摘要：隨著(zhù)地板供暖的迅速推廣，地板輻射供冷的可行性備受關(guān)注。本文對國內地板輻射供冷研究和應用狀況進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結回顧，對地板輻射供冷－置換通風(fēng)復合系統的供冷量、防結露措施、新風(fēng)與衛生條件、舒適性等作了總結介紹。加上置換通風(fēng)系統本身也可承擔一定的冷負荷，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)系統的存在可以防止結露。有助于提高室內舒適度。輻射供冷除了較高的舒適性以外，另一顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是在人睡眠時(shí)，免除了吹冷風(fēng)之憂(yōu)。

    1 引言

    地板供暖因其節能、舒適、不占用室內使用面積等突出特點(diǎn)，已在北方地區居住建筑中獲得大面積使用。在夏熱冬冷地區，特別是上海、浙江等地，應用也日見(jiàn)增長(cháng)。如該系統同時(shí)用于夏季供冷，將減少設備初投資，提高使用率，同時(shí)為住宅空調添加了一種全新的方式。頂板輻射供冷在歐洲已有較長(cháng)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90年代以前，被絕大多數人認為不可行，其原因主要有這樣幾點(diǎn)：（1）對結露問(wèn)題的疑慮；（2）認為在舒適性方面，有悖于“腳暖頭冷”的要求；（3）認為冷表面在下，對流傳熱弱，冷量會(huì )大大小于頂板供冷。直至上世紀90年代末，歐洲開(kāi)始進(jìn)行理論和實(shí)際應用的探討[1]～[3].國內近年來(lái)也加快了研究和應用的進(jìn)程。研究分析和實(shí)踐證明，上述擔心有些是通過(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 國內的初步研究和應用

    1998年，筆者饌寫(xiě)論文，介紹我們在法國所做的工作以及歐洲（主要是法國）地板供冷的應用和發(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)驗研究，探討這項技術(shù)在炎熱、高濕度地區可行性。我們建造了實(shí)驗室進(jìn)行了地板供冷－置換通風(fēng)的實(shí)驗研究，在樣板住宅進(jìn)行了空氣源熱泵帶地板供冷暖系統的實(shí)測研究，對地板的供冷能力、防結露措施、舒適性、實(shí)際應用效果、能耗、模擬計算方法等進(jìn)行了較為系統、全面的研究和探討[5]～[11].2000年起，我們?yōu)橥�海中醫院病房大樓（建筑面積 126000㎡）設計了地板供冷暖－置換通風(fēng)的復合空調系統，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委會(huì )的全票支持，獲得立項資助，將在北京地區進(jìn)行可行性研究。

    此外，浙江大學(xué)對于地板輻射供冷系統的除濕問(wèn)題提出了看法[12].并開(kāi)始了在浙江的應用研究。中國建筑技術(shù)研究院為蒙古呼和浩特市金宇批發(fā)市場(chǎng)設計了地板供冷系統[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)驗研究。

    3 地板供冷的供冷量

    地板供冷系統的供冷能力如何，是設計和應用中首先要考慮的問(wèn)題。

    3.1 地板供冷系統可以減少室內冷負荷

    地板供冷系統中地板主要通過(guò)輻射和對流作用與房間進(jìn)行熱量交換。平均輻射溫度成為影響室內熱舒適的重要參數，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。當室內空氣流速較低時(shí)（低于0.2m/s）時(shí)，平均輻射溫度和室內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(zhù)二者對于室內熱舒適的影響是同等重要的。由于輻射供冷時(shí)室內平均輻射溫度的下降，作用溫度可降低1～2℃，比之傳統空調系統，在相同的熱感覺(jué)前提下，地板供冷系統可以將室內設計溫度提高1～2℃，則其冷負荷比常規系統的冷負荷要低10%～20%.

    3.2 地板供冷相對于頂板供冷具有更高的輻射角系數

    采用地板供冷，相對于天花板供冷而言，其對流換熱量較小。但對于輻射供冷系統來(lái)說(shuō)，輻射換熱是主要部分，而影響輻射換熱的一個(gè)重要參數是人體和輻射冷表面之間的角系數。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），地板對人體有著(zhù)更高的角系數。一個(gè)處于6m×6m房間中央的人員，采取站姿時(shí)對地板的角系數為0.37，坐姿時(shí)對地板的角系數為0.4.作為對比，人體對天花板的角系數一般僅為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于把天花板溫度降低2.5K.所以雖然地板供冷對流換熱量小，但是其輻射換熱能力的增強卻更加明顯。

    3.3上升氣流和氣流擾動(dòng)可加大對流熱交換

    冷表面在下，地面附近有一層低溫的空氣，當遇到人體等熱源時(shí)，這層空氣被加熱上升，會(huì )增大對流換熱。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，地板和房間的對流輻射綜合換熱系數約為7.5W/（m2.K）[1].如果地板表面溫度為19℃，房間作用溫度為26～27℃ （相當于常規空調下室內設計溫度28℃），地板供冷量為53～60W/m2，可滿(mǎn)足圍護結構保溫較好的居住建筑的要求，加上置換通風(fēng)系統本身也可承擔一定的冷負荷，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“自調節”功能，當室內輻射負荷加大，例如，當日射直射輻射較大時(shí)，地板或房間墻壁內表面溫度升高，將大幅度提高地板與房間圍護結構其余表面的輻射換熱量。地板供冷的能力可高達100～150 W/m2[1].

    4 地面結露問(wèn)題

    當供水溫度較低或室內濕度較大時(shí)，單一的地板供冷系統地板表面可能結露，此時(shí)冷地板承擔室內冷負荷的能力將受到削弱，不能滿(mǎn)足室內冷負荷的需要。一些標準推薦室內的設計相對濕度上限為60%～70%（ISO 1994；ASHRAE 1992），在室內空氣溫度26℃時(shí)，露點(diǎn)溫度相應為17℃～20℃；德國標準規定含濕量的上限為11.5g/kg，露點(diǎn)溫度相應為16℃。這表明地板的溫度應高于16℃～20℃。另外，當門(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)生結露現象。

    經(jīng)減濕處理的置換通風(fēng)系統的存在可以防止結露。新風(fēng)的送入有可能使室內維持正壓，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)足室內冷負荷的需要。

    根據要求的不同，除濕送風(fēng)也可以使用風(fēng)機盤(pán)管或集中式系統，也可以使用單體的除濕機，可以經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟對比來(lái)確定方案。

    5 新風(fēng)與衛生條件

    單獨采用地板供冷系統時(shí)，室內沒(méi)有新風(fēng)送入，空氣條件要受到影響。增加置換通風(fēng)系統后，可以由地板供冷系統承擔室內顯熱負荷，置換通風(fēng)系統送入新風(fēng)滿(mǎn)足人員衛生條件要求以及承擔室內濕負荷，從而滿(mǎn)足人們對新風(fēng)的需求。置換通風(fēng)系統將新風(fēng)直接送入工作區，較低的新風(fēng)由于密度較大而沉積在地面附近并擴散到整個(gè)室內地面，在地板上形成一層較薄的空氣湖，地面冷氣流遇到室內的熱源（人員及設備）時(shí)產(chǎn)生向上的對流，使得新風(fēng)在熱源的浮升作用下向室內上部流動(dòng)，形成室內空氣流動(dòng)的主導氣流。置換通風(fēng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是會(huì )產(chǎn)生熱力分層現象，即會(huì )出現一個(gè)上部混合區和下部單向流動(dòng)的清潔區。上部區域是紊亂的混合區，下部區域則為向上的熱氣流區和周?chē)�清潔空氣區。清潔空氣區的空氣參數和送風(fēng)空氣近似相等，與傳統的混合通風(fēng)相比，新鮮空氣在工作區得到較好的利用。實(shí)驗證明，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 室內空氣溫度梯度

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

    首先，對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。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)足冷負荷要求，（ASHRAE 提出坐著(zhù)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]，符合國際標準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)復合系統在提高室內空氣品質(zhì)方面有許多固有的優(yōu)勢。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人體的舒適感是很重要的。而地板供冷/置換通風(fēng)復合系統中地板輻射供冷就彌補了傳統空調中以對流冷為主的不利因素，增加了人體的輻射換熱量，有助于提高室內舒適度。輻射供冷的另一顯著(zhù)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，冷負荷要比常規系統低10%～20%，此外可以通過(guò)送風(fēng)承擔一部分負荷，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，要有除濕設備。如果與新風(fēng)機組+置換通風(fēng)/混合送風(fēng)結合，則又解決了新風(fēng)問(wèn)題。當然，也可以使用風(fēng)機盤(pán)管或可移動(dòng)式除濕機進(jìn)行除濕，但此時(shí)室內衛生條件降低。

    （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(zhù)的優(yōu)點(diǎn)之一。

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