【观点】大话辐射式空调

聊聊辐射式空调

北京瑞贝姆辐射供热制冷系统技术有限公司 郑鸿宇
 

首先，本人非常纠结于“辐射空调”这个概念，横竖觉得这种叫法不妥，可是又无法发明个新词让大家都明白。如果说空调肯定是空气调节室内环境的意思，可辐射调节室内环境大家又觉得生僻，但辐射本身又和空气没什么关系，辐射系统里又存在着大量对流换热……有点乱！可是科学本身就是复杂多元的体系，把复杂的东西简单明了、清晰地介绍给使用者安全稳定应用，也许就是我辈存在的价值！

       1、关于热舒适说到辐射式空调不得不从热舒适聊起。100 多年前，美国人卡约尔博士（国内把他翻译成开利博士）发明了空调，从而在人类文明的历史进程里又多了一项伟大的发明，让我们即使是在炎热的夏天室内环境仍然可以舒适宜人。所以空调的本质就是为了解决人体热舒适而诞生的。可是人体怎样才能舒适呢，丹麦工业大学的Fanger 教授给出了一个研究成果，他从空气温度、湿度、人体辐射量、风速、人体穿衣多少、人的活动量6个方面给出一个综合的计算方法。其实人体是一个需要保持恒温的物体，即使是1 ～ 2℃的体温波动人也受不了。所以人体需要一个热平衡，对于人体永远在释放热量，人周围的环境一定要给一个热量平衡人才能舒适，同时人体有着极强的调节能力来保持这种平衡。

        欧洲的一些学者近些年有了新的研究，在Fanger理论的基础上更加细化。人体为了自身的热平衡主要通过3个途径来解决：一是与空气的对流换热，包括空气的温度和空气的流速；二是和环境的辐射换热，主要是人体的表面温度和环境壁面温度之间的辐射传热；三是人体皮肤的蒸发换热，这个又分为自然蒸发和强制蒸发，强制蒸发就是我们通常说的出汗。前两个作用决定第三个的情况，也就是说第三个状态决定人是否舒适！

       通过以上的研究我们就可以找到为什么辐射式空调比传统空调更舒适、更节能的理论依据。卡约尔博士发明空调并给出的计算方法，忽略了一个重要的问题：在一个有空调的房间内，空气的温度和环境的壁面温度有一个不小的温差，大概有3 ～ 4 ℃，也就是说壁面温度比空气温度高3 ～ 4 ℃，此时人体同环境的辐射传热同对流换热相比是一个较小的值，为了达到热平衡必须加大对流换热也就是降低空气温度，同时降低相对湿度，这样带来了人体蒸发量的加大，人即使达到了热平衡也并不舒适。而在辐射系统中，由于辐射的原因环境壁面的温度被降低并低于空气的温度，此时辐射传热被大大提高，同时对流换热被降低，人体的蒸发量也降低，人感觉变得非常舒适。更值得注意的是，两种工况下空气温度有较大的差值，带来了较大的节能空间！

       2、 什么是辐射式空调

       末端以辐射的形式进行供暖供冷的系统我们称为辐射式空调。辐射式空调绝不是只有辐射传热没有对流传热，而且对流传热有时量还不小, 把辐射方式分别由天棚、墙面和地面来供暖和供冷，理论上辐射换热应该是没有太大的区别，实际上的区别就是由不同位置产生的对流量的不同而带来散热量的差异。曾经有位同仁很认真地和我说，他实测的墙面供冷的冷量大于天棚供冷的冷量，理论上是不可能的，但实际上也许可能会发生，值得注意的是辐射板对面是否有高温壁面，比如窗子，这个时候墙面供冷量由于辐射角的原因可能会高于顶棚供冷的冷量，至于他们三者的关系请详见EN 15337 的计算方法。

      辐射式空调的优点是显而易见的，前段时间，本人参加了江亿老师倡导的温湿度独立调节空调技术高峰论坛，体会颇深，很多专家到会，也许辐射空调的春天要来了。可是结露问题是辐射供冷的难点和重点，会上有些专家提出辐射供冷只能解决常规供冷的40%。就目前的水平来看，我完全赞成这样的观点，因为水温给辐射表面18 ℃、温差3 ℃时，供水平均温度为19.5 ℃，表面平均温度会在21 ～ 22 ℃之间，如果此时室内空气温度在25 ℃时，冷量会在35～40 W/m2，按我们常规的系统负荷在90～100 W 左右计算刚好是40%。

      问题是我们的水温真的只能给到18 ℃吗？国外的资料和我们的辐射供冷新的规范显示，辐射表面的最低温度和室内露点温度差值在2.5～3 ℃是安全的，基于此我们来作一些判断：如果室温25 ℃，相对湿度50%。此时露点温度大约14 ℃左右，也就是说辐射源最低温度在16.5～17 ℃是安全的，如果辐射表面平均温度在18 ～ 19 ℃是非常可能的，此时如果室温为25 ℃，那么供冷量可以达到80 ～ 90 W/m2 是完全可能的。所以从理论上来讲，辐射空调达到我们所说的住宅常规负荷是完全可能的，可为什么就连18 ℃供水在实际使用中都会很危险呢？是哪个环节出了问题让我们的理论和实践有如此大的差距呢？我认为是控制环节和末端产品出了问题。

      从控制的角度来说，目前我们流行的控制大部分还停留在露点探测上，这是一种非常被动防御的方式，是欧洲10 年前就已经淘汰的技术，目前露点的控制和变水温的控制是主流，更先进的方式是表面温度修订的控制方法。从末端形式来看，我们还在应用毛细管这种已经落后的技术，不止一位欧洲工程师和我说，毛细管是“很久很久以前的事了”，目前欧洲的市场各种优秀的辐射板层出不穷。基于这两个方面的大幅度提高，目前欧洲的同行60 ～70 W/m2 已经是常规产品了，优秀的可以达到90 ～100 W/m2。

      3、 辐射末端的一些思考

      江亿老师在第2届温湿度独立调节空调技术高峰论坛的总结发言中给出了一个重要的结论：温湿度独立控制重点在末端。我辈同大师的差距就在于见山是山、见山不是山、见山还是山的境界之间的差距。让我们来看看我们目前流行的辐射末端毛细管的情况如何吧。在这里我们不提安装渗漏的问题、渗氧的问题、堵塞的问题、装饰配合的问题、流量稳定分配的问题，我们仅从辐射理论上进行分析。优秀的辐射末端一定有两个特征：一是稳定的单向传热；二是表面温度的均匀。通常毛细管没有保温，无法做到稳定的单向传热，这个很好理解；第二点很多人立刻反驳：不对呀，毛细管那么细，表面肯定均匀。真的吗？表面均匀包括两个方面：散热源和表面材料的热阻。

      没错，毛细管表面由于很细，是很均匀，可是干管怎么处理呢，管径要大3 ～ 4倍，表面人工抹灰的热阻稳定性更是无从谈起。有一次遇见一个做毛细管的朋友，他说我同意你的说法，如果我把毛细管也按你说的加上保温，做成稳态的辐射板又如何？我反问他：“你做成这样了，为什么还要用毛细管呢？不能为了做毛细管而做毛细管吧……”辐射式空调就是辐射式空调，尽管这个叫法并不完全科学，但叫毛细管空调未免就偷换概念了。因为前缀是德国的，所以就什么都是优秀的吗？上世纪90 年代德国有一款车叫捷达，让大部分国人知道什么是坐轿车的感觉，20 年过去了，德国人不解为什么还有中国人在买捷达，有人买当然就不会停产，你可以把他称为怀旧，我愿意称之为保守而僵化的思想！

       4 、新风的一些思考

       新风是个本人很想多聊几句的话题，可问题太复杂，又怕聊不明白。我们说的新风要加上几个后缀：新风换气、新风除湿、新风热交换。先说新风换气，我曾经问过几位住在京城某著名地产商开发的使用辐射空调小区的朋友，当然个人观点觉得他们辐射空调系统很差，于是我问这些朋友：“你们为什么选择买这房子，住得怎样，舒适、节能吗？”他们回答的几乎一样：“并不怎么舒适，更不在乎节不节能，但我喜欢他们的新风。”我很惊讶人们对新风的重视，也很理解目前恶劣的气候已经让人忍无可忍。可是真正优秀的新风换气系统只能出现在辐射空调系统里（如果你肯花钱，全空气也不错），因为只有辐射系统才能实现真正的置换送风，或者叫纯新风。对于这样的方式，Fanger 教授给出的名言是：或许你不得不与别人共享空间，可你不必与人共享空气！说道新风除湿又得从温湿度独立控制说起。辐射式空调是这一理论的典型应用之一，温湿度独立控制可以起到既提高舒适度又节能的效果，但辐射式空调的舒适与节能更多来自于辐射的形式。对于溶液除湿，我本人是赞同的，送入室内的新风等焓的同时又等温，不再承担显热的负荷，显然这是正确的，问题是冷冻的方法也能达到同样的效果，又可以避免卫生性的争议。目前我们使用的欧洲除湿机大部分都是等温送风的，而且COP有的可以达到6 ～ 7 的效率。新风热交换是个重要的话题，我本人不喜欢纸纤维的交换器，欧洲目前流行塑料材质的、最为先进的膜技术的，其潜热可交换60%，数据很惊人。

        5、 辐射式空调的应用

       辐射空调广泛应用于各个领域，在欧洲，医院和高档小区应用最为广泛。很多国内的专家说欧洲气候和我们不一样，在欧洲能用未必中国也能用，我很同意这样的说法，并且把这样的说法说给欧洲的工程师，他打开电脑让我看几个正在工作的系统（远程控制），数据显示系统工作的不错，并告诉我这几个住宅位置在迪拜。辐射式空调由于使用了置换式新风，在医院的应用使环境得到了很大的改善，并且节能潜力巨大。就在写此文的前几个小时，本人在意大利参观了一家医院，该医院新楼使用的是辐射式空调，老楼使用的是传统空调，医院的人介绍，他们得到的电费收据显示，新系统节能60% 以上，令人惊讶。当然我没有更加细致地分析其原因，就当故事听吧!

       [编辑：孟扬]