冷暖辐射空调的若干理念和合理

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

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》(GB50019-2003

)

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夏季冬季风速0.25m/s0.15m/s相对湿度60%40%平均辐射温度比室温高4℃与室温相等服装热阻（clo）0.7（单衣）0.9（厚运动衫、毛线衫）新陈代谢率（met）1.01.0旅游旅馆级别夏季冬季PPD%室温PMV室温PMV一级24℃024℃05二级25℃+0.3723℃-0.378三级25℃+0.5722℃-0.5712四级26℃+0.7222℃-0.7216

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

ASHRAEhandbook：(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）

QL＝2.17(tEP

－tN)1.31顶面（或地面冷辐射）

QL＝0.14(tEP

－tN)1.25

墙面

QL＝1.78(tEP

－tN)1.32

tEP

辐射体表面平均温度,℃tN

室内空气温度,℃室温℃相对湿度％空气露点温度℃冷表面控制温度℃辐射和对流热量W/m2266018193850151652256017183750141551246016173750131451

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℃其他表面加权平均温度取值地板冷辐射（W/m2）顶板冷辐射（W/m2）辐射热对流热总热量辐射热对流热总热量与室温相等35.91.637.535.927.863.7较室温高1℃41.31.642.941.327.869.1较室温高2℃46.71.648.346.727.874.5较室温高3℃52.21.653.852.227.880.0较室温高4℃57.61.659.257.627.885.4

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:①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。②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①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。②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。③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。④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。⑤辐射供暖