空調用輻射和新風技術的探究

宣嶺柱

摘 要：依據輻射傳熱的基本原理，研究出輻射和新風系統技術（Radiant Ceiling and Fresh Air System）簡稱RCF技術，經過工程實際的運行試驗，收集了大量實驗數據，取得了非常好的效果。測試數據證明較改造前節電40%，運行維修管理費用降低了90%。本文從另一個角度來解析RCF技術的研究思路，期望激發同行的深入研究。

關鍵詞：輻射傳熱；RCF技術

一、輻射傳熱的原理

熱輻射是一種由電磁粒子來傳播熱能的現象。它與傳導和對流有著本質的區別，它不僅有能量的轉移，而且傳熱過程中伴隨著能量形式的轉化，即熱能轉變為電磁波，輻射出去的電磁波被物體吸收，又從電磁波轉化為熱能。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），空氣在輻射換熱過程中是被視作透明的，當然如果空氣和壁面存在溫差，空氣可以通過對流的方式和壁面進行熱交換，但其換熱量和通過輻射直接交換的量相比是很小的。

任何物體在發出輻射能的同時，也不斷吸收周圍物體發來的輻射能。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（即單位時間內單位表面向外輻射的能量），隨溫度的升高增加很快。輻射傳熱量和兩個傳熱表面的絕對溫度有關外，還和傳熱面的發射率、角系數和發熱面的面積有關。

二、 輻射板系統和對流系統熱負荷的比較

在舒適性空調系統中，人體的舒適度是空調運行的唯一目標。從人體的生理學角度來看，一個中度勞動的成年男子在寫字樓的全熱負荷約為160W，酒店客人全熱負荷約為120W。也就是說，舒適性空調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。但現時空調設計和運行大約80%或以上的能量做的是無用功（與舒適度無直接關系）。

輻射傳熱的房間里，各個表面（僅僅是表面）相互進行輻射傳熱。由于維護結構傳熱的速度相對較慢，其表面溫度容易達到相對穩定的狀態，實測顯示此時雖然維護結構由于表面溫度的降低，維護結構的傳熱量由于內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冷媒。人體在室內移動是熱源的移動，人體移去的空間回復到原來的平衡狀態，對應該處的輻射傳熱量也減少到原來的相對穩定狀態。輻射傳熱具有追蹤能力而且具有極快的傳遞速度。人體在輻射房間內與穿著了空調衣相似，具有極高的效率。另一方面當室內各表面溫度接近輻射板溫度時，輻射傳熱負荷急劇減少，供回水溫差下降，主機能耗非常低，而此時人員的舒適度是最好的。這種狀態和對流空調完全相反，實踐證明，RCF系統舒適度保持較高的水平時，空調能耗沒有顯著的增加。

輻射板的得熱量主要是環境表面（也包括人和設備）輻射熱的影響所致，這種傳熱方式受表面黑度、角系數的影響很大。輻射板承受的熱負荷和風機盤管承受的熱負荷完全不一樣。所以傳統空調的熱工計算方法完全不適合輻射板系統。目前，我們輻射板的計算參數是實驗取得的，和對流空調負荷相差較大。按照我們的實驗數據，制冷機安裝比對流空調可以減少40%。

三、關于輻射板測試方法

3.1.實際輻射板的能力測試作為檢測輻射板性能是否合理是值得研究的。無論什么結構的輻射板在輻射傳熱過程中兩個面的黑度對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試所得數據。但在設備研制過程中，需要有數據對產品進行比較。我們也制作了一個測試臺如圖所示。

在測試輻射板供冷工況時，調節熱水供應量將熱板調節到室內平均輻射溫度，冷板表面控制在設計溫度。在兩塊板的冷量和熱量的誤差在5%以下時，根據測得的冷板進出水溫差和流量計算能力。一個采用RCF系統的設計，要對外圍護結構、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，一般是自控系統根據參數來調節以滿足使用的要求。這和傳統風機盤管系統設計有很大的不同。測試臺還可以測試輻射板的結露參數，調節通過在測試臺的空氣狀態，可以觀察到輻射板產生結露的極端數據。遇到熱濕氣候發生結露的原因是輻射板沒有形成均勻的輻射面積。

3.2.RCF技術新風機的研究：利用干的新風送到室內，吸收了室內主要是人員的濕負荷排出室外，保證室內的相對濕度。但在中國夏季熱濕的氣候下，普通新風機能夠去除新風的水蒸氣已經不錯了，根本談不上消除室內的濕負荷。新風空氣機利用卡爾皮斯實驗的原理，成功地把雙級噴水室高效熱濕交換機理使用到表冷器傳熱的實踐中來，并取得了非常好的效果。該技術證明第一級使用較高溫度的冷源處理高溫高濕的新風，使其中間狀態達到飽和，低溫表冷器將中間狀態的空氣沿飽和線處理到設計露點，是個非常簡單而有效的除濕方法。

3.3.RCF系統自控運行：本技術遇到的一個較大的問題是不能停機，停機后室內溫濕度升高，再啟動時輻射板會結露。由于輻射板強度低，早晨上班時特別是周一運行很長時間達不到舒適度標準。有些項目甚至不能停機在空調季節連續運行。這些弊病嚴重影響輻射空調技術需要注意的是，寫字樓其他大多數區域星期日是不休息的。所以在房間新風機在白天會運行。由于測溫傳感器設在新風口，白天沒人的房間雖然新風閥關閉，仍能檢測到新風溫度。系統啟動十分鐘左右，室內達到舒適度要求了。之所以能有這樣理想的運行質素，除了硬件和系統具有足夠的調節能力之外，完善的自控邏輯設計是運行的重要保證。

四、 結論

輻射及新風舒適度系統是個非常好的技術。專利輻射板利用較低的能源成本形成了較大的冷輻射強度，并且具有很好的調節性能；簡單而實用的專利新風機完全解決了新風和室內的余濕，本技術成功解決了結露的弊病；完整可靠的自控系統是RCF技術正常運行的保證。

和傳統空調運行特點的對比，在研究輻射板傳熱的過程中，將輻射板傳熱用平板表面換熱理論來處理，而忽視了輻射傳熱部分的主要影響，是導致本技術停步不前的根本原因。希望我們同行對此技術開展討論，使其更加完善。建筑舒適度技術節能是個巨大的課題，我們應當承擔起為人類創造舒適、和諧和安全的空氣環境的社會責任，用最少的能源，創造更好的舒適度，為節能減排做出貢獻！endprint