輻射空調系統的發展研究現狀綜述

王晨光 馬小飛 言樹清 龔光彩

輻射空調系統的發展研究現狀綜述

王晨光1馬小飛1言樹清2龔光彩1

1湖南大學土木工程學院
2長沙燕通生物科技有限公司

本文針對輻射空調的優越性，按照采用冷（熱）媒的不同類型將輻射空調系統分成了三類，并對其特點進行了分析總結和對比；隨后又分別對輻射空調系統的國內外研究和發展現狀進行了概述，最后提出了空氣載能型輻射空調的概念，對其應用推廣前景進行了探討和展望，并指出下一步努力的方向。

建筑節能輻射空調空氣載能

1輻射空調的分類對比

輻射空調的形式眾多，本文根據冷（熱）媒類型將目前所采用和研究的輻射型空調系統大致劃分為三類：液體載能型輻射空調系統、空氣載能型輻射空調系統以及非流體載能型輻射空調系統，如表1所示。液體載能型輻射空調系統的典型代表有：毛細管式輻射板、金屬輻射頂板、燃氣熱水式地暖系統等等；非流體載能型輻射空調系統，主要是電熱膜輻射采暖和電纜輻射采暖系統等；氣體載能型輻射空調系統，包括蒸汽載能和空氣載能，以本文所提出的空氣載能型輻射空調系統為代表。

表1基于不同冷（熱）媒的輻射空調分類

2輻射空調國外研究現狀

2.1與系統性能相關的研究

國外學者在對輻射型空調系統的性能研究上做了大量的工作。典型的有：Mostafa Rahimi等在一個設有輻射地暖的封閉空間內進行輻射和自然對流狀況的研究[1]；Ala Hasan等采用動態仿真技術，將散熱器-輻射地暖組合式的低溫熱水系統的性能與單獨使用散熱器和輻射地暖時的性能進行比較研究[2]；Dong Hwa Kang等研究了在一個裝有輻射地暖的住宅中污染物的排放和濃度影響因素[3]；Niu J等探討了輻射頂板供冷的節能可能性[4]；L.B.Kilkis等研究了頂板輻射供冷和供熱的模型[5]；Morteza等建立了輻射冷頂板與熱區域的換熱模型，該模型中考慮了人體與輻射冷頂板的換熱，重點分析了輻射換熱的角系數計算[6]；Yizai等建立了采用導熱板為傳熱中介的輻射冷頂板傳熱方程，分析了影響頂板換熱的因素[7]；Corinastetiu利用能耗模擬軟件Radcool和DoE-2研究了某辦公室分別使用的傳統變風量系統和冷卻頂板空調系統能耗對比[8]；Parameter Switchinc進行了地板輻射供暖系統的控制的研究[9]；T.Y Chen針對一個具有較大熱滯性的系統的適應預測性控制應用的研究[10]；Myoung-Souk Yeo則研究在住宅建筑中地板輻射供暖和制冷的控制方法[11]；法國的J.Miriel等人對頂板輻射供冷暖系統開展了研究，結合實驗和數值模擬對該系統的性能、熱舒適和能耗等各方面進行研究[12]。R.k.strand等給出了一個輻射供冷暖模型并應用于通用建筑能耗模擬程序中，該模型適用于任何規模和任意體形的建筑結構[13]。韓國學者Jae-Han Lim等對應用于住宅建筑中的輻射供冷系統的控制方式進行了相關研究[14]；韓國學者Doosam Song開展對結合通風除濕后的地板輻射供冷系統的性能研究[15]。

2.2與室內環境相關的研究

MartinBehne通過實驗分析了混合通風加輻射冷頂板供冷系統的舒適性[16]；德國Sodec教授利用軟件TRNsys研究比較了冷卻頂板與變風量系統在能耗經濟性上面的差異[17]；Masaki Manabe等研究了人體熱輻射環境的形狀因子模型[18]；Doosam Song對地板輻射供冷系統聯合通風除濕系統做了性能評估[19]；瑞典學者Katarina Heikkin介紹了一種環境影響評價方法[20]；Jan Fredriksson就冷卻頂板空調系統的速度場與氣流組織進行了實驗研究[21]；法國的Tiberiu Catalina等用數值模擬與實驗相結合的方法對一個裝置了冷卻頂板的實驗室的熱舒適狀況進行了評估[22]；Abdelaziz Laouadi研究了輻射供熱與供冷的模型，發明了一種針對輻射供冷暖系統的建筑能耗模擬軟件[23]；泰國學者Rizwan Ahumed Memon等對輻射供冷系統做了實驗研究，并對該系統熱舒適性進行評估[24]；葡萄牙學者Eusebio Z.E等對輻射空調系統的熱舒適性進行了實驗研究，以24位學生和一位老師為研究對象，對教室內分別采用輻射空調系統和傳統對流式空調系統這兩種情況進行熱舒適性評估[25]。

3輻射空調國內研究現狀

3.1與系統性能相關的研究

在國內，閆振華進行了基于蒸發冷卻輻射供冷/熱空調系統實驗研究，并對“基于蒸發冷卻的地板輻射供冷復合式空調系統”和“基于蒸發冷卻的毛細管輻射供冷復合式空調系統”用實驗的方法對其夏季工況進行了詳細的工程設計驗證[26]。顧皓對毛細管平面空調系統進行設計研究[27]。汪明研究了基于封閉式冷卻塔的毛細管輻射空調的特點以及節能性[28]。孟瑩針對輻射供冷中的輻射頂板和地板供冷的特性進行研究并分析了其運行控制策略[29]。劉學來等研究了毛細管平面輻射空調的傳熱特性[30]。姚萬祥等以天津某居住建筑為研究對象，分析了毛細管輻射空調系統運行的經濟性[31]。余院生建立了地板輻射供冷與置換通風空調房間的輻射模型，利用了Fluent和Energy Plus軟件模擬了室內的熱濕分布以及建立了地板輻射供冷與置換通風空調系統模型運用來進行地板輻射供冷與置換通風空調房間的熱環境與能量分析[32]。楊芳進行了金屬輻射冷卻頂板的理論與應用的研究[33]。田彩霞研究了分區輻射供冷與風機盤管系統熱濕環境[34]。胡云鵬等研究了人員密度對毛細管輻射空調適應性的影響[35]。馬玉奇等利用火用分析的方法對毛細管頂板輻射空調系統和風機盤管系統進行了分析比較，肯定了毛細管頂板輻射空調系統的節能及經濟性[36]。王劍等分析了電熱膜供暖系統的特點以及經濟性[37]。白艷琴結合具體工程實例，闡述了發熱電纜低溫輻射供暖技術的應用，并對其綜合效益進行分析，提出其所存在的問題[38]。周根明等分別從仿真和實驗兩方面驗證了貼附射流降低冷輻射板表面結露可能性的效果[39]。孟瑩等通過試驗測試與理論模型相結合，分析了影響輻射供冷空調的重要因素，并得出了影響因素的關系式[40]。黎麗華等利用地板輻射熱環境專用模擬軟件對地板輻射供冷系統的3種控制方式，即室外溫度補償+室溫反饋控制、開關控制和變流量控制進行比較研究，在此基礎上分析各控制方式的熱性能[41]。李元哲研究了水盤管式地板輻射供冷系統[42]。張萌等提出了新型冷輻射吊頂的思路，并在夏季進行制冷工況實驗，得出了新型輻射冷吊頂與傳統輻射冷吊頂相比在制冷能力方面具有很大提高的結論[43]。劉英杰等對比了冷吊頂、樓板輻射供冷、毛細管席這幾種輻射空調的末端形式的供冷能力、熱舒適性、能耗以及投資方面的不同，并對其發展進行了研究[44]。傅允準等采用試驗方法分析熱泵機組供熱性能，并采用BIN法計算不同熱源方案毛細管采暖系統能耗，分析其節能性，各熱源方案的初投資和運行費用以及其對環境影響[45]。高志宏等研究了毛細管輻射供冷性能[46]。

3.2與室內環境相關的研究

黃翔等以某一實際工程為例，采用CFD模擬軟件Airpak對空調區應用兩種不同的空調系統——蒸發冷卻與輻射吊頂空調和全新風蒸發冷卻空調時的氣流分布、溫度分布及熱舒適性進行計算和分析[47]。錢鋒利用了CFD數值模擬的方式分析冷輻射吊頂（CRCP）+獨立新風（DOAS）空調系統的熱工性能[48]。竇曉輝研究了頂板輻射—自然通風空調在住宅建筑中應用的可行性和節能性[49]。袁鋒在對數學模型結果進行實驗數據驗證的基礎上，以辦公室為研究對象，進一步開展數值仿真，研究了頂板輻射—置換通風復合空調的室內熱環境[50]。郁文紅等從住宅空調的自身特點、居住環境與健康的角度分析了輻射冷卻技術在居住建筑中的應用[51]。陳露等建立供冷系統室內數值模型并運用DTRM輻射模型，針對相同面積頂板、地板和墻壁三種不同輻射供冷方式與置換通風相結合系統的室內熱環境情況進行數值模擬，比較其熱舒適性[52]。龔光彩等實驗研究了預制式超薄低溫地暖板供暖溫度特性，并對薄型低溫地暖板采暖舒適性及節能性進行實測分析[53，54]；采用蒙特卡洛法模擬了室內輻射供暖[55]；介紹了離散傳播法的原理、計算過程，并通過計算實例比較了與其他輻射供冷供熱計算方法的誤差，此方法運用于CFD、熱舒適評價以及輻射供冷供熱的設計中[56]。竇曉輝等對輻射空調的可行性和經濟性進行分

析[57]。

4結論與展望

1）液體載能型的輻射空調具有很多其他空調系統所不具備的優點：①在夏季供冷時，與常規空調系統比較節能28%～40%。②在冬季采暖時，提高了室內平均輻射溫度，增強人體的舒適感。同時，由于液體載能輻射系統供水溫度低，能耗相應較少。再者，可以使用熱泵、太陽能、地熱及低品位熱能，可以進一步節省能量，相比傳統的采暖方式節能20%～30%。③輻射供冷的峰值耗電量是全空氣系統的27%左右，其調峰作用明顯能夠提高電網效率。④采用地板或頂板供冷（采暖），有利于系統和布置方式進一步優化，減少建筑層高的增加幅度。

2）非流體載能型輻射空調以電地暖為代表，相對液體載能輻射系統來說，能夠做到免維護，不需清洗，后續保養成本較低，使用壽命高，理論使用壽命可達50年以上。

3）液體載能型輻射系統存在施工安裝難度大、后期維護調試成本高，整體壽命較短的缺點。

4）非流體載能型輻射系統因為使用發熱電纜因而存在一定的電磁輻射，長期使用對人體健康威脅較大，同時電損耗較大，浪費了大量的能源。

5）氣體載能型的輻射空調系統，很好地綜合了兩者的優缺點，在保證節能效果和熱舒適性的前提下，既能夠做到免維護免清洗，又可以有效減免電磁輻射對人體健康的威脅。

6）輻射型空調系統是目前國內外研究的前沿與熱點，但與空氣載能型的輻射空調相關的研究實踐開展不足，因此，應當借鑒已有的研究方法和經驗，通過分析以空氣為冷（熱）媒的輻射型空調系統在不同的吊頂頂板方案下室內溫、濕度梯度分布，建立起一系列系統整體性能指標、室內氣流組織形式、室內空氣穩定性指標、熱舒適性指標同溫濕度梯度分布之間關系的模型，通過模擬計算與試驗研究，提出相關的最優化的模擬研究方法和工程實踐方案。

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Ove rvie w on De ve lopm e nt a nd Re s e a rc h of Ra dia nt Air Conditioning Sys te m

WANG Chen-guang1，MA Xiao-fei1,YAN Shu-qing2,GONG Guang-cai1
1 College of Civil Engineering,Hunan University
2 Changsha Yantong Biological Technology Co.,Ltd.

The existed problems in traditional air-conditioning system and the superiority of radiant air-conditioning system are pointed out.Radiant air-conditioning systems are classified into three kinds according to the types of refrigerant and heat medium and all the classifications are analyzed and compared.An overview of researches and current situation on radiation air-conditioning system at home and abroad is drawn.The concept of radiation air-conditioning system based on air transforming and storing energy is suggested,and the popularizing value and further development direction of it is discussed and prospected.

building energy saving,radiant air-conditioning system,air transform and store energy

1003-0344（2014）05-047-5

2013-9-14

王晨光（1989～），男，博士研究生；湖南省長沙市湖南大學土木工程學院（410082）；E-mail:cgwang0515@163.com

湖南省重大科技專項（2010FJ1013）；科技部國家國際科技合作與交流專項（2010DF83650）；國家自然科學基金（51378186）