冷暖辐射与建筑节能分析

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冷暖辐射与建筑节能这一命题，实际上并没有什么新意。因为冷暖辐射从有人类那天起，它就伴随着人类繁衍生息。没有它，就没有生命的存在。但是人们对于“冷辐射”的认识或许有些陌生，而对“热辐射”就很司空见惯啦。北方人自古以来就有采用烟道式的火炕、地暖、火墙等传统的采暖方式的习惯。尤其是最近几年，由于新材料、新工艺不断涌现，低温辐射地面供暖广泛应用，几乎达到家喻户晓的程度。本文从热辐射的原理及冷暖辐射的应用浅析冷暖辐射与建筑节能的关系；简论冷暖辐射对于建筑节能的重要作用；推介适合中国国情最环保节能的生态冷暖辐射空调装置及其不可或缺的末端主要配置系统――辐射模板系列产品。以期为建筑节能起个推波助澜作用。　　一、辐射原理
. t2 v6 r, e6 e! e; z　　1．热辐射
　　在任何一个环境里，任何一个绝对温度高于零度的物体都会向外界以电磁波的方式发射具有一定能量的粒子（也叫光子）。这个过程就叫做“辐射”。常说的“热辐射”。热辐射的波段为0.1-100μm。此波段介于X射线和无线电波之间。其波段包括一部分紫外线波段、可见光波段（0.35-0.75μm）和部分红外线波段。自然界所有物体都会高于绝对零度的温度。因此，都有发射和吸收辐射波的能力。只不过物体不同，发射与吸收辐射波的能力不同罢了。物体自身温度越高，辐射能力越强。物体之间距离越近，辐射强度越高。在我们所认知的宇宙间，太阳的辐射能力最强。一个物体向另一个物体热辐射的过程实际上是一个能量转移的过程。其过程，辐射源一方能量减少，被辐射一方能量增加。这个过程也就是一种热交换过程。是热传递过程的一种。
　　2．热传递方式
　　热传递方式有三种：对流，传导，辐射。
: R% b  I4 t) }5 D　　对流：热对流是以液体或气体为介质，通过其质点宏观地相对运动，从一个区域迁移到温度不同的另一个区域的热传递过程，也称谓“对流换热”。在日常应用的散热器与冷风、热风空调等换热装置主要是以对流方式供暖或供冷；大自然常见的“寒流”、“暖流”等导致大气温度变化的气象现象，是明显的对流方式传热过程。
. m; f6 p5 Z$ z+ Q- L' z　　传导：热传导（导热）是两个相互接触的固体或固体的不同部位之间由于温度不同而引起的热传递现象。这种导热方式是依靠物体的分子、原子及自由电子等微观粒子热运动进行热量传递。这种热传递方式不仅大量存在于冷热能传输与热交换之中，而且根据其不同的导热性能和工作环境的不同要求而大量地应用在建筑围护结构和其它设施的保温隔热材料方面。
　　辐射：热辐射是完全不同于热对流和热传导的热传递方式。由于其特有的低温辐射特性，而且此低温特性做为一种热交换方式，以其节能、舒适而著称，明显优于对流和传导两种热传递方式，而被正在推广的低温辐射地面供暖所充分验证。
* n8 Z) M5 \6 p- `# R0 V　　3．冷暖辐射的概念
　　冷暖辐射从实质上讲是一个原理，都是热辐射的过程，只不过是通过正向、逆向两种方向的辐射，分别达到供暖、供冷二种不同效果。辐射供暖时，温度高于供暖环境的辐射基体持续地向周围空间、物体及人体辐射热能，完成供暖过程。辐射供冷时，温度高于辐射基体的户内空间、物体和人体将自身的热量辐射至低温的辐射基体（实际上已成为被辐射基体）。降低了户内空间、物体和人体的温度，达到了供冷效果。
　　二、辐射能的利用
6 M5 P' ~4 S, t# {# R- t　　辐射能的利用，这是一个涉及建筑物理、热工环境、暖通空调、建筑结构等众多领域，诸多学科的应用技术研究课题。辐射能的利用伴随着人类历史的发展，应用的领域越来越广，应用的范围越来越大。在经济高速发展，能源逐渐危机，环境日趋恶化的当今时代，深入研讨辐射能的利用，既有刻不容缓的现实性，也有功在千秋的前瞻性。
' ^8 J4 A+ G- j　　本文从以下几方面进行论述：
) _7 X& ?, d1 |, E2 U9 a　　1．充分挖掘利用辐射能源
6 C  `. K" _" ]: m$ C/ g; G　　挖掘利用辐射能源，就是充分利用太阳能这一取之不尽、用之不竭的能源。它几乎100％的以热辐射的方式向地球毫不吝啬的，永不休止的传递热能。可以肯定地说，太阳能是唯一的人类可以永久利用的能源。世界著名的英国人类学家爱德华、泰勒曾说过：“人类实际上是能够适应辐射热交换的，毕竟人类已经生活在一个由辐射能加热的世界上达几亿年之久。”
　　2．积极推广低温辐射的热传递方式
　　爱德华、泰勒先生又说：“如果世界上的热交换完全靠辐射来完成，我们在目前能耗几乎1/3的基础上就可以生活得更好。”低温辐射供暖优势多多。低温辐射地面供暖环保、节能、舒适、健康、方便、耐用等优越性已人所共知，无须赘言。中温辐射供冷的应用虽然刚刚起步，但是其节能等诸多优势可与低温辐射供暖相媲美。而且二者同一冷热源，同一传输系统，同一辐射末端配置的兼容功能，可使优势倍增，能耗倍减。
" `# p1 \& W1 D) L8 t% D7 b　　3．有效发挥调控热辐射功能
　　如何有效利用太阳辐射能，如何有力控制太阳辐射能，是二个同等重要的课题。一方面千方百计将太阳能转换成有效能，另一方面想方设法防止热能通过热传导、辐射方式散失或侵入。做到需要热量时供热，需要降温时供冷，该保温的保温，该隔热的隔热。有效发挥、调控热辐射功能，完美地体现这一异曲同工的节能作用。
　　4．不断更新、推出冷暖辐射能源的制取、转换配套设备
) G! t; B6 }8 W/ @& |　　目前在市场上同时制冷供热的各式吸收式溴化锂直燃机组，水源热泵、地源热泵及其它可再生能源冷热兼容的转换设备已相继问世。太阳能冷暖空调也正在研制中。但这些冷热制取转换设备的市场方向基本上还是没有离开以对流为主的冷热风方式供冷供暖。其供热出口温度要求过高，供冷出口温度要求过低。因此，导致设备出力大，高能耗，高价位，市场定位很难大众化，而且一次投资大，运行费用高，舒适度差。而用这样的前端设备制取冷暖辐射的冷热源，自然是大马拉小车，很不划算。因此对于各种能源，有针对性地研发生产或将现有设备改造成适合于辐射供冷供暖的前端设备显得尤为重要和迫切。这对现有的一些生产厂家来说不是有可能，而是很容易做到。
: m2 }3 _; q) ?. f4 N: Q) S　　5．大力研发生产冷暖辐射空调干式末端配置系统
　　所谓“干式末端配置系统”是指各类辐射模板。前端设备将制取的中温冷水或低温热水，经传输系统，传递到末端辐射模板的表面。通过辐射和对流的方式（以辐射为主）直接与室内环境进行冷热交换。这种以辐射方式为主的冷热交换极大地简化了能量从冷热泵到终端用户――室内环境之间的传递过程。大大减少了不可逆损失；提高了低品质自然冷热源的可利用性。
　　目前，具有自主知识产权的适合于安装在地面、内墙、顶棚的各种辐射模板（块）、组合板、集成板系列产品，已陆续问世。有的已大量应用在地面供暖的工程上。当前，在北京大兴区冷暖辐射样板工程上也得到成功应用。这些辐射模板（块）在大量的地面供暖工程上和冷暖辐射空调样板工程上的应用，为冷暖辐射空调干式末端配置系统的全面推广提供了可能，创造了条件。
* y, _) c+ }% \: v　　三、建筑节能的现状与形势
　　改革开放以来，我国的国民经济迅速发展的势头令全世界惊叹不已。同时能源的危机、环境污染的不断恶化又令人十分担忧。循环经济可持续发展的战略，已列为中央富民强国的压倒一切的大政方针。众所周知，能源危机是全球性的，环保节能是人类共同面临的历史任务。我们不得不面对这样一个严峻现实：按照目前开采的能力和水平，全世界的煤约200年、石油约30年，天然气约50年，就将抽干挖净。诚然，文明的现代人绝不会消极等待或无动于衷的。保护环境，节约能源已成为全人类的共同行动。发达国家不仅其社会经济总量和人均GDP远远高于我国，更主要的是环保节能意识、环境保护水平、能源节约力量都远远超过我们。这是不争的事实。在社会不断进步、经济飞速发展的情况下，人类生活用能耗占社会总能耗的比重越来越大。与我们同纬度区域的西方发达国家对能源需求能力，平均比我们高出2－3倍，而实际能源消耗却是我们的1/3。这是一个很值得我们反思的问题。
　　我们国家经济发展的势头越来越迅猛。2020年实现小康社会现有的经济总量要翻二番，达到3000美元/人均。城市化率将达到41.76％；每年新增建筑面积18.2亿m2。要达到此目标，现有能源必须翻一番，而且当前全国还有4亿m2的旧有建筑需要节能改造，确实建筑节能工作任重道远。为此，国家对新增的建筑节能标准由“十五”规划北京、天津地区的65％增至75％，全国其它地区由50％增至65％。而实际上即使达到65％的节能标准，平方米耗煤量为12－9kg，也远远高于欧洲发达国家4kg/m2的耗煤量。更何况实际中节能水平还在大打折扣。近期国家有关部门联合对北京地区“十五”期间建筑节能标准达到65％的建筑进行抽样调查，竟发现相当一部分建筑节能标准甚至没有达到30％。由此可见我们的节能工作的严峻形势。大家都不会忘记2005年夏季，北京、上海、南京等大中城市因空调用电旺季，拉闸限电闹“电荒”的情景。
　　建筑节能的工作与经济的飞速发展相比，严重滞后状况，原因是多方面的。这是一个历史遗留的问题也是一个非常复杂的经济问题和社会问题。但是笔者认为，用辐射供冷暖这一把钥匙去开启建筑节能这扇大门不失为一个科学的、行之有效的，投入少，见效快的最便捷办法。
　　

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四、冷暖辐射与建筑节能的关系　　谈建筑节能不研究冷暖辐射是不可能的。建筑节能、这里既包含建筑建设时的节能，也包含建筑使用阶段的节能。也就是说，这里既包括建筑的设计技术（优化设计）施工工艺、建筑产品、购件材料的节能，也包括供冷供热方式的节能。在建筑总能耗中，建筑建设能耗约占20％，使用阶段能耗约占80％。二者虽然能耗比例差距很大，但确是互为作用，相辅相成的。既可相互叠加，也能相互抵消。
) Y9 o4 D+ h+ w) I　　1．冷暖辐射
3 \# Q8 k* m9 |% C　　合理利用太阳能、潮能、风能、地热能、生物能等一次可再生能源及煤、石油、燃气等一次不可再生能源以及电、余热等二次能源，特别是大力开发利用低品位自然冷热源；科学选择冷热兼容的直燃机热泵，太阳能空调等前端设备，为用户终端夏季提供18℃－22℃中温冷水、冬季提供35℃－45℃低温热水，通过末端模板辐射系统实现冬季辐射供暖，夏季辐射供冷，也可常年供应生活用热水。这种冷暖辐射空调项目，其中热辐射模板系统已成功地应用在地面辐射供暖的工程实践中。辐射供冷在法国、德国、丹麦、泰国等国家已广泛应用。我国在新疆等地也有应用先例。本公司近期已成功安装一套冷暖辐射空调系统的样板工程，运行数日，辐射供冷效果很好。在限定的供冷温度和供冷时间的条件下，冷辐射的基面未出现任何结露现象。因此本辐射供冷暖系统对于辐射供冷来说，采用提高供冷温度（18℃－22℃）增加辐射面积，加大供冷水流量，缩小供回水温差的办法，达到既能保证供冷冷量满足室内供冷效果，又能不冷凝结露。如果在湿度较大地区或环境温度较高的地区和季节，末端适当配置风机盘管系统，新风置换系统或净化去湿装置，即可提高供冷效果，缓解结露发生，也可改善室内空气质量。这一点已被本公司样板工程所验证。
　　另外，用这满足冷负荷的同一供冷辐射面积去辐射供暖，供暖温度可降低20－30％，达到35℃－40℃。比单一的低温辐射地面供暖更加节能。
; M9 t' z0 N# y  E$ F2 f　　2．建筑节能
　　建筑的规划设计、施工图设计的优化组合，施工中新技术、新工艺的应用，建筑结构的构件、新产品、新材料的选择都无不考虑保温、隔热，辐射、防辐射等与辐射紧密相关的因素。
　　① 施工图的优化设计――考虑环保节能，达到环保标准，节能标准。
4 R3 Q. ?' V" i8 R: d/ `　　② 屋面的保温、防辐射――由选材与施工保证。
+ k3 U$ G& V. ^  f3 l　　③ 外墙保温、隔热、防辐射――由选材与施工保证。
　　④ 外门窗的热反射、热辐射――由选材与安装来保证。
$ |, {. b% d. Z+ ^2 j　　⑤ 墙体空心砖，其它轻体材料的选择与施工。
　　3．相互关系
+ t& t% f+ R: P5 W) I3 N　　冷暖辐射――生活能耗（即建筑使用期能耗）与建筑节能――建筑能耗（建筑建设期能耗）是建筑总能耗的两个部分。两者是相互作用，相互弥补的统一体。没有一个高标准的节能显著的建筑围护结构，使用期的能耗既降不下来，也更不会有一个良好的供冷供暖环境。反之，建筑节能标准再高，没有一个低能耗的供冷供暖系统，也达不到理想的供冷供暖的效果。因此，只有深入研究辐射原理及辐射能的应用，把冷暖辐射和建筑节能做为一个完整的课题集中研究，统筹考虑，建筑总能耗才能按照以下趋势走向。
# E6 o, J- W8 [/ V　　高能耗→低能耗→超低能耗→微能耗→零能耗
　　五、冷暖辐射在建筑节能中的应用――模板式冷暖辐射及风机盘管空调系统装置的首创
　　各种同一前端设备及同一末端配置的冷暖空调系统已成为世人用于冬季供暖夏季供冷的首选产品。由于国家加大了环保节能宣传导向和政策倾斜力度，由品种繁多的适合各种能源的供热制冷设备以及花样翻新的末端换热配置组成的各类冷暖空调装置均以节能30％－70％的身价纷纷问世。这里不失有货真价实，方便实用的环保节能产品，也有技术含量高，但价格昂贵难以普及的高科技产品，还有言过其辞，名不符其实的产品，甚至有有欺诈行为的伪科学产品。
　　笔者认为，对于各种冷暖空调装置的开发、研制、生产和选用，应着力考虑三方面。一是能源。因地制宜，首选可再生能源，再选清洁能源。这是环保节能的根本；二是前端制冷供热设备。要选简单、价廉、耐用、易操作，COP（能效比）高的设备；三是末端冷热交换方式。笔者首选可再生的地下水资源及热泵机组，末端选用模板式冷暖辐射系统，重点是冷辐射，这是对传统冷暖对流式空调的挑战，是建筑节能的一个突破和飞跃。
- ~0 H; e1 x- p5 T6 F9 o4 T0 V1 M　　笔者近日在北京大兴区亲自组持建立了一座水源热泵式的，末端辐射加风机盘管的冷暖空调系统。前端打一供一回两眼60米浅水井，同时选用可供热制冷的一小型热泵机组，末端采用模板式地面和顶棚冷暖辐射系统以及风机盘管系统。整套装置设有地源直供和热泵专供二个系统及不同换热方式的换热系统。此套装置运行正值盛夏，运行数日，一直采用井水直供方式。室外温度30℃－35℃相对湿度68－72％，室内温度24℃－26℃，地面温度20℃－22℃。由于热泵机组末开，其节能效果可想而知。该项目的建成及运行，突破了制冷领域的禁区，解决了冷量与结露的矛盾。为最大限度地采用低品位、低价位的可再生能源，创出了冷暖空调环保节能的一条新路。该项目的成功运行，进一步验证：为达到足够的供冷量，又确保不结露，通常采用的中温供冷，大流量、小温差的路子不是不可行的。
　　而本项目采用的全国独家首创的模板式辐射供冷运行实践深刻地揭示了二个问题，在此笔者愿意与同仁共同商榷与分享：
　　①增加辐射面积，提高供冷效果。增加供冷辐射面积1.5－1.8倍（以低温辐射地面供暖实铺面积为1）形成地面与顶棚或地面与墙壁或顶棚与墙壁的立体辐射环境。而此方案恰恰利用了辐射模板与建筑围护结构的易镶嵌，可融合的工艺性能这一优势。极大地体现了辐射热交换的功效。
& N/ V/ Z1 J8 C+ K. H+ N) o　　②形成缓冲层，降低界面温差。一般来讲，做为冷量载体的介质，通过其管道（或容器）的壁输出冷量与外界高温环境（或湿度大的环境）接触。如果在此壁的（管道壁或容器壁）界面上达到冷凝温度，结露是必然的。这是个不可逆转的自然规律。而冷辐射的工况情况却与此完全不同，它的管壁（或容器壁）不是直接与环境接触的，而是与辐射模板（或填充层）接触的。这个通常称谓的“蓄冷层”做为辐射的基体，在这里变成了一个过渡层。这个过渡层把冷介质通过管壁（容器壁）传导出的冷量与高温度、高湿度的环境隔离开，人为的形成了二个界面。即：管道（容器）壁与辐射模板（填充层）的内槽，辐射模板（填充层、装饰层）表面层与工况环境。如果把冷介质温度设为t。，环境温度设为t，环境湿度设为p  。那么为了达到一定制冷量，在通常情况下t。不可能不低。而t和p高到一定程度必然结露。要改变结露状态，要么提高t。温度，要么降低t和p的数值，这都是不可能的。而在冷辐射的工况环境下，增加了辐射模板（填充层），其温度为t1，层内相对湿度为p1。这里to＜t1＜t，p1＜p。在同样冷负荷环境下对于t0来讲，外界温度t降低为t1，对于环境温度t来讲，其原t0温度提高为t1。而且辐射模板（填充层）内由于均设有保温层、隔热层，层内相对湿度p1也远小于环境相对湿度p。二个界面分解了结露条件，化解了结露的可能性。对于地面辐射供冷来讲，结露的可能性还会减少。在人员少流动的情况下，地面自然笼罩着一层“冷湖”。这层冷空气与室内高温环境进行热交换（以对流为主）要有一个过程和时间。这样，无形中这层“冷湖”对于辐射地面与高温环境之间又生成一过渡层（缓冲层）。对于地面辐射基面来说，结露可能性又大大降低了。即使有人员流动，过渡层仍起一定的缓冲作用，只不过是这个“冷湖”即散即成罢了。
$ M  V  M( Q" h　　通过模板式冷暖辐射及风机盘管空调系统装置的运行效果完全可以证明：由于①增加了辐射面积，提高供冷效果；②形成缓冲层，降低界面温差二个关键点，辐射供冷既能满足冷负荷要求，又能化解冷凝结露现象是不成问题的。
& o& z. O- Y/ X- ^$ c. c% N8 d　　增加辐射面积不仅可以化解冷凝结露，还有倍增效果。可使供暖的供水温度大辐度降低。可降至35℃－40℃。这种中温供冷、低温供暖的冷暖辐射系统其节能效果完全可达到50－70％。不仅如此，由于采用模板式冷暖辐射末端，可最大限度利用低品位、低价位可再生能源，节能效果可达到70－90％。
) b. `: `9 O5 V; B) m　　为避免辐射供冷“室内气闷”现象，提高室内空气质量，增加制冷效果，我们采用了模板式冷暖辐射与风机盘管联动方式，打造一个温度适宜，微风习习，空气新鲜的生态环境。
7 K6 X" D% g7 |- A+ x9 z　　根据多年研究及近期工程实践，笔者认为，在社会主义新农村的建设和发展小城镇建设以及有条件的房地产开发建设中推广模板式冷暖辐射及风机盘管空调联动系统是可行的。本工程项目适应范围广，投资少，200元/m2左右，运行费用低，节能可达到50－70％以上，甚至更高，零排污，十分环保，可因地制宜就地取源。
　　模板式冷暖辐射及风机盘管联动空调系统，根据不同条件和要求，可匹配、组合成多种形式的空调系统。
　　按着冷热源及前端设备区分，可分为：
3 W! i; v+ H( d　　① 热泵三联供型（供冷、供暖、生活用热水）
, i) X' n1 q8 V$ S* g7 S0 Y6 Y' \　　② 地（水）源直供单冷型（分单供回或分供回）
　　③ 地（水）源与太阳能冷暖联供型
　　④ 地（水）源与其它热源系统冷暖联供型
　　⑤ 各种环保节能型冷热源系统
　　按着末端配置及冷热交换方式区分
　　① 地面冷暖辐射＋风机盘管型
　　② 内墙壁冷暖辐射＋风机盘管型
　　③ 顶棚冷暖辐射＋风机盘管型
　　④（地面＋顶棚）冷暖辐射＋风机盘管型
8 ]$ d2 I9 i' C' w2 x1 e  j# }8 |* I0 b　　⑤（地面＋内墙）冷暖辐射＋风机盘管型
　　六、冷暖辐射空调干式末端装置系统――辐射模板系列
3 ]& S# e7 ~9 p7 L0 Z　　冷暖辐射为建筑节能提供了新的途径和方法；而与建筑围护结构融为一体的或者镶嵌附着在其表面的各类辐射模板又为冷暖辐射提供了先决条件和良好的工艺保障。不仅如此，生产各种模板的工业废渣的利用及先进技术和工艺的采用，其本身就是一个环保节能的过程。因此，推广辐射模板这种新型的冷暖辐射空调干式末端装置，对于建筑节能就至关重要了。
　　世界上发达国家研究和应用冷暖辐射空调干式末端装置系统有三十年的历史。西欧、北欧等发达国家将此干式末端系统按结构划分为：①“水泥核心型”（Conevete cove）简称“C型”。在瑞士应用广泛。蓄热能力强，多用于地面；②“三明治型”（Sanowich）简称“S”型。多用于吊顶板；③“冷网格型”（CooLing Cria）简称“G”型。材料为塑料。为德国CLINA公司研制。适合于改造项目，多用于吊顶。目前这些产品已部分引进中国。但是，由于我国的冷暖辐射空调刚刚兴起，这些产品价格又特别昂贵，基本没有推开。本文详细介绍的是适合中国国情的冷暖辐射空调干式末端装置系统――辐射模板系列。该系列产品基本属于“水泥核心型”；该系列产品具有多项自主知识产权。发明者在较长时间从事低温辐射地面供暖研究与实践的基础上，不断吸取失败教训，总结成功经验，自2001年起历经五年时间，潜心研究，反复试验，针对我国的具体国情和冷热辐射的原理特点研制出既适合于地面，又适合于墙壁和顶棚的不同加工工艺，不同生产配方，不同安装方法的不同强度，多种规格的辐射模板（块）系列产品，并自2002年起相继申报了数项国家专利。
　　可再生能源是世界上取之不尽，用之不竭的最廉价的能源；热辐射是大自然中最科学、最简捷、最效能的无时不有、无处不在的热传递方式。
　　采用热辐射原理，使用可再生能源，选择高效节能的冷热制作转换设备，应用模板辐射末端，利用冷暖辐射方式，调控人类生活环境，改善人类居住条件，这是建筑节能的最佳选择，也是建筑节能的最终目的；这不仅是人类生存需要，也更是现代人的文明标志。

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