谢率等因素有关。,采暖通风与空气调节设计规范 (GB 50019-2003 ) 预计平均热感觉指数(-1 PMV +1)和预计不满意者的百分数(PPD 27%)与风速、相对湿度、平均辐射温度、服装热阻和新陈代谢率等因素有关。 例如:当上述因素取下值时,请特别注意到上表取值中的“平均辐射温度”,即房间各表面的加权平均温度,夏季取比室温高4,冬季取与室温相等。,夏季采用辐射供冷时,由于可以降低房间的平均辐射温度,辐射温度每降低1, 约相当于室内干球温度降低1的平均热感觉指数。 冬季采用辐射供暖时,由于可以提高房间的平均辐射温度,辐射温度每提高1, 约相当于室内干球温度提高1的平均热感觉指数。,因此,采用辐射供冷或辐射供暖,可以在一定程度上得到节能和改善房间热舒适性效果。 但是,同任何事物一样,辐射供暖特别是辐射供冷也有其一定的局限性。,2)辐射供冷能承担的冷负荷 冷辐射要严格控制冷表面的结露,板面温度应不低于室内设计工况的露点温度(例如不低于20),因此只能负担空调房间夏季空调的部分显热负荷。,理论计算公式可采用 ASHRAE handbook: (美国供暖制冷和空调工程师学会手册) 单位面积的总传热量 Q = QF + QL, 辐射传热量,TF 辐射体表面平均温度, K TEP 其他表面的加权平均温度, K, 对流传热量 地面(或顶板冷辐射) QL2.17(tEP tN)1.31 顶面(或地面冷辐射) QL0.14(tEP tN)1.25 墙面 QL1.78(tEP tN)1.32 tEP 辐射体表面平均温度, tN 室内空气温度, ,地面辐射供冷的冷辐射量参考值,但是,冷辐射能够实际吸收的热量,为什么往往会大于上述按照“不结露”原则计算所得到的数值呢? 这是因为房间的得热量中,有相当一部分(如日射、人体、灯光等)是辐射热,可以直接和冷辐射表面之间进行热交换。,正如“得热”应区别于“负荷”一样。进入房间的辐射热,并不立即转化为使空气温度上升,而是首先被各个壁面所吸收。冷辐射直接进行了这个换热过程。 因此,对于房间冷负荷构成中,有较大比例辐射热的,冷辐射能力会增大。,得热量与冷负荷 房间得热量不同于空调冷负荷。上世纪七十年代以前, 曾将二者混为一谈。 1978年8月20日, 对京西宾馆一间西向会议室测定: 房间最大得热量为 2777kcal/h 空气最大得热量即空调冷负荷为1429kcal/h 空调冷负荷占房间最大得热量的51.46,房间得热量中: 对流热直接与室内空气换热成为瞬时冷负荷。 辐射热则被围护结构和家具等蓄热体吸收, 随后再以对流形式放入室内, 成为滞后的冷负荷。 如果采用冷辐射,辐射热就会直接被冷表面所吸收,不再以对流形式放入室内。,辐射 蓄热体 - - 房间得热量 - 2777 对流 空气 空调冷负荷 - 1429,室温26、相对湿度60、 露点温度18、表面控制温度19,但是,房间冷负荷构成中辐射热不同比例条件下的冷辐射能力,还没有严密的理论计算方法。 正如地面辐射供暖的负荷计算,仍沿用一般对流供暖方式的计算方法略加修正一样,辐射供暖和辐射供冷的技术原理和设计基础资料环节, 仍处在认识过程中,滞后于应用,尚需要通过实验和工程应用不断探索。,3) 冷(暖)辐射空调的方式 所谓冷(暖)辐射空调,一般采用将冷(热)媒管道敷设于房间的地面、顶或墙面的方式。冬天通过热媒水,形成热辐射,夏天通过冷媒水,形成冷辐射。如果是地面的冷热辐射,可称为“冷暖地面”,如果是顶板的冷热辐射,可称为“冷暖顶棚”。,所谓“毛细管网”,也是冷(暖)辐射空调的一种形式。采用较一般地面辐射供暖加热管较细的外径为3-5mm的塑料管组成管网,或称之为“席”,用砂桨将其抹在地面、顶或墙面内。或预制在不同材质的天花板模块内,称之为“吊顶毛细管模块”。,其实,冷(热)媒在管网内的循环,同其他采暖空调水系统一样,完全是依靠来源于系统循环水泵的机械循环动力,根本不是真正意义上的毛细管作用。 正如初期将这种特征的空调方式戏称之为“告别暖气空调时代”或“恒温恒湿”一样,带有一定的商业炒作味道,暖通空调的业内人士,大多并不认同这种对专业术语的轻率命名。,4)辐射供冷的除湿问题 夏季的空调需要对空气进行减焓除湿。除湿过程以及补充辐射供冷承担冷负荷的不足,只能依靠其他空气处理手段。例如:, 配置独立新风处理系统,将新风的绝对含湿量处理到低于室内设计绝对含湿量,例如:较室内设计绝对含湿量低3g/kg,取新风“送风湿差”不小于3g/kg。这样,处理后的新风除了担负新风本身湿负荷和房间内的散湿量以外,还可以担负部分冷负荷。,溶液除湿或冷却除湿 如果新风只需要担负新风本身湿负荷和房间内的散湿量,则有条件采用溶液除湿。 如果新风还需要担负部分冷负荷,则宜采用冷却除湿。,显然,独立新风方式适用于热、湿负荷较小的场合。而且,应按照承担除湿负荷确定所需最大新风量,还应该在除湿所需最大新风量与卫生要求所需最小新风量(例如冬季)之间,采取有效的变风量措施。, 配置常规的空调系统,将辐射供冷设施作为常规空调系统的补充。适用场合显然广泛多了。虽然只是一种“补充”,也可以不同程度减少常规空调系统的容量,由于节能和改善房间热舒适性效果的优势,值得加以提倡。,奥运篮球比赛场地五棵松体育馆的观众休息厅,北京市建筑设计研究院就采用了这样的设计。 北京工业大学陈超教授等,在北京某办公楼的大堂,实施了地板辐射冷热联供系统改造,2009年夏季实测结果表明,可在地板表面不凝露和送风系统关闭的条件下,大堂空气温度维持在24.6-26.5范围。,5)不宜刻意作辐射供冷的配置 有些工程需要设置地面辐射供暖(例如需要保证冬季温度的高大空间),在此前提下,完全可以“利用”现成的辐射供暖设施,在夏季供给适当的冷媒,自然形成辐射供冷条件,何乐而不为呢?,如果本来就不需要或不适合设置辐射供暖,而辐射供冷所可以担负的冷负荷在总冷负荷中的比例又很小时,刻意作辐射供冷的配置,就很可能会得不偿失。 因为,配置地面、墙面或顶板的冷热辐射,需要对建筑装饰或其他设施,提出多方面的限制,甚至要牺牲其他方面的功能,特别是建设标准较高的公共建筑,从设计的整体往往很难完善实施。,6)认真对待冷媒问题 为充分发挥辐射供冷可以采用温度较高冷媒的优势,以及防止辐射供冷设施冷表面结露,应通过认真计算,合理确定和采取可靠技术措施控制冷媒温度。 而为保证独立新风处理系统或空调系统有足够的除湿能力,又需要较低的冷媒温度。 应从提高冷源设备效率的角度,认真寻求合理的冷源系统配置方案。,7)若干认识问题 将辐射供冷的新风下送风方式,称之为“置换通风”,这偷换了暖通空调专业的理论概念。“置换通风”的机理,是送入的冷空气层依靠热浮升力的作用上升带走热湿负荷和污染物,因此只适用于全年送冷的区域。当送入热风时,将不再属于“置换通风”范畴。, 有人认为:辐射供冷应位于房间上部,辐射供暖应位于房间下部,认为如果采用地面辐射供冷,将形成“冻脚”的不舒适感。 热气流上升、冷气流下沉,这是对流换热的一般概念,但是,难以做到同时配置供冷和供暖的两套设施。,事实上,辐射供冷或辐射供暖的传热过程主要是辐射,作用于房间的各个表面。 对于层高不大的建筑,经工程实测证明,无论采用地面辐射还是顶辐射,供暖或供冷时室内垂直温度场分布和各表面的辐射温度,均不会有“想当然”那样大的差异。辐射供冷时,一般也要控制表面温度在20左右,根本不致于会发生“冻脚”的问题。, 但是,采用地面辐射还是采用顶板辐射,对供暖量或供冷量会有较大的影响。主要是其中的对流传热量部分。 地面辐射的对流供暖量会大于顶板辐射的对流供暖量。 顶板辐射的对流供冷量会大于地面辐射的对流供冷量。 因此,有必要根据房间冷和热的负荷特性以及建筑构造特征,合理确定辐射方式。, 若干工程的冷暖顶板,采用DE25的PB管,管间距300mm,埋设于200mm厚楼板下铁之上、水电管道及上铁之下的现浇混凝土层内。此种将塑料管埋设于楼板结构层内的敷设方式,因带有对施工安装质量的极大依赖性,不宜作为千篇一律的固定模式。, 辐射供暖或供冷工况的辐射和对流传热量,与辐射体表面温度和室内空气温度存在特定的函数关系。为防止辐射辐射体表面的结露,必须严格控制供冷工况时辐射体表面温度。供暖工况辐射体表面温度,也应该符合GB 50018-2003采暖通风与空气调节设计规范4.4.2条的规定。, 怎样对待室温调节控制问题? 冷热辐射系统的热惰性很大,且许多建筑事实上存在内区和外区的不同负荷密度,且室温很难自主选择,并适应负荷的静态特性特别是动态特性的调节控制。 有以下并不十分成熟的应对措施:,a.由风系统主导进行调节控制,配置常规空调系统,将辐射供冷设施作为常规空调系统的补充,就比较容易实施。 b.依靠上述冷辐射能直接吸收引起负荷波动的主要因素辐射热的“自平衡”作用,但由于“自平衡”作用的量概念尚不完善,会存在相当程度的盲目性。,
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