用輻射傳熱的機理來解析RCF技術的研究

一、輻射傳熱的機理

    熱輻射是一種由電磁粒子來傳播熱能的現象。它與傳導和對流有著本質的區別，它不僅有能量的轉移，而且傳熱過程中伴隨著能量形式的轉化，即熱能轉變為電磁波，輻射出去的電磁波被物體吸收，又從電磁波轉化為熱能。輻射能的傳播不需要空氣傳遞或物體的直接接觸。

    期間普朗克、斯蒂芬和波茲曼、基爾霍夫等科學家對輻射傳熱的研究也取得重大的發展。為輻射傳熱這門學科奠定了基礎。

    依據輻射傳熱的基本原理，開發出輻射和新風系統國際專利技術（Radiant Ceiling and Fresh Air System）簡稱 RCF 技術。

    據有電費統計的珠海東大寫字樓和香港科技園寫字樓的收費證實，使用該技術后，比較往年電費下降 50%以上。

    1、輻射傳熱的如下特點

    任何物體，只要溫度高于 0 K ，就會不停地向各個表面以電磁粒子的形式發出輻射能。

    電子粒子可以在真空中傳播，輻射傳熱具有強烈的方向性。

    輻射量與表面黑度、溫度和角系數有關。

    2、輻射傳熱的四次方定律。

    2.1輻射傳熱的斯蒂芬- - 波茲曼定律

    2.2根據斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann law）定律，可以推導出物體 1 對物體 2 的輻射傳熱量Q12 可表示為：

    3、輻射房間輻射傳熱量和人體舒適度的比較

    圖 1-1 是假設兩個輻射面簡化一些變量和影響因素，根據典型的輻射傳熱過程整理出如下傳熱曲線：

    曲線中軸左邊是1面傳出的熱量，右邊是 2 面接受的熱量。由曲線可見，當系統初啟動時冷輻射頂棚溫度和地面、壁面及墻面溫差在△Ta 時，輻射傳熱量非常大，實際輻射板進出水溫差可達 8℃，輻射傳熱量為 Qa 。

系統啟動 20 分鐘以后，地面、墻面表面溫度下降傳熱溫差為△Tb ，輻射傳熱量為 Qb ，冷頂進出水溫差穩定在 4℃左右。制冷量急劇減少。

    當室內各個表面溫度和輻射板溫度趨近時，室內表面溫差進一步降低到△Tc ，傳熱量降到 Qc 。此時輻射負荷最小，但人體在此空間停留由于人體表面和室內個表面溫差最大，熱量最容易散發，舒適度是最好的。

    4、對流空調的能耗分析

    舒適性空調不考慮其他因素的影響，只要使得人體代謝得到平衡，就獲得了基本的舒適度。

    現時空調設計和運行真正用于人體熱量平衡的冷量只有 20%或更少，其余 80%或以上的能量做的是無用功（與舒適度無直接關系）。

    輻射傳熱，維護結構傳熱的速度相對較慢，其表面溫度容易達到相對穩定的狀態，當室內各表面溫度接近輻射板溫度時，輻射傳熱負荷急劇減少，供回水溫差下降，主機能耗非常低，而此時人員的舒適度是最好的。這種狀態和對流空調完全相反，實踐證明，RCF系統舒適度保持較高的水平時，空調能耗沒有顯著的增加。

    將對流房間和 RCF房間相比，對流傳熱是空氣依靠流體微團的宏觀運動而進行的熱量傳遞，換熱能力取決于邊界層的流態和參數。輻射傳熱與人體表面風速無關，同樣舒適度的前提下可以冬季降低或夏季提高 4K。

    對流空調的計算負荷是環境熱源對空氣形成的熱影響所決定的，輻射板的得熱量主要是環境表面（也包括人和設備）輻射熱的影響所致，受表面黑度、角系數的影響很大。

    傳統空調的熱工計算方法完全不適合輻射板系統。輻射板的計算參數是實驗取得的，

二、關于輻射板測試標準方法的討論

   1、 歐洲標準 EN14240 、DIN4715

    歐洲常用的輻射板測試標準有 EN14240、DIN4715。

    測試臺六面均是水冷壁,使用循環水保持壁面溫度和小室內空氣溫度相等，標準認為此舉可以保證室內墻壁和輻射板沒有傳熱。

    測試臺六面均是水冷壁,使用循環水保持壁面溫度和小室內空氣溫度相等，標準認為此舉可以保證室內墻壁和輻射板沒有傳熱。

    測試輻射板安裝必須和天花保持大約 300 毫米的空間，熱源內部安裝發熱燈具，可以調節電流控制發熱量。

    2、RCF射板測試方法

    在測試輻射板供冷工況時，調節熱水供應量將熱板調節到室內平均輻射溫度，冷板表面控制在設計溫度。在兩塊板的冷量和熱量的誤差在 5%以下時，根據測得的冷板進出水溫差和流量計算能力。測得的數據在研發過程中是非常有用的，但在工程設計中只能作參考。

    一個采用 RCF 系統的設計，要對外圍護結構、朝向做很多修正，由于輻射板隨水量和水溫的變化其能力變化幅度很大，一般是自控系統根據參數來調節以滿足使用的要求。

    測試臺可以測試輻射板的結露參數，調節通過在測試臺的空氣狀態，可以觀察到輻射板產生結露的極端數據。

三、RCF技術的其他研究簡介

    1、RCF新風機的研究和實踐

    RCF 技術利用干的新風送到室內，吸收了室內主要是人員的濕負荷排出室外，保證室內的相對濕度。在歐洲北部由于室外空氣含濕量很低，基本不用考慮室內濕負荷的影響，普通的新風機就可滿足使用要求，在瑞士輻射空調的房間經常是開窗的。

    第一級使用較高溫度的冷源處理高溫高濕的新風，使其中間狀態達到飽和，低溫表冷器將中間狀態的空氣沿飽和線處理到設計露點，是個非常簡單而有效的除濕方法。

    2、 RCF系統自控運行簡介

    圖 5-4 所示的是早晨啟動記錄，可見系統啟動十分鐘左右，室內達到舒適度要求了。之所以能有這樣理想的運行質素，除了硬件和系統具有足夠的調節能力之外，完善的自控邏輯設計是運行的重要保證。

四、 結 論

    輻射及新風舒適度系統在歐洲已經應用多年，是個非常好的技術。但是,歐洲技術在熱濕地區使用發生了冷頂結露的弊病，難以正常運行。針對結露的產生和消除，我國同行進行了大量的實驗和研究，得出了不同的結論。

    專利輻射板利用較低的能源成本形成了較大的冷輻射強度，并且具有很好的調節性能。

    簡單而實用的專利新風機完全解決了新風和室內的余濕，本技術成功解決了結露的弊病。

    完整可靠的自控系統是 RCF技術正常運行的保證。

    RCF 技術研發時充分考慮了對既有建筑傳統空調進行改造的適應性。

    RCF 技術非常適宜在既有建筑的節能改造項目中實施，

(本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網絡：呂琳琳 雷丹 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)