地板供冷研究和認(rèn)識(shí)的新進(jìn)展

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  摘要：隨著地板供暖的迅速推廣，地板輻射供冷的可行性備受關(guān)注。本文對(duì)國(guó)內(nèi)地板輻射供冷研究和應(yīng)用狀況進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)回顧，對(duì)地板輻射供冷－置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)的供冷量、防結(jié)露措施、新風(fēng)與衛(wèi)生條件、舒適性等作了總結(jié)介紹。加上置換通風(fēng)系統(tǒng)本身也可承擔(dān)一定的冷負(fù)荷，完全可以滿(mǎn)足一般建筑的要求。經(jīng)減濕處理的置換通風(fēng)系統(tǒng)的存在可以防止結(jié)露。有助于提高室內(nèi)舒適度。輻射供冷除了較高的舒適性以外，另一顯著優(yōu)點(diǎn)是在人睡眠時(shí)，免除了吹冷風(fēng)之憂(yōu)。

    1 引言

    地板供暖因其節(jié)能、舒適、不占用室內(nèi)使用面積等突出特點(diǎn)，已在北方地區(qū)居住建筑中獲得大面積使用。在夏熱冬冷地區(qū)，特別是上海、浙江等地，應(yīng)用也日見(jiàn)增長(zhǎng)。如該系統(tǒng)同時(shí)用于夏季供冷，將減少設(shè)備初投資，提高使用率，同時(shí)為住宅空調(diào)添加了一種全新的方式。頂板輻射供冷在歐洲已有較長(zhǎng)的使用歷史，在一定的條件下，使用效果良好。地板供冷在上世紀(jì)90年代以前，被絕大多數(shù)人認(rèn)為不可行，其原因主要有這樣幾點(diǎn)：（1）對(duì)結(jié)露問(wèn)題的疑慮；（2）認(rèn)為在舒適性方面，有悖于“腳暖頭冷”的要求；（3）認(rèn)為冷表面在下，對(duì)流傳熱弱，冷量會(huì)大大小于頂板供冷。直至上世紀(jì)90年代末，歐洲開(kāi)始進(jìn)行理論和實(shí)際應(yīng)用的探討[1]～[3].國(guó)內(nèi)近年來(lái)也加快了研究和應(yīng)用的進(jìn)程。研究分析和實(shí)踐證明，上述擔(dān)心有些是通過(guò)一定技術(shù)措施可以解決的問(wèn)題，有些則是慣性思維或缺乏深入研究而造成的誤解。

    2 國(guó)內(nèi)的初步研究和應(yīng)用

    1998年，筆者饌寫(xiě)論文，介紹我們?cè)诜▏?guó)所做的工作以及歐洲（主要是法國(guó)）地板供冷的應(yīng)用和發(fā)展簡(jiǎn)況[3].此后，我們與企業(yè)合作，在北方進(jìn)行了地板供冷的理論探討和實(shí)驗(yàn)研究[4].2001年起，得到南京師范大學(xué)的資助，開(kāi)始在南京進(jìn)行了地板供冷的實(shí)驗(yàn)研究，探討這項(xiàng)技術(shù)在炎熱、高濕度地區(qū)可行性。我們建造了實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了地板供冷－置換通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究，在樣板住宅進(jìn)行了空氣源熱泵帶地板供冷暖系統(tǒng)的實(shí)測(cè)研究，對(duì)地板的供冷能力、防結(jié)露措施、舒適性、實(shí)際應(yīng)用效果、能耗、模擬計(jì)算方法等進(jìn)行了較為系統(tǒng)、全面的研究和探討[5]～[11].2000年起，我們?yōu)橥Ｖ嗅t(yī)院病房大樓（建筑面積 126000㎡）設(shè)計(jì)了地板供冷暖－置換通風(fēng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，由于資金緊張，工程停了近兩年，目前尚在施工中，所以還無(wú)法了解實(shí)際使用效果。2002年底又得到吳元瑋先生為主任的評(píng)委會(huì)的全票支持，獲得立項(xiàng)資助，將在北京地區(qū)進(jìn)行可行性研究。

    此外，浙江大學(xué)對(duì)于地板輻射供冷系統(tǒng)的除濕問(wèn)題提出了看法[12].并開(kāi)始了在浙江的應(yīng)用研究。中國(guó)建筑技術(shù)研究院為蒙古呼和浩特市金宇批發(fā)市場(chǎng)設(shè)計(jì)了地板供冷系統(tǒng)[13].重慶大學(xué)也進(jìn)行過(guò)利用地埋管冷卻的水供給冷地板的實(shí)驗(yàn)研究。

    3 地板供冷的供冷量

    地板供冷系統(tǒng)的供冷能力如何，是設(shè)計(jì)和應(yīng)用中首先要考慮的問(wèn)題。

    3.1 地板供冷系統(tǒng)可以減少室內(nèi)冷負(fù)荷

    地板供冷系統(tǒng)中地板主要通過(guò)輻射和對(duì)流作用與房間進(jìn)行熱量交換。平均輻射溫度成為影響室內(nèi)熱舒適的重要參數(shù)，平均輻射溫度和空氣溫度的共同作用可以用作用溫度（Operation temperature）來(lái)反映。當(dāng)室內(nèi)空氣流速較低時(shí)（低于0.2m/s）時(shí)，平均輻射溫度和室內(nèi)空氣溫度的差異將小于4℃，此時(shí)作用溫度近似等于空氣溫度和平均輻射溫度的平均值，這意味著二者對(duì)于室內(nèi)熱舒適的影響是同等重要的。由于輻射供冷時(shí)室內(nèi)平均輻射溫度的下降，作用溫度可降低1～2℃，比之傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，在相同的熱感覺(jué)前提下，地板供冷系統(tǒng)可以將室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度提高1～2℃，則其冷負(fù)荷比常規(guī)系統(tǒng)的冷負(fù)荷要低10%～20%.

    3.2 地板供冷相對(duì)于頂板供冷具有更高的輻射角系數(shù)

    采用地板供冷，相對(duì)于天花板供冷而言，其對(duì)流換熱量較小。但對(duì)于輻射供冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輻射換熱是主要部分，而影響輻射換熱的一個(gè)重要參數(shù)是人體和輻射冷表面之間的角系數(shù)。該值的大小取決于人員和冷表面之間的距離以及冷表面的面積。在面積相同時(shí)，比之其它冷表面（墻壁，窗戶(hù)，天花板等），地板對(duì)人體有著更高的角系數(shù)。一個(gè)處于6m×6m房間中央的人員，采取站姿時(shí)對(duì)地板的角系數(shù)為0.37，坐姿時(shí)對(duì)地板的角系數(shù)為0.4.作為對(duì)比，人體對(duì)天花板的角系數(shù)一般僅為0.15～0.20.由此可以看到，地板溫度降低1K帶來(lái)的平均輻射溫度的降低相當(dāng)于把天花板溫度降低2.5K.所以雖然地板供冷對(duì)流換熱量小，但是其輻射換熱能力的增強(qiáng)卻更加明顯。

    3.3上升氣流和氣流擾動(dòng)可加大對(duì)流熱交換

    冷表面在下，地面附近有一層低溫的空氣，當(dāng)遇到人體等熱源時(shí)，這層空氣被加熱上升，會(huì)增大對(duì)流換熱。冷地板也可以配合風(fēng)扇使用，可增大換熱能力約15%.

    3.4置換通風(fēng)系統(tǒng)可大幅度提高地板供冷的能力

    一般情況下，地板和房間的對(duì)流輻射綜合換熱系數(shù)約為7.5W/（m2.K）[1].如果地板表面溫度為19℃，房間作用溫度為26～27℃ （相當(dāng)于常規(guī)空調(diào)下室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度28℃），地板供冷量為53～60W/m2，可滿(mǎn)足圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫較好的居住建筑的要求，加上置換通風(fēng)系統(tǒng)本身也可承擔(dān)一定的冷負(fù)荷，完全可以滿(mǎn)足一般建筑的要求。

    需要指出的是，輻射供冷象輻射供暖一樣具有“自調(diào)節(jié)”功能，當(dāng)室內(nèi)輻射負(fù)荷加大，例如，當(dāng)日射直射輻射較大時(shí)，地板或房間墻壁內(nèi)表面溫度升高，將大幅度提高地板與房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)其余表面的輻射換熱量。地板供冷的能力可高達(dá)100～150 W/m2[1].

    4 地面結(jié)露問(wèn)題

    當(dāng)供水溫度較低或室內(nèi)濕度較大時(shí)，單一的地板供冷系統(tǒng)地板表面可能結(jié)露，此時(shí)冷地板承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷的能力將受到削弱，不能滿(mǎn)足室內(nèi)冷負(fù)荷的需要。一些標(biāo)準(zhǔn)推薦室內(nèi)的設(shè)計(jì)相對(duì)濕度上限為60%～70%（ISO 1994；ASHRAE 1992），在室內(nèi)空氣溫度26℃時(shí)，露點(diǎn)溫度相應(yīng)為17℃～20℃；德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定含濕量的上限為11.5g/kg，露點(diǎn)溫度相應(yīng)為16℃。這表明地板的溫度應(yīng)高于16℃～20℃。另外，當(dāng)門(mén)窗開(kāi)啟時(shí)，室外的熱濕空氣進(jìn)入，接觸到低溫地板也容易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。

    經(jīng)減濕處理的置換通風(fēng)系統(tǒng)的存在可以防止結(jié)露。新風(fēng)的送入有可能使室內(nèi)維持正壓，阻止室外濕空氣的進(jìn)入。另外，置換通風(fēng)方式的特點(diǎn)之一是可以在地板的表面形成一層空氣湖，用一層露點(diǎn)溫度較低的比較干燥的空氣將地板覆蓋，可以阻止室外滲入的熱濕空氣與低溫地板直接接觸，同時(shí)也可以保證足夠低的供水溫度，以滿(mǎn)足室內(nèi)冷負(fù)荷的需要。

    根據(jù)要求的不同，除濕送風(fēng)也可以使用風(fēng)機(jī)盤(pán)管或集中式系統(tǒng)，也可以使用單體的除濕機(jī)，可以經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比來(lái)確定方案。

    5 新風(fēng)與衛(wèi)生條件

    單獨(dú)采用地板供冷系統(tǒng)時(shí)，室內(nèi)沒(méi)有新風(fēng)送入，空氣條件要受到影響。增加置換通風(fēng)系統(tǒng)后，可以由地板供冷系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，置換通風(fēng)系統(tǒng)送入新風(fēng)滿(mǎn)足人員衛(wèi)生條件要求以及承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷，從而滿(mǎn)足人們對(duì)新風(fēng)的需求。置換通風(fēng)系統(tǒng)將新風(fēng)直接送入工作區(qū)，較低的新風(fēng)由于密度較大而沉積在地面附近并擴(kuò)散到整個(gè)室內(nèi)地面，在地板上形成一層較薄的空氣湖，地面冷氣流遇到室內(nèi)的熱源（人員及設(shè)備）時(shí)產(chǎn)生向上的對(duì)流，使得新風(fēng)在熱源的浮升作用下向室內(nèi)上部流動(dòng)，形成室內(nèi)空氣流動(dòng)的主導(dǎo)氣流。置換通風(fēng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生熱力分層現(xiàn)象，即會(huì)出現(xiàn)一個(gè)上部混合區(qū)和下部單向流動(dòng)的清潔區(qū)。上部區(qū)域是紊亂的混合區(qū)，下部區(qū)域則為向上的熱氣流區(qū)和周?chē)鍧嵖諝鈪^(qū)。清潔空氣區(qū)的空氣參數(shù)和送風(fēng)空氣近似相等，與傳統(tǒng)的混合通風(fēng)相比，新鮮空氣在工作區(qū)得到較好的利用。實(shí)驗(yàn)證明，置換通風(fēng)的換氣效率通常介于0.5～0.67之間，通風(fēng)效率介于100%～200%之間[14]，通風(fēng)效果要明顯優(yōu)于混合通風(fēng)。

    6 地板供冷的熱舒適性

    6.1 室內(nèi)空氣溫度梯度

    目前對(duì)于地板供冷/置換通風(fēng)系統(tǒng)熱舒適方面的擔(dān)憂(yōu)主要反映在房間的負(fù)溫度梯度上，認(rèn)為地板供冷在冬季給人以“頭涼腳暖”的感覺(jué)符合人體衛(wèi)生學(xué)要求，同一套系統(tǒng)用于夏季供冷將喪失這一優(yōu)點(diǎn)。

    首先，對(duì)地板供暖的研究表明，除去房間頂部一小段高度以為，房間縱向溫度均勻，因此，“腳暖”是實(shí)，“頭涼”則缺乏比較的基礎(chǔ)。其次，寒冷的冬季希望“腳暖”；炎炎夏日，求地面涼爽而不可得，哪有期盼“腳暖”的道理？

    研究表明，地板溫度控制在18～19℃以上已完全可以滿(mǎn)足冷負(fù)荷要求，（ASHRAE 提出坐著的輕體力勞動(dòng)者，地面適宜的溫度為18～26℃），這一溫度在夏季不會(huì)產(chǎn)生“腳冷”的感覺(jué)。此外由于地板表面溫度均勻，地板供冷中的對(duì)流成份較低 （約為20%[1]），使得豎向溫度很均勻，溫度梯度僅為1.5～2K/m[3]，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730在高度0.1與1.1m之間的溫差不能超過(guò)3K的要求，人體的舒適性可以得到保證，當(dāng)然也不會(huì)有“頭熱”的感覺(jué)。

    6.2 輻射換熱具有良好的熱舒適性

    地板供冷/置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)在提高室內(nèi)空氣品質(zhì)方面有許多固有的優(yōu)勢(shì)。在舒適條件下，人體產(chǎn)生的全部熱量，是以一定的比例散發(fā)的：大致為對(duì)流散熱占30%，輻射散熱占45%，蒸發(fā)散熱占25%.從中可以看出輻射換熱對(duì)人體的舒適感是很重要的。而地板供冷/置換通風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)中地板輻射供冷就彌補(bǔ)了傳統(tǒng)空調(diào)中以對(duì)流冷為主的不利因素，增加了人體的輻射換熱量，有助于提高室內(nèi)舒適度。輻射供冷的另一顯著優(yōu)點(diǎn)，是在人睡眠時(shí)，免除了吹冷風(fēng)之憂(yōu)，從這一角度出發(fā)，可否稱(chēng)為“有利于睡眠的降溫方式”。

    7 結(jié)論

    （1） 為防止產(chǎn)生腳冷的感覺(jué)及受到空氣露點(diǎn)溫度的限制，地板供冷系統(tǒng)冷量受到限制，在一般情況下，不超過(guò)70W/m2.但由于輻射作用，冷負(fù)荷要比常規(guī)系統(tǒng)低10%～20%，此外可以通過(guò)送風(fēng)承擔(dān)一部分負(fù)荷，所以完全可以滿(mǎn)足一般使用要求。

    （2） 在氣候較為潮濕地區(qū)，要有除濕設(shè)備。如果與新風(fēng)機(jī)組+置換通風(fēng)/混合送風(fēng)結(jié)合，則又解決了新風(fēng)問(wèn)題。當(dāng)然，也可以使用風(fēng)機(jī)盤(pán)管或可移動(dòng)式除濕機(jī)進(jìn)行除濕，但此時(shí)室內(nèi)衛(wèi)生條件降低。

    （3） 地板供冷無(wú)論在地面溫度、水平與豎直方向溫度場(chǎng)的均勻程度，還是在吹風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)方面，都能夠滿(mǎn)足舒適性要求，特別在人睡眠時(shí)，免除了吹冷風(fēng)之憂(yōu)，是舒適性方面顯著的優(yōu)點(diǎn)之一。