冷（暖）輻射空調的若干理念和合理應用

北京市建筑設計研究院張錫虎

冷（暖）輻射空調的理念,最先可能來自歐洲。這個理念的出發點,是建筑圍護結構的節能問題。受太陽與地球相對位置變化的影響，會發生春夏秋冬四個季節環境溫度變化。例如:北京年最大溫差約可達50℃（從-15℃到35℃）。

但是,人體能適應溫度的范圍大約為：較高標準18℃-28℃（溫差10℃）較差標準12℃-32℃（溫差20℃）改善建筑圍護結構的熱工性能，或者采用自然通風等方法，使室外溫度對室內溫度波動的影響大幅度減小，縮短依賴人工冷熱源進行采暖空調的周期，大大降低空調能耗。歐洲推出的冷（暖）輻射空調新理念，一定要基于建筑能耗極低的節能建筑。1）從熱舒適性指標看冷（暖）輻射空調的優勢

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

《采暖通風與空氣調節設計規范》(GB50019-2003

)

預計平均熱感覺指數（-1≤PMV≤+1）和預計不滿意者的百分數（PPD≤27%）與風速、相對濕度、平均輻射溫度、服裝熱阻和新陳代謝率等因素有關。例如：當上述因素取下值時夏季冬季風速0.25m/s0.15m/s相對濕度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（厚運動衫、毛線衫）新陳代謝率（met）1.01.0旅游旅館級別夏季冬季PPD%室溫PMV室溫PMV一級24℃024℃05二級25℃+0.3723℃-0.378三級25℃+0.5722℃-0.5712四級26℃+0.7222℃-0.7216

請特別注意到上表取值中的“平均輻射溫度”,即房間各表面的加權平均溫度,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，由于可以降低房間的平均輻射溫度，輻射溫度每降低1℃,約相當于室內干球溫度降低1℃的平均熱感覺指數。冬季采用輻射供暖時，由于可以提高房間的平均輻射溫度，輻射溫度每提高1℃,約相當于室內干球溫度提高1℃的平均熱感覺指數。

因此，采用輻射供冷或輻射供暖，可以在一定程度上得到節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）輻射供冷能承擔的冷負荷冷輻射要嚴格控制冷表面的結露，板面溫度應不低于室內設計工況的露點溫度（例如不低于20℃），因此只能負擔空調房間夏季空調的部分顯熱負荷。理論計算公式可采用

ASHRAEhandbook：(美國供暖制冷和空調工程師學會手冊)★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其他表面的加權平均溫度,K

★對流傳熱量地面(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

室內空氣溫度,℃室溫℃相對濕度％空氣露點溫度℃冷表面控制溫度℃輻射和對流熱量W/m2266018193850151652256017183750141551246016173750131451

地面輻射供冷的冷輻射量參考值

但是，冷輻射能夠實際吸收的熱量，為什么往往會大于上述按照“不結露”原則計算所得到的數值呢？這是因為房間的得熱量中，有相當一部分（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行熱交換。

正如“得熱”應區別于“負荷”一樣。進入房間的輻射熱，并不立即轉化為使空氣溫度上升，而是首先被各個壁面所吸收。冷輻射直接進行了這個換熱過程。因此，對于房間冷負荷構成中，有較大比例輻射熱的，冷輻射能力會增大。得熱量與冷負荷房間得熱量不同于空調冷負荷。上世紀七十年代以前,曾將二者混為一談。

1978年8月20日,對京西賓館一間西向會議室測定:

房間最大得熱量為2777kcal/h

空氣最大得熱量即空調冷負荷為1429kcal/h

空調冷負荷占房間最大得熱量的51.46％房間得熱量中:

對流熱直接與室內空氣換熱成為瞬時冷負荷。

輻射熱則被圍護結構和家具等蓄熱體吸收,隨后再以對流形式放入室內,成為滯后的冷負荷。如果采用冷輻射,輻射熱就會直接被冷表面所吸收,不再以對流形式放入室內。

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

2777│對流┌────┐

│└─→┤空氣├←┘└──┬─┘↓┌─────┐└→│空調冷負荷│└────--┘

1429室溫26℃、相對濕度60％、露點溫度18℃、表面控制溫度19℃其他表面加權平均溫度取值地板冷輻射（W/m2）頂板冷輻射（W/m2）輻射熱對流熱總熱量輻射熱對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，房間冷負荷構成中輻射熱不同比例條件下的冷輻射能力，還沒有嚴密的理論計算方法。正如地面輻射供暖的負荷計算，仍沿用一般對流供暖方式的計算方法略加修正一樣，輻射供暖和輻射供冷的技術原理和設計基礎資料環節,仍處在認識過程中，滯后于應用，尚需要通過實驗和工程應用不斷探索。3)冷（暖）輻射空調的方式

所謂冷（暖）輻射空調，一般采用將冷（熱）媒管道敷設于房間的地面、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“毛細管網”，也是冷（暖）輻射空調的一種形式。采用較一般地面輻射供暖加熱管較細的外徑為3-5mm的塑料管組成管網，或稱之為“席”，用砂槳將其抹在地面、頂或墻面內。或預制在不同材質的天花板模塊內，稱之為“吊頂毛細管模塊”。

其實，冷（熱）媒在管網內的循環，同其他采暖空調水系統一樣，完全是依靠來源于系統循環水泵的機械循環動力，根本不是真正意義上的毛細管作用。正如初期將這種特征的空調方式戲稱之為“告別暖氣空調時代”或“恒溫恒濕”一樣，帶有一定的商業炒作味道，暖通空調的業內人士，大多并不認同這種對專業術語的輕率命名。4）輻射供冷的除濕問題夏季的空調需要對空氣進行減焓除濕。除濕過程以及補充輻射供冷承擔冷負荷的不足，只能依靠其他空氣處理手段。例如:①配置獨立新風處理系統，將新風的絕對含濕量處理到低于室內設計絕對含濕量，例如：較室內設計絕對含濕量低3g/kg，取新風“送風濕差”不小于3g/kg。這樣，處理后的新風除了擔負新風本身濕負荷和房間內的散濕量以外,還可以擔負部分冷負荷。溶液除濕或冷卻除濕如果新風只需要擔負新風本身濕負荷和房間內的散濕量,則有條件采用溶液除濕。如果新風還需要擔負部分冷負荷,則宜采用冷卻除濕。

顯然，獨立新風方式適用于熱、濕負荷較小的場合。而且，應按照承擔除濕負荷確定所需最大新風量，還應該在除濕所需最大新風量與衛生要求所需最小新風量（例如冬季）之間，采取有效的變風量措施。②配置常規的空調系統，將輻射供冷設施作為常規空調系統的補充。適用場合顯然廣泛多了。雖然只是一種“補充”，也可以不同程度減少常規空調系統的容量，由于節能和改善房間熱舒適性效果的優勢，值得加以提倡。

奧運籃球比賽場地——五棵松體育館的觀眾休息廳，北京市建筑設計研究院就采用了這樣的設計。北京工業大學陳超教授等,在北京某辦公樓的大堂，實施了地板輻射冷熱聯供系統改造，2009年夏季實測結果表明，可在地板表面不凝露和送風系統關閉的條件下，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”現成的輻射供暖設施，在夏季供給適當的冷媒，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置輻射供暖，而輻射供冷所可以擔負的冷負荷在總冷負荷中的比例又很小時，刻意作輻射供冷的配置，就很可能會得不償失。因為，配置地面、墻面或頂板的冷熱輻射，需要對建筑裝飾或其他設施，提出多方面的限制,甚至要犧牲其他方面的功能,特別是建設標準較高的公共建筑,從設計的整體往往很難完善實施。6）認真對待冷媒問題

為充分發揮輻射供冷可以采用溫度較高冷媒的優勢,以及防止輻射供冷設施冷表面結露，應通過認真計算，合理確定和采取可靠技術措施控制冷媒溫度。而為保證獨立新風處理系統或空調系統有足夠的除濕能力，又需要較低的冷媒溫度。應從提高冷源設備效率的角度，認真尋求合理的冷源系統配置方案。7）若干認識問題①將輻射供冷的新風下送風方式，稱之為“置換通風”，這偷換了暖通空調專業的理論概念。“置換通風”的機理，是送入的冷空氣層依靠熱浮升力的作用上升帶走熱濕負荷和污染物，因此只適用于全年送冷的區域。當送入熱風時，將不再屬于“置換通風”范疇。②有人認為：輻射供冷應位于房間上部，輻射供暖應位于房間下部，認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，這是對流換熱的一般概念，但是，難以做到同時配置供冷和供暖的兩套設施。

事實上，輻射供冷或輻射供暖的傳熱過程主要是輻射，作用于房間的各個表面。對于層高不大的建筑，經工程實測證明，無論采用地面輻射還是頂輻射，供暖或供冷時室內垂直溫度場分布和各表面的輻射溫度，均不會有“想當然”那樣大的差異。輻射供冷時，一般也要控制表面溫度在20℃左右，根本不致于會發生“凍腳”的問題。③但是,采用地面輻射還是采用頂板輻射,對供暖量或供冷量會有較大的影響。主要是其中的對流傳熱量部分。地面輻射的對流供暖量會大于頂板輻射的對流供暖量。頂板輻射的對流供冷量會大于地面輻射的對流供冷量。因此，有必要根據房間冷和熱的負荷特性以及建筑構造特征，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，埋設于200mm厚樓板下鐵之上、水電管道及上鐵之下的現澆混凝土層內。此種將塑料管埋設于樓板結構層內的敷設方式，因帶有對施工安裝質量的極大依賴性，不宜作為千篇一律的固定模式。⑤輻射供暖