新型辐射板研制
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1 引言
在当今形形色色的空调末端装置中，辐射吊顶以其突出的优势格外引人注目，在欧洲，仅德国一年新建和改建的辐射吊顶的面积就超过了80万平方米[1]。上一世纪90年代，这一产品进入北美市场后，由于技术上的改进，也取得了迅速的发展，在加拿大最近几年新建的办公建筑中，采用辐射吊顶的面积就已经超过了50％［2］2002年辐射吊顶被美国能源部列为美国当今和未来，在经济上最有优势的15项暖通空调节能技术之一[3]，并成为美国最有发展潜力的空调系统——独立新风系统（DOAS）的主要组成部分[4]。
虽然我国从上一世纪90年代开始，就开展了这方面的研究工作，短短的几年时间，所取得的成果令人瞩目，但是，迄今为止有关这方面的工作仍然局限于高等院校的理论研究和实验的范围，国内尚无这方面的产品，而进口辐射板的价格又远远超出了国内常规空调设备的价格，因此这项先进的节能技术很难在国内得到推广，研制开发辐射吊顶的主要部件——辐射板已成为当前我国空调界一项紧迫的任务。
2 辐射吊顶存在的主要问题
辐射吊顶之所以在欧洲发展迅速，主要有以下几方面的原因：① 气候原因。欧洲大部分地区，尤其是积极推广辐射吊顶的北欧和中欧诸国夏季气候较为温和，因此单位面积冷负荷较小；② 经济发达。空调系统的一次投资一般不会成为阻扰空调新技术推广的障碍，人们更关注的是室内空气质量和人体舒适感；③ 自动控制水平高。辐射冷吊顶结露的问题通过自动控制系统可以有效的防止；④ 生活习惯。欧洲大部分地区，冬季寒冷，而过去的冬季采暖一般都是采用辐射方式，因此辐射吊顶比送冷、热风的对流方式更受欢迎。
但是上一世纪90年代这项技术进入北美后，在推广过程中遇到了极大的阻力，文献[4 ]认为其阻力主要来自三个方面，即：① 凝露；② 冷却能力；③ 一次投资过高，文献[4]同时指出，欧洲采用的辐射吊顶与置换通风相结合的方法，也存在诸多问题，这些问题也影响到这项技术在北美的推广。
这些问题，在中国同样存在，矛盾可能更加突出，下面加以分析。
2.1 凝露问题
当辐射吊顶用于供冷时，辐射冷吊顶凝露问题是任何一位不熟悉这一技术的人首先要提出的问题。在欧洲，防止辐射冷吊顶凝露的传统方法就是控制进入辐射板的冷水初温，由于当室温为26.7℃，相对湿度为50%时，空气的露点温度为15.43℃，因此只要控制进入辐射板的冷水初温不低于16℃，就可以防止凝露的发生[2]。在欧洲，辐射冷吊顶一般是与置换通风或地板送风相结合，新风采用下送风的方法。为了避免送风温度过低，引起人体不适，送风温度一般控制在18℃以上[1 ]。欧洲多家自控公司推出了与之相配合的冷凝状态监控器，以防止冷凝水在辐射吊顶的表面出现 [5]。在宣传辐射冷吊顶的优点时[6-8]，厂家特别强调，由于采用较高的冷水初温，因此冷水机组可以在较高的COP下工作，达到节能的目的。但是，提高水温防止凝露的另一个后果，则是需要增大辐射板的面积，由此导致的一次投资的增加，往往是冷水机组效率提高难以弥补的。
2.2 冷却能力问题
表1列出了欧美辐射板主要生产厂生产的辐射板的冷却能力。在欧洲进行辐射冷吊顶设计时，一般取单位面积冷量为80W/m2，多家制造厂的产品样本也是采用这一冷量作为设计。
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参考文献 |
[4] |
[6] |
[7] |
[8] |
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单位面积冷量/W/m2 |
95 |
115 |
104 |
104 |
95 |
注：室温与冷水平均温度的温差10.5℃。
由于现代化办公建筑人员密度一般为7m2～10m2一个人，根据2004年4月1日开始执行的新版暖通空调设计规范[10]，办公建筑的最小新风量为30m3/h～50m3/h，单位面积新风量为3 m3/（h•m2）～7.14 m3/（h•m2）,常规空调系统的新风机组能够承担的室内冷负荷只有8.6W/m2～20.5 W/m2,因此很可能出现吊顶面积小于所需要的辐射板面积的情况，这就是文献[4]指出的辐射冷吊顶的冷却能力问题。
2.3 一次投资问题
文献[4]指出，在北美，空调设计师、建筑师、承包商和业主在选择空调方案时，十分关心空调系统的一次投资。这点，在中国可能更加突出。一是由于中国目前经济的发展水平还远远落后于欧美工业发达国家，二是由于中国常规空调系统的一次投资远远低于欧美工业发达国家的一次投资，当今国际上诸多先进的空调技术之所以难以在中国全面推广，到了二十一世纪的今天，之所以在中国空调市场中，风机盘管机组、柜式空调机组、家用空调仍然占据着大片江山，其中价格是制约空调新技术推广的瓶颈。
目前美国市场上，辐射板的价格大约为140美元/m2(冷量为95W/m2)[4],进口辐射板在国内的价格为2000元/m2左右。由于单位面积冷量较小，因此价格较目前常规的空调末端装置要昂贵得多，因此除了少数高级办公楼有可能采用这种末端装置外，在中国难以推广。
3 影响辐射板热工性能的因素
上述问题，由于独立新风系统的出现，在北美地区已经得到缓解，辐射冷吊顶被赋予新的强大的生命力[4]。在美国能源部所作的商业建筑暖通空调系统的经济分析中，与常规空调系统（变风量系统）相比，辐射冷吊顶的回收年已经达到0年，即一次投资和常规空调系统基本相等，但是运行费用却明显低于常规空调系统[3]。但是，目前在中国，由于国内尚无这种产品，因此必须依赖于进口，由于国情的不同，同时夹杂着商业因素，所以即使是采用独立新风系统，辐射板的价格仍然过高，因此研制具有中国特色的辐射板，对于在中国推广这项先进的空调技术具有十分重要的意义。
图1 是目前流行欧美的典型的辐射板的结构
图1是目前常用的辐射板的形式
根据传热学的基本理论，这种形式的辐射板其热工性能主要取决于：①所用材料的物性；②结构；③ 传热系数；④ 发射率，下面分别讨论：
3.1 辐射板所采用的材料的物性
由于辐射板除了是一种空调末端装置之外，还是室内建筑结构的一部分，因此所用的材料必须同时兼顾这两方面的要求。作为一种空调末端装置，显然其热工性能是关键，因此目前国际上普遍采用的都是导热性能好的金属材料，铜、铝和钢，最终采用哪种材料，或材料组合，则与其结构和建筑装饰的要求有关。在空调负荷不大，建筑围护结构保温性能特别好的住宅建筑，也有采用混凝土内埋塑料管的方式，这种辐射板技术近年已经进入中国，在北京得到应用。目前作为正式产品的主要有：铜管铝板结构，铜管铝支架钢板结构、铜管铝支架铝板结构等。
3.2 辐射板结构
如图 1 所示，以金属作为材料的辐射板，一般都是采用铜管与金属板组合，利用铜和铝的物性，加压将铜管嵌入铝槽中。铜管的布置，有串联和并联方式，也有同程和异程方式，各个公司在结构上不尽相同，各有特色。由于辐射板需要通入冷（热）水，一般都是置于吊顶上，因此在结构上，各个制造厂都特别注意安装的简捷、方便，连接的密封、防漏。水管连接都是采用快速接头，这种接头可以承受20公斤以上高压不漏水，安装和拆卸十分方便，无需任何工具和辅材，即可在极短的几秒钟时间内完成。
3.3 传热系数
辐射板实际上也是一种管内走水，管外为空气的表面式空气换热器，其传热过程包括：① 水与管壁的对流换热过程；② 金属管壁导热过程；③ 粘结剂导热过程（当不采用粘结剂时，则为空气间隙的导热过程）；④ 金属板导热过程；⑤ 金属板外传热过程。根据换热器的传统理论，在上述传热过程中，金属管壁和金属板的热阻与其他几项相比，可以忽略不计，因此不加考虑。管内的对流换热过程则取决于水的流速，合理的水流速为0.6～1.8m/s[10]，作为标准产品，目前辐射板的水温差一般取3℃温升，因此，与表冷器相同，最终的水流速应由设计计算确定。真正影响辐射板热工性能的一个是粘结剂导热性能，一个是金属板外传热过程。
目前铜管与铝支架之间，为了减少接触热阻，一般均涂有粘结剂，其中粘结剂的导热系数、固化时间、价格直接影响到辐射板的热工性能和成本，因此对于国外辐射板制造厂来说这是一项工艺机密，绝不外传。
金属板外传热过程，在欧洲，很长时间以来，由于采用的都是辐射吊顶和下送风（新风）方式，所以金属板外传热过程实际上是辐射和自然对流的结合。辐射吊顶传入美国以后，一项重大的技术革新，就是将辐射板作为独立新风系统（DOAS）的室内显热设备，新风改为上送风，并采用低温送风，其优点是辐射板的板外传热过程变成辐射和强迫对流的结合，根据最新的实验，辐射板的冷量可以提高25%左右，同时，由于室内潜热完全被新风所承担，因此辐射板凝露的问题也随之解决[11]。
3.4 发射率
根据传热学理论可知，在一定的温度下要强化两表面的辐射换热，可以采取增加换热表面的发射率以及改变两表面的布置以增加角系数的方法[12]，对于辐射吊顶来说，角系数一般是一定的，因此主要是考虑如何增加换热表面的发射率。由于金属表面的发射率很低，磨光的铝只有0.04～0.06，即使是严重氧化的铝，也只有0.2～0.3[12]，因此，用于辐射吊顶的辐射板表面不宜采用纯金属表面，目前表面处理的通用的方法是，采用静电喷涂，为了减少涂层的热阻，一般将涂层的厚度控制在0.1mm以下。
4 新型辐射板研制和实验
在研制辐射板的过程中，需要考虑的主要因素是：① 辐射板的热工性能，单位面积辐射板的冷（热）量；② 成本；③ 工艺性。
4.1 复合型辐射板研制及实验结果
考虑到制造成本，新型辐射板首先采用了复合结构，辐射板由三部分组成，即：① 铜管；② 铝支架；③ 铝面板。按照建筑通用模数模具化生产，一次投入低，加工简单，成本也低。为了减少接触热阻，粘结剂成了关键。对8种国产导热胶、导电胶，3种进口导热胶进行了试验研究。表2是导热系数的测试结果，以及市场参考价格。由表可知，国内导热胶的热工性能已经达到国际先进水平，但是价格却远远低于国外产品的价格。导热胶的最大用户是电子工业，由于我国电子工业，尤其是计算机工业最近几年突飞猛进的发展，极大地促进了国产导热胶的研制、开发和生产，性能不断提高，价格逐步下降。
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序号 |
国产 |
进口 | |||||||||
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
1 |
2 |
3 | |
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导热系数/W/m•K |
0.1 |
0.3 |
0.4 |
1 |
2.2 |
3.8 |
4 |
9 |
4 |
8.7 |
9 |
|
价格/元/kg |
240 |
237 |
325 |
483 |
632 |
1800 |
2200 |
1988 |
9765 |
10764 |
11429 |
为了了解导热胶对辐射板热工性能的影响，选择了两种性价比最好的国产导热胶进行了试验，与此同时，为了了解强迫对流对辐射板性能的影响，同时进行了模拟新风风口吹出的冷风水平掠过辐射板表面时，辐射板性能的变化试验。表3是复合型辐射板的试验结果。
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7号胶辐射板 |
8号胶辐射板 | |||
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表面风速/m/s |
0 |
2 |
0 |
2 |
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环境干球温度/℃ |
24.00 |
23.90 |
23.95 |
23.85 |
|
环境湿球温度/℃ |
16.10 |
16.25 |
16.20 |
16.30 |
|
供水量/kg/h |
16.70 |
21.60 |
21.50 |
27.80 |
|
进水温度/℃ |
13.05 |
13.00 |
13.02 |
13.00 |
|
出水温度/℃ |
16.00 |
15.98 |
16.05 |
15.95 |
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冷量/W/m2 |
159.16 |
207.94 |
210.44 |
264.93 |
由表3可以看出：① 两种辐射板的热工性能都优于表1所载国际著名辐射板制造厂生产的辐射板的冷量；② 粘结剂对辐射板的性能有明显的影响，8号胶较7号胶冷量提高了30%左右；③ 强迫对流可以明显提高辐射板的冷量，其增幅在25%～30%，与国外试验结果相吻合[11 ]。作为试制品，国产辐射板的价格大约为800元/m2，如果按冷量计算，大约是国外进口辐射板的1/4左右，大规模投产后价格将进一步降低。
4.2 整体型辐射板研制
复合型辐射板虽然具有相当不错的性价比，但是在试制过程中，发现其工艺性太差。由于导热胶属于价格不菲的慢干胶，需要24小时才能完全固化，同时上胶过程必须由人工来完成，费时费工，大规模生成需要很大的工作面，国际市场上，辐射板之所以价格居高不下，是有其原因的。另一方面，由表2可以看出，即使是目前世界上导热系数最好的导热胶，其导热系数也只有铝的26分之一（9/237），同时由于是人工上胶，因此不可能完全均匀，因此接触热阻依然很大。为此，笔者研制成功一种整体型辐射板，这种辐射板的断面如图3所示，由于其他结构尺寸与复合型辐射板相同，但是水直接在辐射板内流动，没有了接触热阻，热工性能势必明显提高。另外也是最重要的一点，由于辐射板是模压成型，大大简化了加工工艺，降低了成本。这种辐射板，既可以作为吊顶使用，也可以安装在墙面，立柱上，或作为非承重墙的一部分，也可以作为装饰画，因此大大扩展了其应用范围。目前这种辐射板的试制工作已经完成，正在进行各种条件下的热工试验，以及国内不同地区（北、中、南）的实际建筑物的实验，以便为设计计算和实际应用提供详尽的技术参数。
图3 整体型辐射板断面示意图
5 结论
辐射吊顶由于其诸多优点，已成为国际上一种主要的空调末端产品，但是，由于国际市场上昂贵的价格，以及有待解决的若干问题，使得这一先进的节能技术在中国寸步难行。新型辐射板以其优越的热工性能、低廉的价格、先进的工艺使得辐射采暖、供冷技术在中国推广、普及已成为可能，希望这一先进的技术能为我国全面推广建筑节能指标作出贡献。
参考文献
[1]Helmut E Feustel.radiant cooling A literature survey. The Hydronic Foundation,Inc. February 21, 2002.
[2]Corina Stetiu. Berkeley .Radiant Cooling in US Office Buildings. CA94720.January 1998.
[3] James Brodrick. Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems Volume III: Energy Savings Potential.DOE, July, 2002
[4]Stanley A. Mumm. Chilled Ceilings in Parallel with Dedicated Outdoor Air systems:Addressing the Concerns of Condensation, Capacity, and Cost.ASHRAE Trans. 2002, 108(2)
[5] 西门子楼宇科技产品样本
[6] Invevsys Building System Catalog.2002
[7] Twa Panel Systems,inc Catalog.2002
[8] STERLING Radiant Cooling Panel Catalog.2002
[9] 妥思技术.吊顶冷却单元
[10] GB50019-2003 采暖通风与空气调节设计规范
[11] Jae-Weon Jeong ，Stanley A. Mumma .Impact of Mixed Convection on Ceiling Radiant Cooling Panel Capacity .ASHRAE Research Journal 2003, 9 ( 3)
[12]杨世铭，陶文铨编著.传热学.北京：高等教育出版社.1998
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