郑鸿宇聊辐射供暖供冷技术

    《主编会客厅》

如何打造基于辐射冷暖、置换新风的健康、舒适的室内环境

 

      在行业发展进入裂变时代，在人人都叫喧“大数据”时代的背景下，什么样的产品和技术能够突破固有盈利模式，实现利润的N次方转化和升华？在环境问题愈加严重的今天，能够打造一个真正意义上的高效节能、健康舒适的室内环境，或许这就是我们期待的答案。
 

      本期嘉宾——郑鸿宇，意大利瑞贝姆（rbm）中国区技术总监，国内舒适家居领域权威人士，分享“如何打造基于辐射冷暖、置换新风的健康、舒适的室内环境”。（说明：本讲座来源于“南方采暖”微信群，由于为微信直播版本，所以请大家不要太纠结于稿件的逻辑性。谢谢理解！）
 

      1、我们常常挂在嘴边的“辐射冷暖系统与热舒适”，究竟是什么？

      Fanger热舒适方程是以人体热平衡为出发点，认为热平衡是人体热舒适的必要条件。但是热平衡可以通过生理调节能力来实现，例如出汗和寒颤，但这些都不是舒适状态；另外，人体还可能会处于整体热平衡、局部热不平衡状态，这也会引起局部不舒适。

 

      因此，热平衡不是人体热舒适的充分条件。这些状态就不能用Fanger热舒适理论来评价。现在很多学者对于人体热舒适是否是在稳态热平衡下达到产生质疑，并通过一些实验结果和现实中的现象提出了人体热平衡是在动态变化中达到的，长期处于同一个热环境并不能使人感到舒适。
 
     意大利学者Roberto:emoji: Messana，在他的《理解舒适》（2011年第二版）一书中，基于Fanger的热舒适方程提出了，量化舒适的概念。把人体在自然蒸发的状态作为热舒适的评判标准之一，同时分析了环境对人体的辐射、对流和人体的自然蒸发三者的比例关系，得出了以辐射为主动的、以对流为被动的传热方式是最接近于自然环境的传热方式，找出了了传统空调的误区，确立了辐射供暖、供冷舒适节能的理论基础。

 

     2、辐射冷暖系统的节能机理是什么？

 

     人体的散热需要环境来平衡，人体的散热需要环境来平衡，这是一个辐射供暖的状态，红色代表辐射量所占百分比。蓝色部分代表人体的蒸发量，绿色部分代表对流部分的百分比。

 

     从这两张图标上我们可以看出，同样带走人体的热量，可是环境的温度是不一样的，在对流系统当中环境温度需要达到22℃，因为这个时候环境的辐射带走的热量的比例特别高，所以不得不提高对流的温度来保持人体的热平衡，反之在辐射系统当中由于辐射壁面温度的升高，反而带走人体热量降低，从而也降低了空气对流所需的温度。这是在辐射供暖当中节能的机理之一。

     同时在辐射供暖当中，由于对流的降低使空气的扰动速度也降低，带来和散热面的对流换热系数的降低（使外墙的热阻升高），这里节约了大量的能量。

     有人常常认为，夏天比冬天消耗的能源多。其实不然，夏天节能的量，从理论研究和实际运行情况看，比冬季还要大的多，这个数值有时候会达到40~50%。

      我们来看一下图标。
 

      这是同一个人在不同对流系统和冷辐射系统中的情况

 

      第一张图代表传统的对流空调系统的状态，在这个系统中冷辐射带走的热量只占到了20%，而对流带走的热量占到了32%，人体的蒸发量为41%。我们再看辐射系统（第二张），辐射增加到了47%、对流降低到了20%，蒸发降低到了31%。

     再看空气温度，对流系统24℃，50%RH，露点在13℃左右，辐射系统空气温度25.9℃、50%RH，露点增加到了14.7℃。

     从以上图标以及数据值中我们可以看出，要达到同样的人体舒适度，对于处理空气的量，无论是显热还是潜热，在辐射系统当中都被大大的降低了，热体向环境的散湿也在下降。

     从而我们能得出结论：辐射系统能耗被大幅度降低。顺便说一句，虽然壁面温度在辐射系统当中比对流系统要低，也就是外维护结构温差传热有可能增加，但是同样对流换热系数的降低又增加了外墙热阻，是否能够抵消我们不能确定，但是通过外围护结构的传热只占夏季空调负荷的一小部分，权重并不高，同时在辐射系统中空气温度升高了，这也降低了外围护结构的传热温差，因此这个因素影响很小。 

     从实际应用来看，我们在选择冷机的制冷量上也能看出其节能潜力（大约值为传统空调的50%）。 例如在北京，310㎡的住宅只用12KW的冷机，去年夏天八月份，房间温度最低可以降到22℃（再低了我们没试过）；在杭州，300㎡的别墅我们只选了17KW的冷机。

     在冷辐射的系统当中，系统给我们带来了非常舒适和节能的环境，为什么会这样呢？ 

     传统空调是有误区的，Carria博士在1901年发明了传统空调，在1910年发明了焓湿图，他发明空调的目的是为了给一家造纸厂解决纸张存储环境的温湿度问题。但是人不是纸，人是自然的孩子。 

     自然是什么样的呢？地球是以太阳的辐射为主导的，太阳的辐射推动了大气的对流在加上地球的公转引起的辐射角的变化，形成了春夏秋冬，造就了地球万物和人类的生存环境。 

     反过来我们看，传统空调是以对流为主导的传热方式，辐射的作用在传统空调中只能处于被动的状态，在传统空调中壁面的温度比空气的温度通常要高3℃以上，这是传统空调的误区。而辐射空调系统平均辐射温度是低于空气温度的，空气的状态处于被动，这刚好模拟了自然的环境。人类是自然的孩子，当然会更适应这样的环境。 

     所以，我们很同意，国内的一些同行把它叫做“生态空调”。

     重要结论：在某些条件下，在辐射空调系统里辐射体表面的温度是起决定性作用的。辐射强度越大，节能效果越明显，但是它是由边界条件决定的，这是个重要结论。这个结论将直接影响我们对辐射空调，尤其是在辐射供冷方面的基本思路。 

     3、现代的辐射空调系统

     大家都知道辐射空调系统由风系统、水系统和控制系统三个部分组成，在这里我们从几个关键的方面谈一下应该如何去做：

     A、定水温还是变水温：

     首先我们来看一下下面的公式（欧盟EN15377关于辐射供暖供冷的一些公式）：地板供热&天花制冷: q = 8,92 (θS,m - θi)1.1       

θS,m 是表面平均温度; θ i 是设计室内温度墙面辐射作为辐射源（冷&热）:q = 8 (θs,m - θi ) (W/m2) 天花辐射供热:q = 6 (θs,m - θi ) (W/m2) 地板辐射供冷：q = 7 (θs,m - θi ) (W/m2) 

     我们要仔细的看着个公式，这个公式并不完全适用于局部吊顶，但这个公式是一个经验公式，我们能从这个公式当中看出一些端倪：散热量是由辐射源表面温度和空气的温差来决定的，置于各种系数的大小是由于对流的作用不同而产生的，这又是一个重要结论。 
 

     这个结论告诉我们，作为辐射系统调节表面温度是最为重要的。而表面温度如果要迅速变化质调节起到了决定性作用，相比量调节就显得反应太慢，所以在辐射系统中无论供暖还是供冷，变水温是调节的王道。现代辐射空调技术的第一个结论就是——变水温的思路。

     通常国内目前的系统大多数以定水温为主，这是有非常大的局限性的，管件是水温怎么变。我们的结论是夏季随着露点变，冬季随着室外温度变（也就是气候补偿）。这也是在夏季解决结露问题的核心手段。

     当室内的露点发生变化的时候，一定水温要跟着变化，这样才能带来较高的辐射强度，因为只有这样我们才能始终保持表面的最低温度和露点之间有一个稳定安全的距离，这个距离决定了你的冷凉的大小。 

     同时表面温度是一个非常重要的问题，我们举个例子：在同样的露点下，会出现不同的表面温度，系统需要精确判断：
 

     4、辐射末端是辐射板还是毛细管？

     表面温度的判断成了冷量的最为重要的原因，这就将引出一个问题：毛细管还是辐射板？

     毛细管自身结构带来的问题：稳定的热阻和单向传热的意义；阻氧的意义；支管与干管造成的的表面温度不均的问题；堵塞的问题。

     毛细管由于没有保温，表面热阻的不稳定等等因素决定了它无法通过实验的手段知道表面温度的变化规律。所以采用辐射板才是正确的思路，当然辐射板形式可以有各种各样。 优秀的辐射板即使在常规的状态下，比如露点在14℃的情况下辐射量可以达到90W/㎡。 

     另外一个关于辐射板的重要的结论：复合板表面温度越均匀性能越高。

     5、关于结露的问题

     首先，只有表面温度低于露点温度时才会结露。如果表面温度始终高于露点温度就不会结露。这也是使用变水温的一个原因。另外还要应对在高温高湿地区的极端状态，在极端的状态下，我们可以采用分区的方式来解决一些问题。先把房间分成几个区域，让这些区域之间先相互不影响，这样就可以先减少一些麻烦，比如说我们把居住区如卧式和活动区

   （如客厅、餐厅等）先分成不同的区。更为重要的是系统需要学会判断哪个房间突然露点升高，然后可以先把它关掉，而不影响其它房间。这时除湿是联动的，等到露点重新回到某个范围内时，再把它加入到系统当中，我们通常称这个思路为：平均露点法。 

     如果再有高难度的问题，请家装窗式传感器。但是这个传感器需要会判断室外的环境状况，因为不是每一天都是高温高湿。 

     辐射空调结露是个大问题，直接影响到冷量和系统安全，优秀的防结露系统无论在任何时候都会避免结露。主要体现在一下四个方面:1、变水温；2、分区控制；3、平均露点；4、额外加装门窗式传感器。以上4条会保证你无论是在香港、上海还是在迪拜均会高枕无忧。（牺牲辐射强度换来的不结露是毫无意义的。比如大家使用19℃、20℃甚至20℃以上的水温。）

     6、辐射供暖的控制方式——气候补偿是王道

     气候补偿又分室内气候补偿和室外气候补偿，因为在供暖的系统当中对负荷影响的不利因素主要是室外温度。所以，把室外温度和供水水温之间形成一个函数关系是非常重要的，如图： 
 

      这是清华大学实测的某小区的辐射供暖的72小时曲线。下面蓝色的是室外温度的变化，上面绿色的是系统的供水温度变化，中间的是两个房间的室内温度变化曲线。最终的结论，室内温度在±0.5℃之间波动。这是个惊人的数值，但是各位千万不能完全相信气候补偿，我们需要进一步修正，这就是室内气候补偿。

      7、关于新风：置换通风的意义，什么是置换通风。

      关于新风的三种送风模式
 

      这三种送风方式，让我们纠结的是如何理解置换通风。置换是通风绝不仅仅是下送风，置换通风的前提条件相当严格，实际工程中很难实现真正意义上的置换通风，请看下图。 

 

      只有在风温低于室温2~6℃、送风风速低于0.25m/s时（当然同时要保持洁净度），要求在控制区的侧下方上送风，并且有较均匀的气流组织，才能叫置换通风。 

       如果达不到置换通风的标准，请尽量采用混合送风，这样效果更好。因为过高温度的新风会垂直而上过低温度的新风又会淤积在房间下部的某区域，这个时候需要提高风的扰动才能达到送风效果。 

      对照这些看看我们现在的新风吧，没有任何处理就下送风就是瞎送风。除此之外就是风量和风压的问题。

      要想去除PM2.5，风压是个大问题，大家过滤器都用的挺好，但请不要忘了一个词叫“容尘量”，我们不可能每天更换过滤器，如果你使用两级过滤，一个G4、一个F7同时还要保证很好的容尘量，那么通常来说两级过滤至少需要150Pa的压力损失，你还需要150Pa的压力进行送风，所以一个很好的风机是非常重要的，但噪音的问题通常很难解决。 

      8、大数据时代的控制

      大数据时代的控制，主要有两个作用：1、远程控制使使用者更方便。这个作用我个人认为只有30%。更为重要的是远程售后服务，这个作用占到70%。 

      大数据不是大家简单认为的手机设定温度和开关，是需要对全系统的数据进行设定和传输，借图说话。

 

      那么，对于大数据时代下的行业，未来发展趋势如何？

 

      借用江亿院士对大数据的看法——他指出了我国空调行业的发展方向：末端方式创新，发展辐射末端；置换通风；降低输配能耗；分散，可高效地独立调节；发展空气源热泵；提高冷源效率。
 

       更多讨论延伸和互动资料总结

       何森*物联环境运管：1. 舒适性理论与空调理论的区别

       空调理论是开利先生建立的，其研究点是：用能量观点研究空气。也就是解决了温度、湿度变化与冷热量（能量）之间的关系。续开利之后，通过实验，许多研究者确定了适合人体的温度和湿度范围，并研发了一些列的测试仪器来测量。

       显然，空调理论是从空气的角度而不是从人的角度来研究热舒适环境。如果从人的角度研究，就是要根据人的生理特性建立热模型。人生命的特点在于新陈代谢，新陈代谢就会产生副产品—热，这个热必须及时被传出体外，才能保证生理上的热舒适。传热太少，感觉热，传热过多，感觉冷。

      人体与环境的热交换分为三部分：辐射、对流和蒸发（出汗）。出汗可以是显式（看见汗），也可以是隐式（看不见汗）。

      影响热舒适的条件有6个，同种热舒适数值，其参数组合可以有多种情况，每种情况，辐射、对流和蒸发的比例是不同的。这么多情况中，显然的能量消耗是不同的，辐射比例较大（一般大于50%）的情况，会更节能一些。也就是说：或者说辐射方式舒适，或者说辐射方式节能。 

     2. 舒适系统与恒温恒湿

     上面介绍了辐射系统是舒适的，或者是节能的。但在这种条件下，环境参数是稳定的，也就是俗称的“恒温恒湿”。如果控制环境恒温恒湿，就需要对供冷热量、空气中水蒸汽进行控制。

       需要供多少冷热量，取决于要保证设计温度，需要克服的热损失。湿度控制则是需要的加湿或除湿量（不用相对湿度表示）。这样就会导致一个问题：这些热量、水分从哪里来到那里去？是不是可以减少？

       热量的损失或获得，主要与建筑围护结构（透明+不透明部分）有关。水分则与通风情况和人数多少（人同时呼出CO2和水蒸汽）、散湿源有关。要想降低处理量就要从这个角度出发。

        郑鸿宇：基本上在解释昨天我讲的，这一节能的机理是我的师傅Messana先生的重要研究成果，在2011年他在著作《理解舒适》一文中提出，获得了欧盟EN3377编委会以及美国Asha实验室的高度重视。En3377是目前关于热舒适的欧洲标准，目前我们国家还没有这样的标准。 

        关于除湿的话题探讨

       郑鸿宇：除湿一定要温湿独立，因为室内需要新风，所以新风不能停，那么除湿就一定要变露点和温度。我们设定一个舒适值，比如25℃，55%，这时就得到一个露点，比如14℃。好了，室内我们还会测得一个真实露点比如17℃，那么现在的露点差就是3℃，意味着除湿机要开到全速，比如这时除湿机的比例积分阀会全打开，出风露点会达到10℃。 这时理论上室内露点会下降，当接近舒适露点时，系统必须改变出风露点，这时会有两种方案， 出风温度达到23度，因为你的舒适值是25℃。但是如果空气温度也高于舒适值，你就可以出10℃的风，但接近25℃必须停止，这个叫integration。  

      上面说的露点的两种方案一种是停止除湿机工作，这种是通常欧洲厂家的做法，但在重庆这样的地方效果不好，较好的方案是这时按照舒适露点略低出风，如果你的露点是14℃，那你就控制在13℃露点出风。 这些都是建立在有优秀除湿机的基础上和系统联动上，达到舒适值后就要近似等温出风。关于新风还是一部分新风掺回风，还是取决于风机的设计。

      暖通自从罗德凯尔文以后就没有新的暖通理论，已经100年了，虽然没有新理论，但暖通就像音乐，只有7个音符，每个音乐却无比美妙，所以暖通需要奇思妙想。

      注意：对流系统降低热媒品质是危险的，可能量调更好。等温出风还是低温出风取决于需要，这个时候如果低温出风有条件需要适当提高风量，这样对送风更好，因为低温出风意味着室温还没达到舒适的要求。 

       低温会有新风淤积的可能，在这个工矿下，最后大点风量。当系统趋近于设定值也就是舒适，风量要回到设定初始值，风温也要在室温减2℃最为合适，这一设定也是要在新风机组内完成，所以，这套系统有一个大脑，收集各种信息，来决定什么时候干什么事情。

       至于混风也是非常很总要的。因为我们要节能就不可能时时全新风，比如不在家，在家不吸烟等就不一定要全新风，土豪除外！混风一定来自卧室和客厅，排风来自厨房和卫生间，混风的目的是为了除湿。

     [编辑：孟扬]