空調(diào)用輻射和新風(fēng)技術(shù)的探究

宣嶺柱

摘 要：依據(jù)輻射傳熱的基本原理，研究出輻射和新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)（Radiant Ceiling and Fresh Air System）簡(jiǎn)稱RCF技術(shù)，經(jīng)過(guò)工程實(shí)際的運(yùn)行試驗(yàn)，收集了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取得了非常好的效果。測(cè)試數(shù)據(jù)證明較改造前節(jié)電40%，運(yùn)行維修管理費(fèi)用降低了90%。本文從另一個(gè)角度來(lái)解析RCF技術(shù)的研究思路，期望激發(fā)同行的深入研究。

關(guān)鍵詞：輻射傳熱；RCF技術(shù)

一、輻射傳熱的原理

熱輻射是一種由電磁粒子來(lái)傳播熱能的現(xiàn)象。它與傳導(dǎo)和對(duì)流有著本質(zhì)的區(qū)別，它不僅有能量的轉(zhuǎn)移，而且傳熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化，即熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪?，輻射出去的電磁波被物體吸收，又從電磁波轉(zhuǎn)化為熱能。輻射能的傳播不需要空氣傳遞或物體的直接接觸。

實(shí)際輻射傳熱的電磁粒子是可以穿透普通空氣的（除水蒸氣和CO2），空氣在輻射換熱過(guò)程中是被視作透明的，當(dāng)然如果空氣和壁面存在溫差，空氣可以通過(guò)對(duì)流的方式和壁面進(jìn)行熱交換，但其換熱量和通過(guò)輻射直接交換的量相比是很小的。

任何物體在發(fā)出輻射能的同時(shí)，也不斷吸收周?chē)矬w發(fā)來(lái)的輻射能。一物體輻射出的能量與吸收的能量之差，就是它傳遞出去的凈能量。物體的輻射能力（即單位時(shí)間內(nèi)單位表面向外輻射的能量），隨溫度的升高增加很快。輻射傳熱量和兩個(gè)傳熱表面的絕對(duì)溫度有關(guān)外，還和傳熱面的發(fā)射率、角系數(shù)和發(fā)熱面的面積有關(guān)。

二、 輻射板系統(tǒng)和對(duì)流系統(tǒng)熱負(fù)荷的比較

在舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，人體的舒適度是空調(diào)運(yùn)行的唯一目標(biāo)。從人體的生理學(xué)角度來(lái)看，一個(gè)中度勞動(dòng)的成年男子在寫(xiě)字樓的全熱負(fù)荷約為160W，酒店客人全熱負(fù)荷約為120W。也就是說(shuō)，舒適性空調(diào)不考慮其他因素的影響，只要使得人體代謝得到平衡，就獲得了基本的舒適度。但現(xiàn)時(shí)空調(diào)設(shè)計(jì)和運(yùn)行大約80%或以上的能量做的是無(wú)用功（與舒適度無(wú)直接關(guān)系）。

輻射傳熱的房間里，各個(gè)表面（僅僅是表面）相互進(jìn)行輻射傳熱。由于維護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的速度相對(duì)較慢，其表面溫度容易達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，實(shí)測(cè)顯示此時(shí)雖然維護(hù)結(jié)構(gòu)由于表面溫度的降低，維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量由于內(nèi)外溫差加大有所增加，但增加并不明顯。人作為熱源向冷頂、墻壁和所有低于人體表面溫度的表面發(fā)射熱量，各表面吸收的熱量最后都被輻射板吸收，傳遞給輻射板的流動(dòng)冷媒。人體在室內(nèi)移動(dòng)是熱源的移動(dòng)，人體移去的空間回復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，對(duì)應(yīng)該處的輻射傳熱量也減少到原來(lái)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。輻射傳熱具有追蹤能力而且具有極快的傳遞速度。人體在輻射房間內(nèi)與穿著了空調(diào)衣相似，具有極高的效率。另一方面當(dāng)室內(nèi)各表面溫度接近輻射板溫度時(shí)，輻射傳熱負(fù)荷急劇減少，供回水溫差下降，主機(jī)能耗非常低，而此時(shí)人員的舒適度是最好的。這種狀態(tài)和對(duì)流空調(diào)完全相反，實(shí)踐證明，RCF系統(tǒng)舒適度保持較高的水平時(shí)，空調(diào)能耗沒(méi)有顯著的增加。

輻射板的得熱量主要是環(huán)境表面（也包括人和設(shè)備）輻射熱的影響所致，這種傳熱方式受表面黑度、角系數(shù)的影響很大。輻射板承受的熱負(fù)荷和風(fēng)機(jī)盤(pán)管承受的熱負(fù)荷完全不一樣。所以傳統(tǒng)空調(diào)的熱工計(jì)算方法完全不適合輻射板系統(tǒng)。目前，我們輻射板的計(jì)算參數(shù)是實(shí)驗(yàn)取得的，和對(duì)流空調(diào)負(fù)荷相差較大。按照我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，制冷機(jī)安裝比對(duì)流空調(diào)可以減少40%。

三、關(guān)于輻射板測(cè)試方法

3.1.實(shí)際輻射板的能力測(cè)試作為檢測(cè)輻射板性能是否合理是值得研究的。無(wú)論什么結(jié)構(gòu)的輻射板在輻射傳熱過(guò)程中兩個(gè)面的黑度對(duì)傳熱的影響是決定性的。表面顏色的改變可以輕而易舉地改變測(cè)試所得數(shù)據(jù)。但在設(shè)備研制過(guò)程中，需要有數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行比較。我們也制作了一個(gè)測(cè)試臺(tái)如圖所示。

在測(cè)試輻射板供冷工況時(shí)，調(diào)節(jié)熱水供應(yīng)量將熱板調(diào)節(jié)到室內(nèi)平均輻射溫度，冷板表面控制在設(shè)計(jì)溫度。在兩塊板的冷量和熱量的誤差在5%以下時(shí)，根據(jù)測(cè)得的冷板進(jìn)出水溫差和流量計(jì)算能力。一個(gè)采用RCF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、朝向做很多修正，由于輻射板隨水量和水溫的變化其能力變化幅度很大，一般是自控系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)以滿足使用的要求。這和傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大的不同。測(cè)試臺(tái)還可以測(cè)試輻射板的結(jié)露參數(shù)，調(diào)節(jié)通過(guò)在測(cè)試臺(tái)的空氣狀態(tài)，可以觀察到輻射板產(chǎn)生結(jié)露的極端數(shù)據(jù)。遇到熱濕氣候發(fā)生結(jié)露的原因是輻射板沒(méi)有形成均勻的輻射面積。

3.2.RCF技術(shù)新風(fēng)機(jī)的研究：利用干的新風(fēng)送到室內(nèi)，吸收了室內(nèi)主要是人員的濕負(fù)荷排出室外，保證室內(nèi)的相對(duì)濕度。但在中國(guó)夏季熱濕的氣候下，普通新風(fēng)機(jī)能夠去除新風(fēng)的水蒸氣已經(jīng)不錯(cuò)了，根本談不上消除室內(nèi)的濕負(fù)荷。新風(fēng)空氣機(jī)利用卡爾皮斯實(shí)驗(yàn)的原理，成功地把雙級(jí)噴水室高效熱濕交換機(jī)理使用到表冷器傳熱的實(shí)踐中來(lái)，并取得了非常好的效果。該技術(shù)證明第一級(jí)使用較高溫度的冷源處理高溫高濕的新風(fēng)，使其中間狀態(tài)達(dá)到飽和，低溫表冷器將中間狀態(tài)的空氣沿飽和線處理到設(shè)計(jì)露點(diǎn)，是個(gè)非常簡(jiǎn)單而有效的除濕方法。

3.3.RCF系統(tǒng)自控運(yùn)行：本技術(shù)遇到的一個(gè)較大的問(wèn)題是不能停機(jī)，停機(jī)后室內(nèi)溫濕度升高，再啟動(dòng)時(shí)輻射板會(huì)結(jié)露。由于輻射板強(qiáng)度低，早晨上班時(shí)特別是周一運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到舒適度標(biāo)準(zhǔn)。有些項(xiàng)目甚至不能停機(jī)在空調(diào)季節(jié)連續(xù)運(yùn)行。這些弊病嚴(yán)重影響輻射空調(diào)技術(shù)需要注意的是，寫(xiě)字樓其他大多數(shù)區(qū)域星期日是不休息的。所以在房間新風(fēng)機(jī)在白天會(huì)運(yùn)行。由于測(cè)溫傳感器設(shè)在新風(fēng)口，白天沒(méi)人的房間雖然新風(fēng)閥關(guān)閉，仍能檢測(cè)到新風(fēng)溫度。系統(tǒng)啟動(dòng)十分鐘左右，室內(nèi)達(dá)到舒適度要求了。之所以能有這樣理想的運(yùn)行質(zhì)素，除了硬件和系統(tǒng)具有足夠的調(diào)節(jié)能力之外，完善的自控邏輯設(shè)計(jì)是運(yùn)行的重要保證。

四、 結(jié)論

輻射及新風(fēng)舒適度系統(tǒng)是個(gè)非常好的技術(shù)。專利輻射板利用較低的能源成本形成了較大的冷輻射強(qiáng)度，并且具有很好的調(diào)節(jié)性能；簡(jiǎn)單而實(shí)用的專利新風(fēng)機(jī)完全解決了新風(fēng)和室內(nèi)的余濕，本技術(shù)成功解決了結(jié)露的弊?。煌暾煽康淖钥叵到y(tǒng)是RCF技術(shù)正常運(yùn)行的保證。

和傳統(tǒng)空調(diào)運(yùn)行特點(diǎn)的對(duì)比，在研究輻射板傳熱的過(guò)程中，將輻射板傳熱用平板表面換熱理論來(lái)處理，而忽視了輻射傳熱部分的主要影響，是導(dǎo)致本技術(shù)停步不前的根本原因。希望我們同行對(duì)此技術(shù)開(kāi)展討論，使其更加完善。建筑舒適度技術(shù)節(jié)能是個(gè)巨大的課題，我們應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起為人類(lèi)創(chuàng)造舒適、和諧和安全的空氣環(huán)境的社會(huì)責(zé)任，用最少的能源，創(chuàng)造更好的舒適度，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)！endprint