地板供冷研究和認識的新進展

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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注。本文對國內地板輻射供冷研究和應用狀況進行了簡要總結回顧，對地板輻射供冷－置換通風復合系統(tǒng)的供冷量、防結露措施、新風與衛(wèi)生條件、舒適性等作了總結介紹。加上置換通風系統(tǒng)本身也可承擔一定的冷負荷，完全可以滿足一般建筑的要求。經減濕處理的置換通風系統(tǒng)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，另一顯著優(yōu)點是在人睡眠時，免除了吹冷風之憂。

    1 引言

    地板供暖因其節(jié)能、舒適、不占用室內使用面積等突出特點，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，應用也日見增長。如該系統(tǒng)同時用于夏季供冷，將減少設備初投資，提高使用率，同時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(shù)人認為不可行，其原因主要有這樣幾點：（1）對結露問題的疑慮；（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，冷量會大大小于頂板供冷。直至上世紀90年代末，歐洲開始進行理論和實際應用的探討[1]～[3].國內近年來也加快了研究和應用的進程。研究分析和實踐證明，上述擔心有些是通過一定技術措施可以解決的問題，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)展簡況[3].此后，我們與企業(yè)合作，在北方進行了地板供冷的理論探討和實驗研究[4].2001年起，得到南京師范大學的資助，開始在南京進行了地板供冷的實驗研究，探討這項技術在炎熱、高濕度地區(qū)可行性。我們建造了實驗室進行了地板供冷－置換通風的實驗研究，在樣板住宅進行了空氣源熱泵帶地板供冷暖系統(tǒng)的實測研究，對地板的供冷能力、防結露措施、舒適性、實際應用效果、能耗、模擬計算方法等進行了較為系統(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㎡）設計了地板供冷暖－置換通風的復合空調系統(tǒng)，由于資金緊張，工程停了近兩年，目前尚在施工中，所以還無法了解實際使用效果。2002年底又得到吳元瑋先生為主任的評委會的全票支持，獲得立項資助，將在北京地區(qū)進行可行性研究。

    此外，浙江大學對于地板輻射供冷系統(tǒng)的除濕問題提出了看法[12].并開始了在浙江的應用研究。中國建筑技術研究院為蒙古呼和浩特市金宇批發(fā)市場設計了地板供冷系統(tǒng)[13].重慶大學也進行過利用地埋管冷卻的水供給冷地板的實驗研究。

    3 地板供冷的供冷量

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

    3.1 地板供冷系統(tǒng)可以減少室內冷負荷

    地板供冷系統(tǒng)中地板主要通過輻射和對流作用與房間進行熱量交換。平均輻射溫度成為影響室內熱舒適的重要參數(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）來反映。當室內空氣流速較低時（低于0.2m/s）時，平均輻射溫度和室內空氣溫度的差異將小于4℃，此時作用溫度近似等于空氣溫度和平均輻射溫度的平均值，這意味著二者對于室內熱舒適的影響是同等重要的。由于輻射供冷時室內平均輻射溫度的下降，作用溫度可降低1～2℃，比之傳統(tǒng)空調系統(tǒng)，在相同的熱感覺前提下，地板供冷系統(tǒng)可以將室內設計溫度提高1～2℃，則其冷負荷比常規(guī)系統(tǒng)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(shù)

    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(tǒng)來說，輻射換熱是主要部分，而影響輻射換熱的一個重要參數(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，比之其它冷表面（墻壁，窗戶，天花板等），地板對人體有著更高的角系數(shù)。一個處于6m×6m房間中央的人員，采取站姿時對地板的角系數(shù)為0.37，坐姿時對地板的角系數(shù)為0.4.作為對比，人體對天花板的角系數(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，這層空氣被加熱上升，會增大對流換熱。冷地板也可以配合風扇使用，可增大換熱能力約15%.

    3.4置換通風系統(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℃ （相當于常規(guī)空調下室內設計溫度28℃），地板供冷量為53～60W/m2，可滿足圍護結構保溫較好的居住建筑的要求，加上置換通風系統(tǒng)本身也可承擔一定的冷負荷，完全可以滿足一般建筑的要求。

    需要指出的是，輻射供冷象輻射供暖一樣具有“自調節(jié)”功能，當室內輻射負荷加大，例如，當日射直射輻射較大時，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 地面結露問題

    當供水溫度較低或室內濕度較大時，單一的地板供冷系統(tǒng)地板表面可能結露，此時冷地板承擔室內冷負荷的能力將受到削弱，不能滿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，露點溫度相應為17℃～20℃；德國標準規(guī)定含濕量的上限為11.5g/kg，露點溫度相應為16℃。這表明地板的溫度應高于16℃～20℃。另外，當門窗開啟時，室外的熱濕空氣進入，接觸到低溫地板也容易產生結露現(xiàn)象。

    經減濕處理的置換通風系統(tǒng)的存在可以防止結露。新風的送入有可能使室內維持正壓，阻止室外濕空氣的進入。另外，置換通風方式的特點之一是可以在地板的表面形成一層空氣湖，用一層露點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，同時也可以保證足夠低的供水溫度，以滿足室內冷負荷的需要。

    根據(jù)要求的不同，除濕送風也可以使用風機盤管或集中式系統(tǒng)，也可以使用單體的除濕機，可以經過技術經濟對比來確定方案。

    5 新風與衛(wèi)生條件

    單獨采用地板供冷系統(tǒng)時，室內沒有新風送入，空氣條件要受到影響。增加置換通風系統(tǒng)后，可以由地板供冷系統(tǒng)承擔室內顯熱負荷，置換通風系統(tǒng)送入新風滿足人員衛(wèi)生條件要求以及承擔室內濕負荷，從而滿足人們對新風的需求。置換通風系統(tǒng)將新風直接送入工作區(qū)，較低的新風由于密度較大而沉積在地面附近并擴散到整個室內地面，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）時產生向上的對流，使得新風在熱源的浮升作用下向室內上部流動，形成室內空氣流動的主導氣流。置換通風的一個重要特點是會產生熱力分層現(xiàn)象，即會出現(xiàn)一個上部混合區(qū)和下部單向流動的清潔區(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)和周圍清潔空氣區(qū)。清潔空氣區(qū)的空氣參數(shù)和送風空氣近似相等，與傳統(tǒng)的混合通風相比，新鮮空氣在工作區(qū)得到較好的利用。實驗證明，置換通風的換氣效率通常介于0.5～0.67之間，通風效率介于100%～200%之間[14]，通風效果要明顯優(yōu)于混合通風。

    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/置換通風系統(tǒng)熱舒適方面的擔憂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”的感覺符合人體衛(wèi)生學要求，同一套系統(tǒng)用于夏季供冷將喪失這一優(yōu)點。

    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，“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℃以上已完全可以滿足冷負荷要求，（ASHRAE 提出坐著的輕體力勞動者，地面適宜的溫度為18～26℃），這一溫度在夏季不會產生“腳冷”的感覺。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3K的要求，人體的舒適性可以得到保證，當然也不會有“頭熱”的感覺。

    6.2 輻射換熱具有良好的熱舒適性

    地板供冷/置換通風復合系統(tǒng)在提高室內空氣品質方面有許多固有的優(yōu)勢。在舒適條件下，人體產生的全部熱量，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/置換通風復合系統(tǒng)中地板輻射供冷就彌補了傳統(tǒng)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優(yōu)點，是在人睡眠時，免除了吹冷風之憂，從這一角度出發(fā)，可否稱為“有利于睡眠的降溫方式”。

    7 結論

    （1） 為防止產生腳冷的感覺及受到空氣露點溫度的限制，地板供冷系統(tǒng)冷量受到限制，在一般情況下，不超過70W/m2.但由于輻射作用，冷負荷要比常規(guī)系統(tǒng)低10%～20%，此外可以通過送風承擔一部分負荷，所以完全可以滿足一般使用要求。

    （2） 在氣候較為潮濕地區(qū)，要有除濕設備。如果與新風機組+置換通風/混合送風結合，則又解決了新風問題。當然，也可以使用風機盤管或可移動式除濕機進行除濕，但此時室內衛(wèi)生條件降低。

    （3） 地板供冷無論在地面溫度、水平與豎直方向溫度場的均勻程度，還是在吹風風險方面，都能夠滿足舒適性要求，特別在人睡眠時，免除了吹冷風之憂，是舒適性方面顯著的優(yōu)點之一。