辐射式空调探讨

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摘要：介绍了平均辐射温度对人体热舒适的影响，由此引出辐射式空调的概念及其系统组成，以及目前亟待解决的问题，最后提出了辐射式空调的前景。

关键词：辐射式空调，平均辐射温度，系统组成，存在问题

0. 引言

随着世界经济的发展，能源的产出与消耗之间的矛盾日益突出。我国是世界上人口众多，能源相对贫乏的国家之一，人均能源占有量仅为世界平均水平的40％， 但能源消耗量到2003年已占世界消耗量的10％ ，总量已居世界第二位。目前，工业耗能、交通耗能和建筑耗能已经成为我国能源消耗的的主要部分。建筑能耗伴随着建筑总量的不断攀升和人们对居住舒适度要求的提高，呈急剧上升趋势，因此格外受到重视。建筑节能作为缓解能源危机的重要途径已经势在必行。

近年来，头痛、头晕、胸闷等“空调病”问题越来越引起人们的重视，人们不再仅仅满足于享受热舒适，而更关心热舒适环境中的身心健康。建筑界提出了“健康建筑”、“绿色建筑”、“可持续建筑”等先进的建筑理念，空调界也开始审视空调系统自身的问题，特别是空调方式的问题。在“病态建筑”中，对流空调方式在保证室内空气品质时有其局限性，其所必需的空调箱、风管往往成了细菌繁殖的基地和细菌传播的途径。受自身的限制，对流空调方式无法从根本上解决这些由自己引发的问题。

在这种情况下，基于在欧洲的成功经验和系统本身的特点，洁净且节能的辐射空调方式再度引起人们的注视，人们越来越关注辐射空调方式的研究和应用。

1.平均辐射温度

根据热舒适方程[1]，人体热舒适可用PMV热感觉标尺来计算：

PMV=[0.303exp (－0.036 M) +0.0275 ]×｛M－W－3.05 [5.733－0.007( M－W )－Pa ]

－0.42( M－W－58.15 )－1.73×10-2 M (5.867－ Pa )－0.0014 M (34－ ta )

－3.96×10-8 ƒcl [( tcl+273 )4－(+273 )4 ]－ƒcl hc ( tcl－ta )｝ （1）

式中；M为人体代谢率（W/m2）；W为人体所做的机械功（W）；Pa为空气中水蒸气分压力（Pa）；ƒcl为服装面积系数(无量纲)；hc 为人体表面的对流换热系数（W/m2・℃），tcl 为衣服外表面温度（℃）；ta 为室内空气温度（℃）；为平均辐射温度，用围护结构内表面积加权平均值来计算：

（2）

式中为i表面温度；为i表面面积。

若设定M、Pa 、 Icl 、υ不变，则tcl 由Icl 决定也不变，hc 由υ决定而不变。当ta 、 变为ta' 、 '时，若保证人体热感觉相同：PMV=PMV'，可推导出：（3）

上式说明，若其它条件不变，热感觉相同时，随着室内空气温度增加，则平均辐射温度减少，反之亦然。

但平均辐射温度除了受辐射板及围护结构影响外，主要还受负荷大小的影响，使其变化幅度不会太大。Glueck[3]用实验方法提出辐射吊顶供冷的辐射与对流总冷量：

q=8.92(ta-ts)1.1 (6)

式中标ta、ts分别为空气温度和冷顶板表面温度(℃)。由该公式可以看出，室内温度与辐射板温差越大，供冷量越大，而供冷量受冷负荷控制，所以平均辐射温度不能任意变化。

2.辐射空调系统

辐射空调系统通过冷却加热室内的辐射装置, 降低提高其表面温度, 通过辐射、对流方式向室内提供冷量热量, 来抵御、消除扰量的影响, 处理室内的显热负荷, 维持室内的平均辐射温度。辐射装置通常以水为介质, 它不一定是具体的装置或设备, 通过与围护结构或室内装修的配合, 可以充分利用室内的顶棚、地板、墙体表面, 常见的形式有直埋、敷设、悬挂等。

1、直埋 管道通常采用铜管或不锈钢管, 管道直接埋入混凝土中。管道间的连接容易形成漏水的隐患, 对施工质量的要求高, 且维修有一定的困难。由于此形式利用混凝土下表面空间顶面作为辐射表面, 在实际应用中, 很难与建筑装修配合。

2、敷设 管道通常采用塑料管, 管道直接敷设在吊顶表面, 与吊顶粉刷层如石膏板等结合。管材、附件均有标准产品, 施工、安装、维修方便。此形式同样以空间顶面为辐射表面, 但在装修配合方面明显好于前一种形式。

3、悬挂 辐射表面与吊顶结合, 形成辐射吊顶的产品形式, 悬挂于空间顶部, 安装、检修方便, 产品形式多样, 可以很好的与室内装修配合。在辐射空调方式中, 此种形式应用广泛, 在国内的工程中已有应用。

4、 辐射表面为建筑地坪表面, 当仅作为采暖应用时, 多称为“ 地板辐射采暖”，地板采暖系统在国内的广泛及长久使用, 已经证明了它较散热片采暖、热风采暖具有一定的优越性。近年来, 这种形式在供冷应用方面也作了一些尝试。

3.存在的问题

3.1 负荷计算问题

对流空调系统通过对流方式处理室内负荷, 经处理的空气与围护结构表面、家具表面、人体表面、设备表面进行对流换热, 由于围护结构、家具等蓄热特性的存在, 室内的瞬时辐射得热部分并不是立即反映为空调负荷。而在辐射空调中, 对于某些不具备蓄热特性的辐射装置如辐射吊顶, 辐射装置的瞬时辐射得热即反映为空调负荷对于某些具有蓄热特性的辐射装置如直埋、敷设、地板辐射, 瞬时辐射得热也不是立即反映为空调负荷, 但由于传热方式不同, 空调负荷也有别于对流空调的空调负荷。现有的计算方法都是针对对流空调的,尽管有很多研究机构对辐射空调进行了研究, 但是还没有权威性的空调负荷计算方法及计算软件。这不仅仅是因为辐射空调的复杂性, 同样也有对辐射空调的认识、应用较少的原因。

3.2 除湿问题

由于辐射空调仅能处理室内负荷中的显热负荷，为防止辐射表面结露，辐射表面的温度应高于室内空气露点温度，室内负荷中的潜热负荷可通过增加风机盘管或采用置换通风解决。

4.结语

辐射式空调是一种新型的空调末端形式，与以往对流式空调相比，它的换热方式以辐射换热为主，更能满足人体的舒适感。运行时跟风机盘管相比，不需要风机，因此降低了能耗与噪音。并且由于夏季室内设计温度比传统空调提高1~2℃，冬季室内设计温度降低1~2℃，节能效果显著。

通过工程中的实际应用，不断地对辐射式空调系统改进与完善，为建筑物的进一步节能提供了基础，其推广应用前景远大，今后为我国的节能环保做出巨大贡献的潜力强劲。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看