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上一层 结构冷暖原理图 投资成本比较 能源消耗比较 独特优势 现场铺设方式 模块铺装方式 辐射温度 毛细管网制冷 辐射制冷技术 地面结露问题 设计问题探讨 案例分析 应用范例

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平均辐射温度与辐射供暖 辐射供冷

 
   
摘要:根据人体热舒适方程,推导出影响人体热舒适的平均辐射温度变化与空气温度的变化关系,分析了人体热舒适的各种影响因素,指出在保证人体热舒适相同的条件下,如果其它条件不变,室内平均辐射温度每增加(减少)1℃,室内空气温度可相应减少(增加)1℃,通过改变室内平均辐射温度来降低室内温度设计标准,降低能耗。并系统地分析了辐射供暖、供冷系统的节能性及舒适性。
   
关键词:PMV  平均辐射温度  节能   热舒适

    1 引言
   
低温地板辐射供暖系统在我国许多城市得到了应用,冷却顶板技术在欧美得到广泛的应用。辐射供暖(供冷)是通过供暖(冷)部件或围护结构表面间的辐射换热向房间内供暖(冷)。辐射供暖时,围护结构内表面的平均温度 高于室内空气温度;辐射供冷时,围护结构内表面的平均温度小于室内空气温度。一般认为,辐射供暖及供冷系统的辐射能量传递占到50%以上,其余为对流传热。近年来地板辐射采暖及顶棚辐射供冷技术得到迅速的发展,原因是其在人体舒适性和节能上有一定的优势。下面针对平均辐射温度与人体舒适性和节能的关系进行讨论。
    2
人体舒适性
   
根据热舒适方程[1],人体热舒适可用PMV热感觉标尺来计算:

 

 

  1)式中有8个变量,而和均可由服装热阻决定,是室内风速υ的函数,W0考虑。所以影响人体热舒适的指标有6个:室内空气温度;室内平均辐射温度;空气流速,空气中水蒸汽分压力;衣着和人体代谢率。当冬、夏季衣着确定且劳动强度相同时,假设气流速度和水蒸气分压力相同,根据热舒适方程,平均辐射温度和空气温度是影响人体热舒适的主要因素。一般认为,舒适条件下人体产生的热量,大致按以下比例散发,对流热占30%,辐射热占45%,蒸发占25%。在冬季,辐射供暖系统提高室内平均辐射温度,使人体辐射散热量减少;在夏季,辐射供冷系统降低了室内平均辐射温度,加强人体辐射散热的份额,这两种情况均提高了人体舒适性。从前述人体热舒适性指标PMV可以看出,改变室内平均辐射温度,可以改变人体的热感觉,使人体直接迅速地实现热平衡,即满足热舒适方程,当PMV=0时,实现中性的热感觉。
   
在热感觉指标PMV值不变的条件下,改变室内空气温度和平均辐射温度,室内的水蒸气分压力不变,但相对湿度发生了变化。若夏季以室内参数=25℃,ф=50%为准;冬季以室内参数=20℃,ф=50%为准,温度变化时,室内相对湿度的变化见表1


1相对湿度随空气温度的变化(大气压101325Pa

 

 

    从表1可以看出,若空气中水蒸气分压力不变,夏季室内设计温度提高时,相对湿度降低;而冬季室内设计温度降低时,相对湿度升高。对于我国北方大部分地区,夏季空气需要去湿,冬季需加湿,室内空气设计温度的变化可以自然趋于满足人体对室内相对湿度的要求,同时也节省了投资。
    3
室内平均辐射温度与空气温度变化关系
   

 

    上式说明,若其它条件不变,热感觉相同时,随着室内空气温度增加,则平均辐射温度减少,反之亦然。
   
根据我国《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJ19-87)的规定[2],对于舒适性空调,夏季室内设计温度24℃~28℃,冬季室内设计温度18℃~22℃。若取夏季室内空调设计温度为25℃;冬季取20℃,分别取不同的室内平均辐射温度值,当室内设计温度增加1℃或降低1℃时,根据公式(5)可得表2和表3

 


夏季室内空气温度增加1℃时平均辐射温度的变化(℃)

 

  

冬季室内空气温度减少1℃时平均辐射温度的变化(℃)

 

 

    2说明,夏季室内空气设计温度提高1℃,平均辐射温度可近似降低1℃,而获得的热感觉相同。表3说明,冬季室内空气设计温度减少1℃,平均辐射温度可近似提高1℃,而获得的热感觉相同。当室内空气温度变化=1-5℃时,依此可计算出室内平均辐射温度的变化值,见表4


4 夏季室内平均辐射温度随室内空气温度变化汇总

 

 

    对表4的数据进行分析,可分别得出夏季和冬季的室内平均辐射温度变化与室内空气温度变化的方程:   

  

     5


   
上述试算中,在夏季提高室内空气温度、在冬季降低室内空气温度,如果采用相反的变化,同样可得出上述结论。
   
但平均辐射温度除了受辐射板及围护结构影响外,主要还受负荷大小的影响,使其变化幅度不会太大。Glueck[3]用实验方法提出辐射吊顶供冷的辐射与对流总冷量:
            q=8.92(ta-ts)1.1                (6)
   
式中标tats分别为空气温度和冷顶板表面温度()。由该公式可以看出,室内温度与辐射板温差越大,供冷量越大,而供冷量受冷负荷控制,所以平均辐射温度不能任意变化。
    4
节能分析
   
根据公式(5),室内空气温度每升高(降低)一定的温度,则室内平均辐射温度可降低(升高)相应的温度,此时人体可以获得相同的热感觉。在夏季,提高室内空气的设计温度时,可降低室内平均辐射温度;而在冬季,降低室内空气温度时,可提高室内平均辐射温度,用此变化可以实现节能,其节能途径包括以下方面:
    4.1
我国室内设计参数的温度取值是以室内空气温度为准的,夏季提高室内空气设计温度,
  
冬季降低了室内空气设计温度,使室内冷负荷及热负荷降低,新风冷负荷、热负荷也降低。对于冬季热负荷及新风冷、热负荷来说,其降低比率可近似表示为:
                         

      7


   
式中为室外设计参数。在文献[45]中提出:夏季室内设计干球温度每升高1℃,空调能耗降低8%左右;在文献[6]中提出:供暖工况下,室内设计温度每降低1℃,能耗减少5%-10%。文献[7-9]提出辐射供暖、供冷与对流换热系统比较可节能30%以上。
    4.2
辐射供暖采用的媒质较低,而为避免结露,辐射供冷采用媒质较高,为使用低质的能源如太阳能、地下水等自然冷热源的使用,提供了可能性,进一步提高了节能性,并减少了对环境的污染。对于冷媒,提高冷媒温度,冷水机组的制冷系数(COP)有明显的提高,节能效果明显,见表5[10]。供回水温度5/10℃与15℃/20℃相比,冷水机组的性能系数增加38%


5 冷水机组在不同温度下的性能系数

 

 
    4.3
由于以辐射供暖、供冷为主,送风只是补充少量的新鲜空气满足卫生要求,与全空气系统比较,大大减少了风机的能耗。与空气相比,水具有高比热和高密度的特点,可以耗费较少的水泵输送能量。
    4.4
辐射能以直线传播,被固体表面吸收并使之升温及降温。由于空气是辐射的透明体,所以辐射热不能被直接吸收,而是以对流换热形式吸收。对于临时性的使用房间,或空旷的大空间,可采用辐射供暖、供冷方式,对特定房间、特定时间进行局部供暖和供冷,布置灵活,可实现节能。
    4.5
辐射热可以由围护结构及部件等进行贮存,可利用辐射热的贮存特性转移峰值耗电,提高电网效率。
    5
结束语
    5.1
辐射供暖、供冷系统可以满足较强的人体舒适性。
    5.2
在满足人体热舒适感相同的条件下,其它条件不变,室内平均辐射温度变化与室内空气温度的变化为负正比关系,室内空气设计温度每增加(减少)1℃。平均辐射温度需减少(增加)1℃。
    5.3
辐射供暖和辐射供冷系统可以利用平均辐射温度的变化降低室内设计温度标准,实现节能。
   
参考文献
[1]
金招芬,朱颖心等,建筑环境学 北京;中国建筑工业出版社,200184103
[2] GBJ19
87采暖通风与空气调节设计规范
[3] Glueck.B Leistung von Kluehldecken, Kuehldecke und Raumluft. Stuttgart: Fachinstitut Gebaeude-Klima; 1990.
[4]
闫斌,郭春信,程宝义,舒适性空调室内设计参数的优化,暖通空调,19992914445
[5]
殷平,室内空气计算参数对空调系统经济性影响,暖通空调,2002322);2125
[6]
郎四维等,公共建筑节能设计标准宣贯辅导教材,北京,中国建筑工业出版社,20051925
[7] Stetiu C. Energy and peak power potential of radiant cooling systems in US commercial building. Energy and Buildings 1999;30:127-38.
[8] Feustel HE,Stetiu C. Hydronic radiant cooling-preliminary assessment. Energy and Building 1995;22:193-205.
[9] Yost PA,Barbour CE,Watson R. An evaluation of thermal comfort and energy consumption for a surface mounted ceiling radiant panel heating system. ASHRAE Transactions 1995;101(1):1221-35.
[10] F.Steimle. Moisture Control and Cooling Ceiling. Air Condition in High rise Building
97, 1997.

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