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【涨知识】深谈辐射空调(上)
日期:2018-6-22 21:20:45    阅读:

四年前,本人发表过一篇文章《浅谈辐射空调》 ,同这个谦逊的名字一样,文章的内容也很“谦逊”(没办法,水平和认知所至),却收到了很多朋友们的表扬。今天,如同这不着人喜欢的题目一样,这篇“深谈”就未必了,一定会有很多朋友不同意我的观点及表达方式,也没办法,实践和良知让我必须说出我的观点,对与错、是与非,见仁见智吧。——  维瓦尔第 · 郑鸿宇


     1.历史上的空调

如果我们重温一下人类文明的进程,欧洲是当然的现代文明的发源地。经过了漫长的中世纪、文艺复兴、地理大发现(大航海时代),从思想和物质两个方面奠定了文明的基础。于是在17、18世纪大量的、璀璨的科学先贤们扎堆而来,人类从此开始了现代科学基础上的文明的历史,各种学科的基础都在这个时期诞生。19世纪20年代,卡诺父子发现的卡诺循环给出了蒸发式制冷的原理,也是现代空调理论的基础,一切蒸发式制冷都不能突破卡诺循环。可是在中国的天津,90年代,也就是水变油那个年代,咱这个行业有人也号称突破了卡诺循环,成为时代的笑柄,后来就没有下文了。最近丹东也出现了一位号称挑战基础供暖理论的奇人,这些骗子以后应该聪明点,基础理论诈骗太难了,小插曲不提也罢。让人不理解的事,空调出现在卡诺父子发现制冷原理的80年以后,时间已经到了20世纪初,也就是在1901年的美国,开利博士才发明了空调。其实也不难理解为什么空调这么晚才被发明出来,主要是欧洲主要发达国家对于夏天供冷这事并不敏感,这是他们的地理位置气候条件决定的,这也是到现在欧洲人对于空调也不主动、不积极的原因。当你身边的人告诉你,他给你用的是来自德国的空调的时候,请你反问他,有多少德国家庭安装空调?可能连5%都没有,因为德国并没有夏天。开利博士发明空调之初,也不是给人用的,是为了解决一个造纸厂的湿度问题,起初,大多数工程师非常不理解他的理论是什么,直到1910年开利博士用一个图表来表达了如何计算空调的方法,工程师们开始明白,这个图表就是著名的焓湿图。

自空调发明以后,有一个争议就从来没有停止过,就是空气里的湿度为什么对人体舒适有影响,而除湿又很重要。开利博士并没有给出明确的答案,而是采用模糊的方法对待它,从此空调仅仅控制空气的温度,而对于湿度则采用温湿耦合方法去除,显然认为湿度是个“后娘生的孩子”,模糊对待。同时,开利博士由于当时技术局限,武断的认为空气温度与壁面的辐射温度基本一样,而忽略了体感温度的概念,使得直至今日,空调成为大多数人的必需品,而又成为大多数人不喜欢的必需品,一个空调系统大变革的时代正悄然而至。

     2.人体热舒适学与辐射空调
1.方格与他的热舒适方程
人们追求幸福生活的脚步从未停止过,历史进入了上个世纪80、90年代,丹麦科技大学方格(P.O.Fanger)教授建立了人体热舒适模型,以及人体热平衡理论。聪明的方格先生从PMV(Predicted Mean Vote 满意度)和PPD(不满意度)两个角度来试验人们对舒适的感受,用PMV=0来表示最舒适。推荐值为 - 0.5 ~ + 0.5之间,以此为标准,产生了著名的热舒适标准ISO7730,7个感觉(如表2.1-1所示):

有冷静的中国学者认为,我们的文化背景、身体条件、经济水平不同于欧洲,在中国差值宜为-1≤PMV≤+1,PPD≤27%,这种观点是否正确我们不予评价,但起码是个科学的态度以及一家之言,可是接下来的一些问题就变了味道了,不知从何时起,暖通江湖将热舒适传言为20℃~26℃,即20/26,。大言不惭的说来自于方格PMV法和PPD法,这种把一个波动范围变成一个数值的阈值范围的偷换概念的方法,是一种严重的误导。波动值是在一个设定值的前提下,而阈值就是阈值,没有内核,更无法评价优劣,从而掩盖系统调节性差,掩盖精度差的问题,让用户根本分不清好坏系统,只要在范围内就叫做好,看来中国人更“聪明”啊!

方格的伟大在于第一次从人体的角度来对暖通系统做出规范,而不是建筑物本身。在此之前,人们长期从建筑物的得热失热,也就是冷、热负荷的角度来看待如何评价暖通系统,而方格认为人的活动的六个方面在于维持人体的体温,人体是一个恒放热体,在人不感觉冷热的时候,人体的放热量与环境带走的热量相等,这个时候就是人最舒适的时候。显然这样论断让我们的行业发生了重大变革,科学家不再仅仅研究建筑冷、热负荷,还要从人体热舒适角度来分析暖通系统是否给我们带来一个舒适的环境。这种以人体为研究中心的进步,在近些年来,得到了突飞猛进的发展,在这个潮流中,以辐射供暖、供冷作为核心的辐射空调系统闪亮登场!


2.Messana先生和他的辐射空调
罗伯特·梅瑟纳先生出生在意大利水上城市——威尼斯,毕业于威尼斯大学建筑物理专业。年轻的罗伯特在东欧出差,偶遇一次日全食,在太阳消失的一段时间,由于太阳辐射热的突然消失,立刻阴风阵阵,体感温度骤然不同,让罗伯特印象极其深刻,加上他建筑物理专业的背景,在那以后,他的40年的人生以及科学实践都是与热辐射为伴,创造出梅氏辐射空调系统。



梅瑟纳先生很早就痴迷于方格理论,但是在他的长期不断的实践中,发现了方格理论中没有说清楚的部分。在2004年,发表了著名的《理解舒适》一书,得到了方格大弟子奥尔森(Olesen)教授的认可,并于2005年交给方格先生,可惜方格先生由于身体原因(于2006年去世),并没有看这本书,也没有做出评价,这是梅瑟纳先生一生的遗憾,这本书现已被北美空调协会ASHRAE收藏。
 
那么梅氏理论是什么呢?这要从方格的热平衡方程说起。

M – W – C – R – E – S = 0
 
这里有几项是边界条件,其中最为重要的C、R、E,分别代表对流带走的热量,辐射带走的热量和人体蒸发散热。很多人在文章中质疑方格,如果前面吹冷风,后面烤火,即便是达到了热平衡的状态,就会感到舒适吗?在人们认为这是钻牛角尖的问题时,梅瑟纳先生却在现实中发现了这个问题,他在迪拜工作期间,房间被室外50~60度高温已经晒透了,空调机组非常大,呼呼的吹着冷风,房间壁面温度依然非常高。在这种情况下,一面对流、一面辐射,人是不可能感到舒适的,梅瑟纳先生陷入了深深的思考,通过长期的试验与研究,梅瑟纳先生终于得出结论,C、R、E是有一定的比例关系下才能叫热舒适,热平衡只是基础,还要在此基础上附加条件。
 
用这一理论,我们很容易解释很多问题,比如空调供暖供冷,为什么不舒适,尤其是空调供暖,更容易理解,也就是大家长期争论的地暖完胜空调供暖的原因。显然,空调供暖空气温度非常容易被加热,但此时,壁面温度被空气加热是很慢很慢的,造成对流带走人体热量过少,辐射带走人体热量过多,同时人体蒸发量也过少,人会感觉皮肤非常干燥而产生不适,即使达到热平衡也如此。
 
夏季供冷相对要复杂些,因为湿度可以影响人体皮肤的蒸发量,湿度在空气里表现为蒸气压力,它的多少会影响人们自然蒸发,但影响不了强制蒸发(出汗),汗液附着在皮肤上会带来人的不适感。人从自然蒸发过渡到强制蒸发的不舒适就是这个原因,因为汗不是水,是一种多种代谢产物的混合物,而自然蒸发仅仅是水,所以从这一角度看,即使热平衡,即使三者比例关系正确,也不一定舒适,要看是否过渡到了强制蒸发,这一理论很好的解释了梅雨季节为什么会温度不高但人不舒适的原因。
 
由此可见,在一个热舒适较高的环境中,环境对人体的辐射温度、对流温度、相对湿度要在一个范围内才可以叫热舒适,而不是简单的热平衡。现在我们常用的湿度舒适范围是一个实验得到的四边形,梅氏理论从理论上证实了这个四边形的正确性。对这样的理论,如何提出一个和这样理论相适应的空调系统,或者叫环境系统,就变得很简单了,但这个系统本身同过去的相比就要复杂的多,由于空调这个名字已经约定俗成,辐射空调这个略显牵强的名字就可以理解了,而真正的全名应该叫“基于辐射冷暖的室内环境系统”。
3.辐射空调与传统空调控温、控湿方面比较
显然,梅氏辐射空调与传统空调相距甚远,传统空调只控制空气温度,以耦合的方式来控制湿度,气流的原因使得空气温度非常不均匀,湿度变得不可知。而辐射空调不仅温、湿独立控制,而且温、湿度还按一定比例来控制,对温度还要分体感温度(操作温度)、辐射温度以及空气温度,这三个值有时一样,但大多数时候是不一样的,尤其在工作状态下。
 
而在温、湿度独立控制理论中,除了辐射空调方式外,用干风盘代替耦合风盘的解耦方法,显然也只是在节能方面有些作用,对于舒适度,可能作用比较小,不能代替、混淆辐射空调的概念。空调重点的几个难题,由于辐射空调的出现,变得非常简单,北方地区比如华北地区等,夏初季节气候非常干燥,南方地区回南天梅雨季节气温低、湿度高,这两个问题在辐射空调系统里变得非常简单,不仅提高舒适度,而且节约大量能量。空调对于解决地下室是一个难题,辐射空调对于这一问题解决的非常好。可以把地下室同所有的房间做成一样舒适的冷暖环境。

在辐射空调控温过程中,其实重要的控制手段是控制辐射面的温度,而传统空调则是控制空气的温度,这两种方法,哪种更高明、更有效呢?其实问题都出在看待冷暖的角度上,如果从建筑物的得热和失热角度来看,两者的区别并不大;但如果从人的身体感受角度来看,优劣高低马上就分出来了。
 
梅瑟纳先生经常用的例子就是我们的地球,太阳通过热辐射的方式传给地球表面热量,而空气温度是地球表面对空气加热和空气的对流产生的,而人们的体感温度又是空气温度和辐射温度的加权平均值(也可以近似理解为算数平均值),显然在这个时候,是改变空气温度有效,还是改变太阳辐射温度有效?显然,打把伞或者在树荫下更有效!同样的原理,在房间内,如果你想改变体感温度,是改变空气温度有效,还是改变壁面辐射温度有效?显然是改变辐射壁面的方法更有效,因为空气加热或制冷壁面是很难的。
 
这里还要提一下行业内的几个误区:

① 天棚辐射供暖与地面辐射供暖
 
从热辐射传热的角度,其实不分方向,但人们会提出热气向上走而冷气向下去这种生活经验,是的,这是对流产生,对于空气上部冷却和下部加热才能产生热对流,上部加热无法产生热对流。
 
显然是天棚与地面在供暖方面热辐射角度差异在于辐射角,地面的辐射角显然是大于天棚的辐射角,但姚明也许是个例外,他太高了。而地面对空气热对流是远大于天棚的,但天棚供暖对地面温度如何?如果没有遮盖的前提下,地面此时应是高于空气温度的。如果非要做个地暖和顶暖的比较,结论一是地暖由于热对流和辐射角的作用,效率高于顶棚,但顶棚供暖达到同样热流密度的话需要比地面更高的温度;结论二是顶棚供暖的优点在于可以兼顾供冷,同样的道理供冷的效率会更高,同时顶棚供暖不会产生地面温度低的现象,因为空气要靠它加热,想想夏天的马路就明白了,最容易让人忽略的是顶棚供暖空气温度会更均匀,对流量会更小,从而向外的传热损失也许会好于地暖,请注意,是“也许”,因为边界条件太多,实在无法明确之!

② 关于“足暖头凉”的传说
 
中医理论说足暖头凉,本人对于产生于农耕文明的经验主义加玄学思想的中医理论实在没什么兴趣,它不是现代科学。
 
从现代科学理论如何解释手暖头凉呢?科学家们发现手足在冬季里是怕冷的,但在夏季也怕热,否则夏天你就不会穿凉鞋了。而这是为什么呢?是人的皮肤表面的精神元(传感点)在作怪,人体有感受凉的传感器也有感受热的传感器,它们是不一样的。这些传感器主要分布在手腕、脚腕,脖劲上较多,躯干上较少,而人体处于非热平衡状态,先从这几个较为敏感的地方响应,显然冬季就会感到冷,夏季就会感到热,所以冬季如果你的脚暖、脖子暖,也许那你就会比别人感觉更暖和,冬季围围巾的好处就在于此。夏季于此刚好相反。所以正确的说法应该是“冬季脚暖脖暖,夏季脚凉脖凉”,这个仅供参考。
4.辐射空调与空气质量
大多数非专业人士一提到空气质量,首先想到的是PM2.5、VOC、甲醛等,其实去除这些都是较低要求,较高要求是严格控制CO2浓度,建立高品质的室内环境。
 
长期以来,人们认为缺氧是指O2含量降低,其实是CO2浓度升高导致人对O2的吸收降低,和O2含量有关,但关系不大。比如我们到西藏,尽管缺氧,但一周左右便能适应,而藏人来内地同样会醉氧,也是一周左右变适应了。而CO2在空气中的含量较低,只有0.03%~0.05%,即300ppm~500ppm,而O2则是21%。当CO2涨到1500ppm以上时人就开始有反应了,达到3000ppm就有些昏昏欲睡,达到5000ppm以上就会威胁身体健康,达到10000ppm就会脑死亡,而这时仅仅占到了1%的含量。新风的作用在这里就显得无比重要了。

在此,混和通风的传统空调与置换通风的辐射空调,其效率上差距是巨大的。风盘的风量通常是6~8次/h,对于一个房间,但这是内循环风,内循环风会把所有人的呼吸以及PM2.5、VOC、甲醛等物质内部循环,混和到一起再一次送回到大家的鼻孔,最大1次/h的新风在6~8次/h的混风面前显得特别微不足道,还没有加上风盘内的二次细菌的污染,风盘是空气质量不佳的罪魁祸首,而置换通风带来的良好的气流组织是解决上述问题的最佳方案。
 
但是,新风做到置换通风或者近似置换通风并不容易:

① 没有混风是个硬指标,尤其那些一次回风的方法,也不能叫置换通风。
② 风温控制非常重要,和室温相比,高了就会上飘,低了就会淤积,只有在低-3~-6度时才能形成较好的置换。
③ 一直保持微正压是新风重要功能,必须使用恒定风量风机,不会因过滤堵塞而使风量降低。
④ 热交换是能耗的重要伤症,而在南方高温、高湿地区,湿度的交换非常重要,否则在夏天新风机将失效。

辐射空调温、湿分控的方式,辐射加置换的方式为空气质量提供了一个最佳的解决方案,但想要真正实现依然有很长的路要走。
 
当我们的客户女主人说这个系统最大的优点是不怎么用打扫卫生,室内没有灰尘,很干净;男主人说,我在室内抽烟再也不用遭到家人的打击,甚至可以抽雪茄,都不会影响到他们,这时你的系统就对了,达到了预期的效果。
5.辐射空调与传统空调的节能比较
这是一个在国内的误区较大的问题,通常人们只认为,辐射空调的节能在于利用高温冷源,而反对者提出高温冷源温差过小是否会提高能耗。而事实上高温冷源真的未必如想象中那么节能,反而是另一个问题带来较大幅度的节能。我们实践发现,即使采用普通冷源,节能指标也大幅度提高,甚至可以节约到普通空调的40%~50%,冷机的装机容量也可以减少40%以上。其重要原因以及解释方式,还要从梅氏热舒适理论讲起,如果从热负荷的角度,做出这样的答案是困难的,但从带走同一个人热量的角度,就很容易理解了。在辐射空调系统中,由于温、湿分控,即使24小时工作,也会精确控制温、湿度而不会造成浪费。而普通空调,由于温、湿耦合,如果不是即用即开,过度除湿量是很大的。即使不过度除湿,湿度也无法热回收,每个风盘每天产生冷凝水的量是惊人的,一个300㎡的别墅,每天冷凝水的量是会比辐射空调高6~8倍的,这便是不节能的根本原因。
 
达到这一节能目的的一个重要指标是要有足够的辐射强度,也就是说,要减少空气处理的量,越少越节能。同时,在辐射系统中,人体的环境散湿也会明显减少,客户会明显体会皮肤清爽,没有那么湿漉漉的。

另外一点就是减少环境中的风速,降低了传热面的对流诱导系数,这个在冬季会更明显,因为室内外温差大。至于传说中的空气比空调高2度,这事是真的,但节能有限,不提也罢。
6.辐射空调与健康
① 空气品质带来的健康

很多科学家试验表明,CO2浓度是空气品质的重要量度,也是健康的量度之一。EN15251标准就对比做了大量说明。


而人本身是在环境中CO2的主要制造者、污染源。同样,室内的污染物甲醛、VOC、PM2.5对人体的健康危害就更大了!
 
由于辐射空调实现了置换通风,标准前面已经讲过,这种方式完美解决了室内空气品质的问题,健康指标是非常高的,这一点是得到共识的,对于辐射空调来说,再重复一遍:置换通风是关键。但现实真正的置换通风并不容易。

②  神经健康与精力充沛

有学者研究表明,在辐射空调系统的环境中生活,很容易精力充沛,睡眠良好,恢复体力快,工作效率高。这是真的吗?如何理解呢?
 
这个还是要以人体说起,我们中国人把大脑里存在的能量叫精力,这种能量可以消耗,也可以补充回来;国外的学者认为,这是神经系统的主要能量,我们叫它“生物电能”或者“生物电化学能”。它是用来保证神经兴奋以及工作的,如果说没有了,神经就不主动工作了,需要休息,我们称之为没有了精力,很累。比如读书思考会消耗,运动会消耗,所有神经兴奋都耗能,有时也会不知不觉的消耗。比如我们坐了8个小时的火车,并没有思考,也没有运动,还睡了一会但却依然很累,这是为什么呢?原来我们皮肤有2亿个传感器(神经元),其中有前面提到的冷暖传感器,但是最多的是机械传感器,也可叫触觉传感器。坐火车时,火车的震动晃动让这些传感器几乎时刻都处于兴奋状态,同时噪音让耳朵内的传感器兴奋,这些兴奋是我们不知不觉消耗了电化学能的主要原因。

同样的道理,在空调房间,吹风感、噪音、冷感或者暖感,都会让人不知不觉的消耗精力,使人感觉疲劳,但是这些都是空调冷暖功能以外的“附加值”、“副作用”,不是“正”能量!而辐射空调的环境很好解决了上述问题,也不知不觉添加了“正”能量!它不会占用你的大脑宝贵的精力,释放了大脑的“带宽”,让人更加健康的生活。

 

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