辐射换热及其应用

辐射采暖制冷的研究摘要 随着经济的发展，购买空调设备用于制冷和采暖似乎成为了当今唯一的改善居住环境的措施和时尚。但是，大功率的空调设备的使用会导致能源需求的大大提高和巨大的能源浪费，还会带了空气污染。而辐射，作为一种高效的传热方式在改善居住环境方面有很大的作用。辐射供暖制冷的卫生条件和舒适性标准都比较高。就我国现阶段的情况看，采暖制冷的主要能源仍是以煤炭为主，还存在着很多的未利用能，如地下水、地表水、地表热、土壤热等，这些低品热源的利用可以在辐射供暖和制冷中得到利用。从以人居健康舒适、环境保护和能源有效利用为中心的空调技术进展上看，辐射供暖制冷的研究很有价值。本文总结了一些文献中的结论。关键词 有效辐射，角系数,负荷，冷辐射吊顶1 前言辐射供热是一种利用特质内部，如建筑物内部的棚顶、墙面、地面或其它表面进行供热的系统。供热系统中，辐射能占总能量的50以上的系统方可称为辐射供热系统。按热源表面温度将辐射分为低温辐射、中温辐射、高温辐射，这里所讨论的是表面温度低于80的低温辐射供热。按辐射板位置又分为顶面式、墙面式、地面式和楼面式。 而辐射是一种高效的传热方式，比对流和导热等传热方式快得多。负荷与节能使用辐射采暖,具有三个优点:1 提高了壁面辐射温度,从而增强了人的舒适感。2 室内温度分布较均匀,并且可以使用低温热源。3 直接使辐射热作用于人体,可以降低室内空气温度,从而实现节能。1辐射供暖因其节能、舒适，不占用室内使用面积等突出特点，已在北京地区获得大面积应用。但若要在南方地区推广应用，最好能同时解决夏季供冷问题。虽然低温地板采暖供热技术可以使室内采暖的舒适度达到极高的程度，但其仅仅解决了冬季采暖的需要，却无法在夏季实现降温的要求，因此在一定程度上也阻碍了地板辐射采暖技术的发展和应用。目前国内的一部分单位和企业对如何充分利用地板辐射盘管，实现夏季降温也进行了一定的研究。最基本的解决办法向地板辐射盘管中通入冷水，以期达到室内温度的降低，但由于夏季室内空气温度高于降温地面，阻碍到热量的传递，热量传递效率比较低，存在接近地面部分温度梯度较大的问题。解决热量传递问题的另一个方案是天花辐射，从而加强夏季冷量的传递。2 本文介绍了地板辐射采暖以及天棚辐射采暖降温系统的一些特点，最后用一种计算方法近似计算了一个采用天棚辐射采暖降温系统的房间的一些工况，然后进行了一些自己的分析。2地板辐射采暖2.0 简介图1：地板采暖 地面采暖系统是以水或离子反应液为介质的低温辐射地板采暖系统。低温地板辐射供暖（见图1）是将加热管理埋置于地面下，以被加热的地面作为散热面的一种辐射供暖方式。它和建筑物构造相结合、不占用室内和地面有效空间，可利用地热、太阳能或各种低温余热作为热源。和常规的以对流散热为主的散热器供暖相比，具有室内温度分布均匀、舒适性好、节约能源、易实列单户热计量、维护管理方便等独特优点；特别是近两年来“以塑代钢”的推广，各种新型非金属加热管材的开发与引进，为实现低温地板辅射供暖创造了条件，同时也促进了此项技术日益完善和迅速发展。辐射供暖用于“节能建筑”的供暖，更显示出其独特的优越性，是一种具有发展前途和推广价值的供暖方式。室内地表面温度宜采用下列数值：经常有人停留的地表面为2426；短期有人停留的地表面为2830；无人停留的地表面为3540。2.1 低温地板辐射供暖的优点32.1.1 低温地板辐射供暖的舒适性高、节能效果显著（1）根据各种采暖方式室内温度梯度的测试结果，地板辐射采暖方式最接近于理想采暖方式，因此在建立同样舒适条件的前提下，低温地板辐射采暖房间内的室内温度比一般以对流为主的散热器采暖的温度低2-3。有关资料提出，室内设计温度每降低1可节约燃料10%左右，按天津市的第二期建筑节能目标，每年供暖煤耗为11.8kg/平方米(按冬季供暖期室外平均气温为-1.2、室内平均温度为16计算)，当室温降低1-3时，节约的燃料可达7-17%。由此可知，地板辐射供暖不仅给人们以舒适的环境，同时其节能效果也十分可观。（2）辐射供暖室内温度分布均匀根据卫生要求，人长期停留的房间地板表面温度不应高于30，然后温度沿垂直方向迅速降低，在距地面30cm左右达到室内设计温度（16-18），距地面30cm以上的垂直方向温度基本不变化。地板采暖系统热容量大，混凝土的蓄热功能强，因此稳定性好。地面辐射热对人体足部、腿部有良好的保健作用，给人以脚心暖起头部温和的舒适感。符合“温足凉顶”的中医理论。同时，由于上部空间温度的降低，大大地减少了上部空间向外的无益热损失。2.1.2地板辐射供暖的加热管埋置于地面下，因而它具有其它供暖方式所没有的特点：（1）地板辐射供暖的散热面是被埋置于构造层中的加热管加热的表面，它和建筑构造相给合、主要房间的地面上无任何管道设备，不占用房间和地面的有效面积（按统计一般的散热器约占1-3%供暖建筑面积）。因此，采用这种供暖方式，不仅相对的增加了建筑面积，而且不破坏室内环境，同时也避免了因包装暖气设备所带来的能源和资金的浪费。（2） 便于进行调节和控制只要在分配器处分别为各环中设置调节或控制装置，就可以方便地分别对不同朝向房间的供热量进行调节和控制，满足各房间所要求的不同工况。（3）便于进行单户的热计量 采用辐射供暖时只要在用户分配器前加一个热计量装置即可实现。据北欧一些国家统计，采用按热计量收费代替按供暖面面积收费可以节约能源20-30%。2.2地板辐射采暖的缺点。（1）地板采暖要求建筑层高（每层）增加6-8厘米，管道安装需与土建施工同步进行。（2）造价较散热器采暖高，但据生产厂家透露，近一年来全国已由几个生产厂家发展到200多个，随着生产量的增加，价格必须成降低的趋势，比如秦皇岛住友新型建材有限公司提供的地板采暖的平米造价已很接近于散热器采暖的平米造价，因此地板采暖具有很大的发展潜力。2 冷辐射吊顶概述21 简介天棚辐射采暖降温及新风空调系统是将聚丁烯盘管敷设在顶部混凝土板内，通过载体的不断循环，加热或对顶部混凝土板进行降温，传热以辐射传热为主，并辅助补充适量新鲜空气的新方法。在夏季将冷水通入埋在混凝土中的聚丁烯盘管中，冷水在夏季供水温度为20，回水温度为22，通过2温差来吸收室内热量，有效的解决的夏季降温的问题；而在冬季，聚丁烯盘管内的供水温度为28，回水温度为26，同样是通过2温差来向室内辐射热量。此低温差辐射方式的特点是采暖和制冷的效率高于空气对流，其辐射传热形式无其它传热形式引起的空气对流所造成的不适感。其均匀的温度创造一最佳的热环境。系统的自身工作原理可以使系统具有很好的温度自动调节性能。22 这种辐射吊顶系统在应用上尚未被普遍接受的原因：221由于其结构的限制，从水到室内的传热过程存在一定的障碍，虽然选择金属材料可适当降低传热热阻、提高系统承压能力等，但又带来重量大、成本高等问题（见图2），因此辐射吊顶系统尚未被普遍接受。图2 几种典型的欧洲辐射吊顶板产品结构5222由于辐射吊顶必须工作在干工况，即夏季供冷时吊顶表面绝不允许结露，因此其适用条件比较苛刻，要求设计计算准确；此外，这类辐射吊顶系统必须配备专门的通风系统和空气处理装置，从而保证室内基本卫生要求，并除去室内产湿量，保证吊顶表面不结露，因此整个系统较复杂，对设计和运行管理水平要求较高。23 注意的问题 冷辐射吊顶的应用有几个问题值得注意:第一,用冷辐射吊顶的房间,窗户必须采取外遮阳措施,以减少太阳辐射对室内的影响;第二,在我国南方高温高湿地区,必须对围护结构、空调水系统以及自控等方面采取一系列技术措施,确保冷辐射吊顶不结露;第三,即使不采用置换送风,室内气流组织也应作仔细考虑。室内空气如果没有一点流动,居住者(尤其是在窗际处)也会产生不舒适感。第四，由于与地板辐射采暖系统相反，其管路是安装在天花中，故若要将分集水器安放在人体可以触及的地方，将有一排塑料管从天花垂到分集器上，有可能影响到室内的美观，故在设计最好选择将分集水器放在不太显眼的房间或放置在墙内。 24 防止结露的方法2为了满足用户对新鲜空气的需求，并解决室内空气在制冷情况下，有可能在天花上及地板上出现的结露情况，彻底控制室内空气的温湿度，此系统增加的新风空调处理系统，对室内空气进行除湿处理，以达到使用要求。在冬季，天棚辐射采暖降温系统对空气无特别要求，主要考虑到用户对空气的需求，故自然通风及置换通风均可使用。但在夏季，特别是北京有些天的空气相对湿度特点大，其露点温度甚至达到2425，大大高于天棚辐射采暖降温系统的工作温度，虽然这种天气出现机会不多，天数不长，但其缺点是显而易见的，极有可能出现如很多冷辐射顶系统出现过的天花板上滴水的现象，而且此系统更可能出现上层用户的地板上出现结露的情况，故此不能完全使用室外空气来对室内换新风，必须对空气进行干燥处理，以使其露点温度低于天花板的温度。在北京安装天棚辐射采暖降温系统在一般情况下需安装新风处理系统，但可以设想，在较北京干燥的地区如西北地区或更北的地区，如新疆等地区，在经过对当地气候条件的详细调查后，若其空气夏季露点温度低于系统在天花板表面的工作温度，此系统将可以基本上免去一套空气处理系统的价格，将有更大的市场推广价值和前景。3实例计算分析在这里，我以辐射吊顶为例进行实例计算分析。并且，不考虑送风系统的影响。31 基本 模型 311基本 假设 以及一些近似在描述基本模型之前，首先重复一下在进行建筑物室内长波辐射换热分析时，被广泛认同的一些基本假设，下文中的辐射均是指长波辐射： 参与辐射换热的围护结构内表面以及室内热源表面均为漫射灰表面，表面吸收率与发射率为常数，不随温度变化； 表面发射和反射辐射能量，在空间内都是均匀、漫分布 表面是等温面 空气作为介质，对于辐射完全透过。另外 ，在计算过程中一些近似：首先是定性温度上，由于各个表面的实际定性温度不一定一样，主要是辐射吊顶和其他壁有差别，但考虑到这种差别对结果影响较小，为了计算简便，这里取的是一种值；还有因为同样的原因，忽略了气体的辐射问题。这里仅考虑壁面的辐射以及对流换热。312基本原理（1）辐射灰表面只吸收一部分投射辐射，其余的反射。这样在灰表面形成多次吸收、反射现象。对灰表面的辐射换热计算要引用有效辐射使计算简化。对于某一表面，定义从其单位面积上离开的辐射能流量为该表面的有效辐射J (Radiosity)(1.1)其中：G为单位时间内投射到表面单位面积上的入射辐射能量 (Incident flux)表面的净辐射热流通量 (Net radiant heat flux)是另一个关心的量(1.2)其中利用了灰表面性质 4由N个围护结构内表面围成的房间将 (1.1) 式应用于各个表面，则可得到对于表面i (1.3)其中角系数X-j：下标在前者为发射面，后者为投射面。将 (1.3) 式改写为矩阵的形式，则得到，或，(1.4)其中：， ，(1.4a)(1.4b)可以证明必存在矩阵的逆矩阵，则式 (1.4) 的解可以写做，或，(1.5)将式 (1.5) 带入式 (1.2)，可以求出表面的净辐射热流通量，或， 6(1.6)（2）对流换热 研究对象是室内的空气。对于空气来说，由于没有辐射，那么由其能量方程知他总的对流换热量为0。此类问题属于有限空间的对流换热，而且是常壁温。而此问题又分两种，在此问题中。一是竖壁封闭夹层的自然对流，由于实例计算中夹层厚度与高度比大于0.3，两壁的自然对流边界层不会相互干扰，可以按无限空间自然对流规律计算。另一个，当时水平夹层时，分为热面朝上和热面朝下两种。在计算中发现要是采用有限空间的公式，则是相当于纯导热问题，计算出来的结果很不和常理。分析原因，主要是我们在这里把空气温度视为在空间上均匀分布的，而且对于一个房子而言，上下壁面距离较大，互相影响较小。所以仍应该采用无限空间对流换热规律来计算。32参数选定 起居室的房屋形状及其尺寸：立方体：长5.4 m,宽 3.6 m,高2.6 m；（见图3） 夏季在舒适性空气调节室内的温度：1822；7 所有壁面的辐射发射率都取0.8； 夏季内墙温度约为27；4 冬季在舒适性空气调节室内的温度：2428；7 33计算图3：房子模型根据所给出来得参数，计算辐射吊顶表面所要达到的温度，以及吊顶的冷负荷。由公式知要先求出辐射吊顶的温度。设表面i的温度为ti,面积为Ai，空气温度为ta，有效辐射为Ji，辐射热流量为Qi。331求辐射吊顶温度 (3.1) (3.2)设 (3.3) (3.4)C和n的值可以通过查表1得出： （1） 夏季：依据舒适性要求室内空气调节到25，内壁面的温度为27，定性温度取27；依据参数中的定性温度查表得出了以下参数： 1 水平壁：壁1和2（见图3）。在夏天，辐射吊顶是冷源，壁1是冷面朝下的类型，壁2是热面朝上 。定型尺寸：（5.4+3.6）0.5=4.5m查表得：C0.15，n1/3壁1：壁2：2 竖直壁：壁3，4，5，6（见图3）。定型尺寸：2.6m查表得：C0.1，n1/3 i =3 ,4 ,5 ,6a b cA2A13 结果：将上面的公式带入（3.1）就可以算出ti 。我用excel处理数据得.90 （2） 冬季： 冬季：依据舒适性要求室内空气调节到20，内壁面的温度为15.5，定性温度取20； 依据参数中的定性温度查表得出了以下参数： 1 水平壁：壁1和2（见图1）。在冬天，辐射吊顶是热源，壁1是热面朝下的类型，壁2是冷面朝上 。定型尺寸：（5.4+3.6）0.5=4.5m查表得：C0.58，n1/5壁1：壁2：2 竖直壁：壁3，4，5，6（见图1）。定型尺寸：2.6m查表得：C0.1，n1/3 i =3 ,4 ,5 ,63 结果：数据输入excel中得：.96332 辐射角系数的计算 见图3的房子模型： 给房子各个表面标上号，如图所示。依据表面之间的关系，参照辐射换热角系数手册里面的如下公式进行计算：公式一：两个面平行X=a / b ,Y=b / h ；b acA2A19公式二：两个面垂直Na / b ；Lc / b ；9 在实际计算中依据上面的公式得出了房间各个面之间的角系数，如下：X120.354；X13X140.127；X15X160.1965；X210.354；X23X240.127；X25X260.1965；X31X320.264；X340.083；X35X360.197；X41X420.264；X430.083；X45X460.197；X51X520.272；X53X540.131；X560.199；X61X620.272；X63X640.131；X650.199。333计算辐射吊顶负荷带入公式（1.4b）计算出Fij，然后再前面计算出来得辐射吊顶温度用公式（1.5）就可以得出下面这个式子：（1）夏天：ti=20.90，t2=t3=t4=t5=t6=27这里用matlab进行矩阵的计算，得到J1= 430.0275 J2= 457.1176 J3=J4=457.4967 J5=J6=457.8979代进公式（1.6）就可以算出冷辐射吊顶的冷负荷：（2）冬天冬天：ti=29.96，t2=t3=t4=t5=t6=15.5这里用matlab进行矩阵的计算，得到J1= 461.7715 J2= 398.3647 J3=J4= 397.1367 J5=J6= 397.6686代进公式（1.6）就可以算出冷辐射吊顶的冷负荷：34 分析 在上面的计算中将除了吊顶以外的壁面都用的是一种温度。而实际上，由于房子的位置以及房子的开窗情况不同，壁面温度应该不同。在这里，在进一步分析一下，当某一壁面温度较高的时候（比如，西墙，开窗等），冷辐射吊顶的温度以及其冷负荷怎样变化，变化多少。（1）夏季： 假设，壁3是西墙，由于夏季西晒的问题，它的温度要比别的墙高，设为30。再按上面的方法进行计算。得出再用matlab进行计算结果是：J1=426.397 J2=457.2524 J3=472.2115 J4=457.5744 J5=J6=458.1034换成壁5： 辐射吊顶温度对负荷的影响：结果为：J1=424.6959 J2=457.3444 J3=J4=457.8245 J5=472.5301 J6=458.2197 （2）冬天： 又窗或者敞廊的那一面温度会比别的墙温度要低。假设此墙温度设为12。假设为墙3：辐射吊顶的温度：结果为：J1= 463.0389 J2= 398.0408 J3= 382.1938 J4= 396.9095 J5=J6= 397.3081 改为墙5 辐射吊顶的温度：结果为：J1= 464.6629 J2= 402.7279 J3=J4= 401.5234 J5= 383.5075 J6= 402.0495 （3）分析：我们不难知道，西墙要是不是壁3，壁四由于位置和它对成，换成他结果一样，要是换成壁5或者壁6。它对辐射吊顶的温度也有影响，同时因为辐射换热角系数的影响，最后对于冷辐射吊顶冷负荷要求都不会一样。从数据中看，换成壁3和壁5，吊顶温度以及负荷变化的不是很大。经分析，我觉得影响较小的主要原因是壁3与吊顶壁之间的辐射角系数X31同壁5与吊顶壁之间的角系数X51相比很相近：X31=0.264, X51=0.272。角系数大的受吊顶壁影响大。夏天升高相同的温度，角系数大的热负荷大，使得吊顶的冷负荷变化相对大；冬天降低相同的温度，角系数大的冷负荷大，使得吊顶得热负荷变化相对大。通过比较也可以发现，同一个壁，夏季温度的变化对于负荷的影响要比冬季相同的温度变化要大。从热舒适性来看，要想提高其舒适性就要减小其竖直方向上的温度梯度。而主要的方法就是降低负荷。从上面的比较研究中可以看出在设计房子长宽高以及选择开窗方位、大小的时候应考虑到它对房间负荷的影响，对舒适性的影响。4. 总 结辐射在室内空气调节上面有很大的应用。它比较节能，有很多好处。在室内空气温度梯度上基本上还是可以满足的舒适性要求，随着负荷的降低，温度梯度相应减小，会取得更好的热舒适性。地板辐射采暖以及该辐射吊顶系统具有健康、舒适、节能、安静、经济等特点，会越来越多的应用于实际生活中。 参考文献 1 一种适用于长江流域冬季的新型空调方式辐射板自然通风 乔小壮 等 湖南大学土木工程学院2 天棚辐射采暖制冷工程的设计与施工武汉鸿图聚丁烯管材应用有限公司 桂正虎 周得戎3 能源的综合利用与建筑节能天津大学 王荣光 沈天行 天津市热力公司 郑维民4 房间的热微气候 L.巴赫基 中国建筑工业出版社5 辐射吊顶空调系统新世纪的选择 魏庆芃 王威 江亿 狄洪发6 基于能量平衡的室内长波辐射换热模型 魏庆芃 江亿 研究报告7 采暖通风与空气调节设计规范 北京 中国计划出版社8 传热学 张熙民等 中国建筑工业出版社9 辐射换热角系数手册 杨贤容等 国防工业出版社