辐射空调技术的基础理论研究和实践
汽车辐射珠海燕通环境科技开发有限公司  严继光  冯霖
摘  要 在舒适性空调系统中，人体的舒适度是空调运行的唯一目标。在传统空调的设计计算中，把空气参数对人体的舒适度的影响看作是主要因素。空气的得热和失热便是空调的冷热负荷。据国外资料介绍，也经我们实验证实，在辐射空调房间，在保持同样舒适度的条件下，室内温度可以提高4K。实践也证明，在辐射空调房间，人体通过对壁面辐射直接交换热量，获得舒适度。而不是辐射板利用显热交换降低空气温度使人体获得舒适度。在国内，很多学者认为，利用辐射板来处理空气的显热，这种认识与辐射传热的机理不符：即在辐射传热过程中空气是被视作透明的。此时房间的空气和辐射板只有少量的对流换热，空气的温度变化是被动的。
目前，大都辐射空调技术存在的问题是没有形成均匀的辐射面积。由于结露的问题，辐射板不得不使用高温水，而无法形成辐射强度。我们的专利技术主要研究的方向就是解决结露和辐射强度的问题。实际运行证实，在系统启动运行时，由于表面温差大，进出水温差达到8℃，每平米的吸热量达200W以上。在珠海炎热的夏季提前启动30分钟，便可达到正常舒适
度要求。成功运行的辐射空调系统测试结果证实比传统空调节能近40%。而且都包括30立方米/小时人以上的新风。
显然，辐射空调和对流空调存在着巨大差异，辐射空调技术节能的机理是什么？国内外同行众说纷纭，还需要更多的实验证实。欧洲辐射空调技术在中国遇到了严重的结露问题，国内外同行对此采取了不同的对策，效果也各不相同，但没有从根本上解决问题。依据我们长期的运行实验和测试结果对以上问题进行了对比分析，发现辐射空调的热工计算与传统对流空调具有本质的不同。我们通过实验，希望整理出辐射空调的设计计算原则。本文针对以上问题展开探讨，期望得到同行的指正。
关键词  辐射传热 辐射强度 结露的机理 湿负荷 辐射空调系统的节能机理
1.  辐射空调传热的基本理论和分析 
舒适性空调的实践证实，影响人体舒适度的因素主要是空气温度和辐射强度。传统空调技术主要研究的是各种负荷对空气温度的影响（热负荷），利用对流换热的方式将空气温度参数控制在目标范围之内所耗费的冷量（制冷量）。对影响人体舒适度的辐射影响涉及较
少。显而易见，冬季在零℃以下的在室外朝着太阳的一面，人体感受到太阳的辐射，此时人体的舒适感超过了在室内16℃空气温度的环境。也就是说，我们将室内空气从零℃加热到16℃，如果没有辐射作用，人体感觉并不舒适。假如，我们并不加热空气，只是提高壁面的温度，形成辐射强度，却可以获得很好的舒适度。夏季，我们启动汽车空调，汽车内部空间只有大约一个1M3左右，但空调风量却有200 M3/H，显然，空调开启几分钟空气温度已经降下来了，但是人体并没有感觉凉爽。大约20分钟之后，顶棚等表面温度下降，人体才有凉爽的感觉。由此可见，许多场合影响人体舒适度的主要因素是辐射作用，对流作用是次要的。基于以上的分析，笔者将空调的换热方式从主要是对流交换转换成辐射换热的方式，实践和研究取都得了可喜的成果。以下从辐射传热的基本原理来进行分析。
1.1.0辐射传热基本特点
辐射空调和对流空调技术相比，其传热的方式不同，首先，我们要知道辐射传热的以下基本特点：
  1.1.1、 任何物体，只要温度高于 0 K ，就会不停地向周围空间发出热辐射；
  1.1.2 、辐射热量交换可以在真空中传播； 　
1.1.3、 辐射传热具有强烈的方向性；
  1.1.4 、发射辐射能力与传热表面温度的 4 次方有关。
以下结合我们的实验和检测结果将对相关问题展开讨论。
1.2.0  辐射强度；
热辐射的机理可定性地描述如下：当向一物体供给能量时，其中的某些分子和原子被提升到“激发态”，而原子或分子有自发地回到低能态的趋势。此时，能量就以电磁波辐射的形式发射出来。依靠电磁波辐射实现热冷物体间热量传递的过程，是一种非接触式传热，在真空中也能进行。物体发出的电磁波，理论上是在整个波谱范围内分布的。辐射传热在日常生活中有很多的实例，如微波炉、烤箱是利用热辐射，而家用电冰箱是辐射供冷的最好例子。
1.2.1斯蒂芬（Stefan）－玻尔兹曼（Boltzman）定律
  　任何物体在发出辐射能的同时，也不断吸收周围物体发来的辐射能。一物体辐射出的能量与吸收的能量之差，就是它传递出去的净能量。物体的辐射能力（即单位时间内单位表
面向外辐射的能量），随温度的升高增加很快。具体根据斯蒂芬（Stefan）－玻尔兹曼（Boltzman）定律，两物体1和2之间辐射传热的速率Q12可表示为：
式中T1、T2分别为两物体的表面温度;
由简化以上数学模型可见两个物体之间的辐射传热与表面温度的四次方的差有关。图1-1是假设两个辐射面黑度一样，面积一样，均匀的热负荷的条件下，根据典型的辐射传热过程整理出的传热曲线：
 
  图1-1  辐射传热和表面温度的关系曲线
由曲线可见，当系统初启动时冷辐射顶棚温度和地面、壁面及墙面温差在△Ta时，辐射传热量非常大，冷顶进出水温差达8℃，辐射传热量为Qa。系统启动20分钟以后，地面、墙面表面温度下降传热温差为△Tb，辐射传热量为Qb，冷顶进出水温差稳定在4℃左右。当室内人员及设备发热量减少，室内表面温差进一步降低到△Tc，传热量降到Qc。该实验证实在空调连续运行的公共建筑如：机场、车站、医院的病房，高级酒店等空调能耗非常低，运行较长时间的写字楼也有非常好的效果。但时开时停的餐厅、影剧院和体育馆并不适宜。目前许多欧洲相关技术遇到a状态时，由于辐射板的交换能力达不到，调节过程呈震荡或发散状态，无法在合理的过渡时间内达到空调标准参数而失败。图中的对流空调在均匀负荷下的冷量曲线是近似直线。
1.2.2  辐射传热面积；
上述数学模型中的F1为辐射物体的表面面积，不考虑其他因素，辐射面积和辐射传热量是呈线性关系的。目前，欧洲技术常用的水管是毛细管或是铜管系统，欧洲技术出现的弊病是辐射板表面温度场不均匀，和水管接触的地方温度低，非接触的地方温度高，要控制接
触处不结露，必须限制水温，致使板面不能形成强的辐射能力。塑料毛细管传热热阻大，水侧最大传热温差不超过3℃，一般在2℃以下。在系统启动时满足不了使用要求。有一些厂商要求用户在供冷季节不能停机。其原因就是系统的能力不能克服启动负荷。值得注意的是，由于辐射传热量不够，使用铜管的欧洲技术要求板面是开孔的，开孔面积在20%以上，显然开孔影响了辐射面积，实际是辐射传热不够试图用对流换热补充。但欧洲技术普遍的是没有形成辐射强度，在热湿地区夏季运行不能体现出辐射空调技术的优势。如何获得大的均匀的辐射传热面积是辐射空调技术的关键。
1.2.3  辐射传热角系数；
由于板面的接受和发出热量的φ12为以F1为基准的角系数，代表一物体辐射出去的能量投射到表面F2的分率，它取决于两物体的形状、大小和相对位置；C12为总辐射系数，其值与两物体的黑度、大小、形状和相对位置有关。可以证明
φ12F1=φ21F2
式中F2为物体2的表面面积；φ21为以F2为基准的角系数，代表物体2辐射出去的能量投射
到 F1上的分率。求取各种情况下的总辐射系数和角系数，也是辐射传热的研究得重要课题，实际辐射空调系统设计时要考虑到外窗、外墙的辐射强度对辐射天花的影响，在相关角度设置加强的辐射板。
1.2.4  黑度和灰体
某些物体，如无光泽的黑漆表面，其吸收率约为0.97，接近于黑体；磨光的金属表面的反射率约等于0.97，接近于镜体，引入黑体等的概念，只是作为实际物体的比较标准，以简化辐射传热的计算。黑体是研究辐射换热的理想化物体。黑体能够吸收向它辐射的全部能量，相同温度下的各种物体以黑体向外辐射的能量为最大。自然界的所有物体对于投射到自身的辐射能量都有不同程度地吸收、反射和透射本领。若某一物体在任何温度下对于任何波长的辐射能量的吸收率都等于1,也即说：α＝1，ρ＝τ＝0，这一物体便被称为绝对黑体，简称黑体。物体对某一波长辐射能的吸收率被称为单吸收率。一般说来，物体对不同波长辐射能的单吸收率是不相同的。如果某一物体的单吸收率与投射到该物体的辐射能的波长无关，即 ＝α＝常数，则称为灰体。灰体也是一种理想化物体。实际物体既不是绝对黑体，也不是灰体。灰体与黑体的区别在于：灰体的吸收率α＜1，而黑体的吸收率α＝1。
　普朗克定律揭示了黑体的单辐射能力EbΛ随波长变化的规律，其表达式为
式中：
T———黑体的绝对温度，K；
e———自然对数的底数；
C1———常数，其值为 ；
C2———常数，其值为 。
上式称为普朗克定律，是研究辐射传热的重要工具。在实践中，辐射空调天花板的辐射传热的路线是冷水进入铜管、铜管表面温度降低，使得通过超声波焊接在铜管上的内辐射翅板温度降低，该翅板对天花板进行辐射和对流换热，使得天花表面形成均匀的低温度场。天花板对室内表面进行辐射和对流换热，产生空调效果。我们在实际试验中对各种管材、板材和翅片材料，及表面处理方式进行了大量实验，实验结果证实，在热湿负荷大的地区，夏季使用塑料毛细管存在传热速度慢，无法在正常的过渡时间内达到空调效果。我们
通过使用不同的材质的表面黑度，来加强翅板、铜管和扣板之间的换热，使得管内水温得以提高，采用较少的铜管长度得到较低的板面温度。但天花外表面黑度则不宜太高，高的表面黑度产生强烈的换热，使得板面温度场不均匀，造成室内被辐射表面温度过低，产生强的穿透力，造成热损失。
实验证明，室内墙地面、家具在辐射空调系统中表面黑度要适宜，过高的黑度会加大热损失，但较小的黑度不利于吸收人体的散热，不能形成空调衣的作用。同时，其传热热阻要大，因为对于空调对象的“人”产生作用的只是表面温度！在辐射空调房间内，人的舒适感与穿着服装的黑度有关，穿着黑度高的薄西装比穿着短衣裤感觉冷，特点是时间越长越明显。晚上参加睡觉试验的员工反映，晚上睡觉时覆盖薄被单，会感觉越来越冷。而根据运行记录显示，晚上的室外参数并不低，室内参数变化也不大，但耗电比白天低得多。中间风冷机曾发生多次停机保护。
1.3.0  克希霍夫（klchhoff）定律
克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力E 与吸收率A之间的关系。
图1-2是两平行灰体平板间的辐射传热示意图：
由上图可得到：       
式中   
Q1－2—净的辐射传热速率，w；
—总辐射系数；  A —辐射面积，m2； T1、T2—高温和低温表面的绝对温度，K；
、 —两表面材料的黑度；        —几何因数（角系数）。
上式称为克希霍夫定律，它表明任何物体（灰体）的辐射能力与吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即仅和物体的绝对温度有关。该定律简化了辐射传热的数学模型。根据克希霍夫定律，在启动运行、稳定运行和低负荷运行时分别测得人员和各表面的温度，结合表面材料的传热性能，可简单近似计算出辐射传热量。给辐射空调系统的分析和计算提供了依据。
2.0.0  辐射空调系统的负荷分析
2.1.0  辐射空调技术的能源效率分析
                                  图2-1 辐射空调房间传热示意图
从人的生理学角度来看，一个中度劳动的成年男子在写字楼的全热负荷为160W，酒店客人全热负荷为120W。也就是说，舒适性空调只要使得人体代谢得到平衡，就获得了基本的舒适度。 假如人穿着一件空调衣，空调衣只要提供160W或120W的冷量，此人就会感到热舒适。但现时空调设计和运行大约是该指标的五倍以上，真正用于人体热量平衡的冷量只有20%，其余80%的能量做的是无用功（与舒适度无直接关系）。研究如何使得空调耗能最接近空调衣的效果，也是我们研究的主要方向。