辐射换热及其应用

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1、辐射采暖制冷的研究摘要随着经济的发展，购买空调设备用于制冷和采暖似乎成为了当今唯一的改 善居住环境的措施和时尚。但是，大功率的空调设备的使用会导致能源需求的 大大提高和巨大的能源浪费，还会带了空气污染。而辐射，作为一种高效的传 热方式在改善居住环境方面有很大的作用。辐射供暖制冷的卫生条件和舒适性 标准都比较高。就我国现阶段的情况看，采暖制冷的主要能源仍是以煤炭为 主，还存在着很多的未利用能，如地下水、地表水、地表热、土壤热等，这些 低品热源的利用可以在辐射供暖和制冷中得到利用。从以人居健康舒适、环境 保护和能源有效利用为中心的空调技术进展上看，辐射供暖制冷的研究很有价 值。本文总结了一些文献中

2、的结论。关键词有效辐射，角系数，负荷，冷辐射吊顶1前言辐射供热是一种利用特质内部，如建筑物内部的棚顶、墙面、地面或其它 表面进行供热的系统。供热系统中，辐射能占总能量的50%以上的系统方可称 为辐射供热系统。按热源表面温度将辐射分为低温辐射、中温辐射、高温辐 射，这里所讨论的是表面温度低于80C的低温辐射供热。按辐射板位置又分为 顶面式、墙面式、地面式和楼面式。而辐射是一种高效的传热方式，比对流和导热等传热方式快得多。负荷与 节能使用辐射采暖，具有三个优点：1提高了壁面辐射温度，从而增强了人的舒适感。2室内温度分布较均匀，并且可以使用低温热源。3直接使辐射热作用于人体，可以降低室内空气温度,从

3、而实现节能。1辐射供暖因其节能、舒适，不占用室内使用面积等突出特点，已在北京地 区获得大面积应用。但若要在南方地区推广应用，最好能同时解决夏季供冷问 题。虽然低温地板采暖供热技术可以使室内采暖的舒适度达到极高的程度，但 其仅仅解决了冬季采暖的需要，却无法在夏季实现降温的要求，因此在一定程 度上也阻碍了地板辐射采暖技术的发展和应用。目前国内的一部分单位和企业对如何充分利用地板辐射盘管，实现夏季降 温也进行了一定的研究。最基本的解决办法向地板辐射盘管中通入冷水，以期 达到室内温度的降低，但由于夏季室内空气温度高于降温地面，阻碍到热量的 传递，热量传递效率比较低，存在接近地面部分温度梯度较大的问题。

4、解决热 量传递问题的另一个方案是天花辐射，从而加强夏季冷量的传递。本文介绍了地板辐射采暖以及天棚辐射采暖降温系统的一些特点，最后用 一种计算方法近似计算了一个采用天棚辐射采暖降温系统的房间的一些工况， 然后进行了一些自己的分析。2 .地板辐射采暖2.0简介地面采暖系统是以水或离子反应液为介质的低温辐射地板采暖系统。低温 地板辐射供暖（见图1）是将加热管理埋置于地面下，以被加热的地面作为散 热面的一种辐射供暖方式。它和建筑物构造相结合、不占用室内和地面有效空 间，可利用地热、太阳能或各种低温余热作为热 源。和常规的以对流散热为主的散热器供暖相 比，具有室内温度分布均匀、舒适性好、节约能 源、易实

5、列单户热计量、维护管理方便等独特优 点；特别是近两年来“以塑代钢”的推广，各种新 型非金属加热管材的开发与引进，为实现低温地 板辅射供暖创造了条件，同时也促进了此项技术 日益完善和迅速发展。辐射供暖用于“节能建筑” 的供暖，更显示出其独特的优越性，是一种具有 发展前途和推广价值的供暖方式。室内地表面温度宜采用下列数值：经常有人停留的地表面为2426C；短期有人停 留的地表面为2830C；无人停留的地表面为 35 40C。图1：地板采暖2.1低温地板辐射供暖的优点32.1.1低温地板辐射供暖的舒适性高、节能效果显著（1）根据各种采暖方式室内温度梯度的测试结果，地板辐射采暖方式最接 近于理想采暖方

6、式，因此在建立同样舒适条件的前提下，低温地板辐射采暖房 间内的室内温度比一般以对流为主的散热器采暖的温度低2-3C。有关资料提 出，室内设计温度每降低1C可节约燃料10%左右，按天津市的第二期建筑节能 目标，每年供暖煤耗为11.8kg/平方米（按冬季供暖期室外平均气温为-1.2C、 室内平均温度为16C计算），当室温降低1-3C时，节约的燃料可达7-17%。由 此可知，地板辐射供暖不仅给人们以舒适的环境，同时其节能效果也十分可 观。（2）辐射供暖室内温度分布均匀根据卫生要求，人长期停留的房间地板表面温度不应高于30C，然后温度 沿垂直方向迅速降低，在距地面30cm左右达到室内设计温度（16-1

7、8C），距 地面30cm以上的垂直方向温度基本不变化。地板采暖系统热容量大，混凝土的 蓄热功能强，因此稳定性好。地面辐射热对人体足部、腿部有良好的保健作 用，给人以脚心暖起头部温和的舒适感。符合“温足凉顶”的中医理论。同 时，由于上部空间温度的降低，大大地减少了上部空间向外的无益热损失。2.1.2地板辐射供暖的加热管埋置于地面下，因而它具有其它供暖方式所 没有的特点：（1）地板辐射供暖的散热面是被埋置于构造层中的加热管加热的表面，它 和建筑构造相给合、主要房间的地面上无任何管道设备，不占用房间和地面的 有效面积（按统计一般的散热器约占1-3%供暖建筑面积）。因此，采用这种供 暖方式，不仅相对的

8、增加了建筑面积，而且不破坏室内环境，同时也避免了因 包装暖气设备所带来的能源和资金的浪费。（2）便于进行调节和控制只要在分配器处分别为各环中设置调节或控制装置，就可以方便地分别对 不同朝向房间的供热量进行调节和控制，满足各房间所要求的不同工况。（3）便于进行单户的热计量采用辐射供暖时只要在用户分配器前加一个热计量装置即可实现。据北欧 一些国家统计，采用按热计量收费代替按供暖面面积收费可以节约能源20- 30%。2.2地板辐射采暖的缺点。（1）地板采暖要求建筑层高（每层）增加6-8厘米，管道安装需与土建施 工同步进行。（2）造价较散热器采暖高，但据生产厂家透露，近一年来全国已由几个生 产厂家发展

9、到200多个，随着生产量的增加，价格必须成降低的趋势，比如秦 皇岛住友新型建材有限公司提供的地板采暖的平米造价已很接近于散热器采暖 的平米造价，因此地板采暖具有很大的发展潜力。2冷辐射吊顶概述2. 1简介天棚辐射采暖降温及新风空调系统是将聚丁烯盘管敷设在顶部混凝土板 内，通过载体的不断循环，加热或对顶部混凝土板进行降温，传热以辐射传热 为主，并辅助补充适量新鲜空气的新方法。在夏季将冷水通入埋在混凝土中的 聚丁烯盘管中，冷水在夏季供水温度为20C回水温度为22C 通过2C温差 来吸收室内热量，有效的解决的夏季降温的问题；而在冬季，聚丁烯盘管内的 供水温度为28C回水温度为26C同样是通过2C温差

10、来向室内辐射热量。 此低温差辐射方式的特点是采暖和制冷的效率高于空气对流，其辐射传热形式 无其它传热形式引起的空气对流所造成的不适感。其均匀的温度创造一最佳的 热环境。系统的自身工作原理可以使系统具有很好的温度自动调节性能。2. 2这种辐射吊顶系统在应用上尚未被普遍接受的原因：2. 2. 1由于其结构的限制，从水到室内的传热过程存在一定的障碍，虽然 选择金属材料可适当降低传热热阻、提高系统承压能力等，但又带来重量大、 成本高等问题（见图2），因此辐射吊顶系统尚未被普遍接受。图2几种典型的欧洲辐射吊顶板产品结构52. 2. 2由于辐射吊顶必须工作在干工况，即夏季供冷时吊顶表面绝不允许 结露，因此

11、其适用条件比较苛刻，要求设计计算准确；此外，这类辐射吊顶系 统必须配备专门的通风系统和空气处理装置，从而保证室内基本卫生要求，并 除去室内产湿量，保证吊顶表面不结露，因此整个系统较复杂，对设计和运行 管理水平要求较高。2. 3注意的问题冷辐射吊顶的应用有几个问题值得注意:第一，用冷辐射吊顶的房间,窗户必 须采取外遮阳措施，以减少太阳辐射对室内的影响;第二，在我国南方高温高湿地 区，必须对围护结构、空调水系统以及自控等方面采取一系列技术措施，确保冷辐 射吊顶不结露;第三,即使不采用置换送风，室内气流组织也应作仔细考虑。室内 空气如果没有一点流动,居住者（尤其是在窗际处）也会产生不舒适感。第四，由

12、 于与地板辐射采暖系统相反，其管路是安装在天花中，故若要将分集水器安放 在人体可以触及的地方，将有一排塑料管从天花垂到分集器上，有可能影响到 室内的美观，故在设计最好选择将分集水器放在不太显眼的房间或放置在墙 内。2. 4防止结露的方法为了满足用户对新鲜空气的需求，并解决室内空气在制冷情况下，有可能 在天花上及地板上出现的结露情况，彻底控制室内空气的温湿度，此系统增加 的新风空调处理系统，对室内空气进行除湿处理，以达到使用要求。在冬季，天棚辐射采暖降温系统对空气无特别要求，主要考虑到用户对空 气的需求，故自然通风及置换通风均可使用。但在夏季，特别是北京有些天的 空气相对湿度特点大，其露点温度甚

13、至达到2425C，大大高于天棚辐射采暖 降温系统的工作温度，虽然这种天气出现机会不多，天数不长，但其缺点是显 而易见的，极有可能出现如很多冷辐射顶系统出现过的天花板上滴水的现象， 而且此系统更可能出现上层用户的地板上出现结露的情况，故此不能完全使用 室外空气来对室内换新风，必须对空气进行干燥处理，以使其露点温度低于天 花板的温度。在北京安装天棚辐射采暖降温系统在一般情况下需安装新风处理 系统，但可以设想，在较北京干燥的地区如西北地区或更北的地区，如新疆等 地区，在经过对当地气候条件的详细调查后，若其空气夏季露点温度低于系统 在天花板表面的工作温度，此系统将可以基本上免去一套空气处理系统的价 格

14、，将有更大的市场推广价值和前景。3实例计算分析在这里，我以辐射吊顶为例进行实例计算分析。并且，不考虑送风系统的 影响。3. 1基本模型3. 11基本假设以及一些近似在描述基本模型之前，首先重复一下在进行建筑物室内长波辐射换热分析 时，被广泛认同的一些基本假设，下文中的辐射均是指长波辐射：参与辐射换热的围护结构内表面以及室内热源表面均为漫射灰表面，表 面吸收率与发射率为常数，不随温度变化；表面发射和反射辐射能量，在空间内都是均匀、漫分布表面是等温面空气作为介质，对于辐射完全透过。另外，在计算过程中一些近似：首先是定性温度上，由于各个表面的实际 定性温度不一定一样，主要是辐射吊顶和其他壁有差别，但

15、考虑到这种差别对 结果影响较小，为了计算简便，这里取的是一种值；还有因为同样的原因，忽 略了气体的辐射问题。这里仅考虑壁面的辐射以及对流换热。3. 12基本原理(1)辐射灰表面只吸收一部分投射辐射，其余的反射。这样在灰表面形成多次吸 收、反射现象。对灰表面的辐射换热计算要引用有效辐射使计算简化。对于某一表面，定义从其单位面积上离开的辐射能流量为该表面的有效辐射 J (Radiosity)J = so T 4 + p g(1.1)其中：G为单位时间内投射到表面单位面积上的入射辐射能量(Incident flux) 表面的净辐射热流通量(Net radiant heat flux)是另一个关心的量=J - G = - J T 4 - J )(1.2)其中利用了灰表面性质=以=1 -p 4由N个围护结构内表面围成的房间将(1.1)式应用于各个表面，则可得到对于表面iJ =bT4+G - Y J X(1.3)j =1其中角系数Xj：下标在前者为发射面，后者为投射面。将(1.3)式改写为矩阵的形式，则得到其中:XJ =。， 或 FJ = Q，F =, 6ijij1 i N1, i = j=V，0, i 尹 j(1.4a)Q = c T 4可以证明必存在矩阵x的逆矩阵甲，则式(1.4)的解可以写做J =中。，或 J = V Q(1.4)(1.4b)(1.