冷暖輻射與建筑節(jié)能

 冷暖輻射與建筑節(jié)能這一命題，實際上并沒有什么新意。因為冷暖輻射從有人類那天起，它就伴隨著人類繁衍生息。沒p它，就沒有生命的存在。但是人們對于“冷輻射”的認識或許有些陌生，而對“熱輻射”就很司空見慣啦。北方人自古以來就有采用煙道式的火炕、地暖、火墻等傳統(tǒng)的采暖方式的習慣。尤其是最近幾年，由于新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，低溫輻射地面供暖廣泛應用，幾乎達到家喻戶曉的程\x00。本文從熱輻射的原理及冷暖輻射的應用淺析冷暖輻射與建筑節(jié)能的關(guān)系；簡論冷暖輻射對于建筑節(jié)能的重要作用；推介適合中國國情最環(huán)保節(jié)能的生態(tài)冷暖輻射空調(diào)裝置及其不可或缺的末端主要配置系統(tǒng)――輻射模板系列產(chǎn)品。以期為建筑節(jié)能起個推波助瀾作用。

一、輻射原理

在任何一個環(huán)境里，任何一個絕對溫度高于零度的物體都會向外界以電磁波的方式發(fā)射具有一定能量的粒子（也叫光子），這個過程就叫做“輻射”，常說的“熱輻射”。熱輻射的波段為0.1-100μm，此波段介于X射線和無線電波p間，其波段包括一部分紫外線波段、可見光波段（0.35-0.75μm）和部分紅外線波段。自然界所有物體都會高于絕對零度的溫度。因此，都有發(fā)射和吸收輻射波的能力。只不過物體不同，發(fā)射與吸收輻射波的能力不同罷了。物體自身溫度越高，輻射能力越強。物體之間距離越近，輻射強度p高。在我們所認知的宇宙間，太陽的輻射能力最強。一個物體向另一個物體熱輻射的過程實際上是一個能量轉(zhuǎn)移的過程，其過程，輻射源一方能量減少，被輻射一方能量增加，這個過程也就是一種熱交換過程，是熱傳遞過程的一種。

輻射：熱輻射是完全不同于熱對流和熱傳導的熱傳遞方式。由于其特有的低溫輻射特性，而且此低溫特性做為一種熱交換方式，以其節(jié)能、舒適而著稱，明顯優(yōu)于對流和傳導兩種熱傳遞方式，而被正在推廣的低溫輻射地面供暖所充分驗證。

冷暖輻射從實質(zhì)上講是一個原理，都是熱輻射的過程，只不過是通過正向、逆向兩種方向的輻射，分別達到供暖、供冷二種不同效果。輻射供暖:，溫度高于供暖環(huán)境的輻射基體持續(xù)地向周圍空間、物體及人體輻射熱能，完成供暖過程。輻射供冷時，溫度高于輻射基體的戶內(nèi)空間、物體和人體將自身的熱量輻射至低溫的輻射基體（實際上已成為被輻射基體）。降低了戶內(nèi)空間、物體和人體的溫度，達到了供冷效果。

輻射能的利用，這是一個涉及建筑物理、熱工環(huán)境、暖通空調(diào)、建筑結(jié)構(gòu)等眾多領(lǐng)域，諸多學科的應用技術(shù)研究課題。輻射能的利用伴隨著人類歷史的發(fā)展，應用的領(lǐng)域越來越廣，應用的范圍越來越大。在經(jīng)濟高速發(fā)展，能源逐漸危機，環(huán)境日趨惡化的當今時代，深入研討輻射能的利用，既有刻不容緩的現(xiàn)實性，也有功在千秋的前瞻性。

挖掘利用輻射能源，z是充分利用太陽能這一取之不盡、用之不竭的能源。它幾乎100％的以熱輻射的方式向地球毫不吝嗇的，永不休止的傳遞熱能?？梢钥隙ǖ卣f，太陽能是唯一的人類可以永久利用的能源。世界著名的英國人類學家愛德華、泰勒曾說過：“人類實際上是能夠適應輻射熱交換的，畢竟人類已經(jīng)生活在一個由輻射能加熱的世界上達幾億年之久?！?/span>

愛德華、泰勒先生又說：“如果世界上的熱交換完全靠輻射來完成，我們在目前能耗幾乎1/3的基礎(chǔ)上就可以生活得更好。”低溫輻射供暖優(yōu)勢多多。低溫輻射地面供暖環(huán)保、節(jié)能、舒適、健康、方便、耐用等優(yōu)越性已人所共知，無須贅言。中溫輻射供冷的應用雖然剛剛起步，但是其節(jié)能等諸多優(yōu)勢可與低溫輻射供暖相媲美。而且二者同一冷熱源，同一傳輸系統(tǒng)，同一輻射末端配置的兼容功能煽墑褂攀票對觶能耗倍減。

如何有效利用太陽輻射能，如何有力控制太陽輻射能，是二個同等重要的課題。一方面千方百計將太陽能轉(zhuǎn)換成有效能，另一方面想方e法防止熱能通過熱傳導、輻射方式散失或侵入。做到需要熱量時供熱，需要降溫時供冷，該保溫的保溫，該隔熱的隔熱。有效發(fā)揮、調(diào)控熱輻射功能，完美地體現(xiàn)這一異曲同工的節(jié)能作用。

目前在市場上同時制冷供熱的各式吸收式溴化鋰直燃機組，水源熱泵、地源熱泵及其它可再生能源冷熱兼容的轉(zhuǎn)換設備已相繼問世。太陽能冷暖空調(diào)也正在研制中。但這些冷熱制取轉(zhuǎn)換設備的市場方向基本上還是沒有離開以對流為主的冷熱風方式供冷供暖。其供熱出口溫度要求過高，供冷出口溫度要求過低。因此，導致設備出力大，高能耗，高價位，市場定位很難大眾化，而且一次投資大，運行費用高，舒適度差。而用這樣的前端設備制取冷暖輻射的冷熱源，自然是大馬拉小車，很不劃算。因此對于各種能源，有針對性溲蟹⑸產(chǎn)或?qū)F(xiàn)有設備改造成適合于輻射供冷供暖的前端設備顯得尤為重要和迫切。這對現(xiàn)有的一些生產(chǎn)廠家來說不是有可能，而是很容易做到。

所謂“干式末端配置系統(tǒng)”是指各類輻射模板。前端設備將制取的中溫冷水或低溫熱水，經(jīng)傳輸系統(tǒng)，傳遞到末端輻射模板的表面。通過輻射和對流的方式（以輻射為主）直接與室內(nèi)環(huán)境進行冷熱交換。這種以輻射方式為主的冷熱交換極大地簡化了能量從冷熱泵到終端用戶――室內(nèi)環(huán)境之間的傳遞過程。大大減少了不可逆損失；提高了低品質(zhì)自然冷熱源的可利用性。

目前，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的適合于安裝在地面、內(nèi)墻、頂棚的各種n射模板（塊）、組合板、集成板系列產(chǎn)品，已陸續(xù)問世。有的已大量應用在地面供暖的工程上。當前，在北京大興區(qū)冷暖輻射樣板工程上也得到成功應用。這些輻射模板（塊）在大量的地面供暖工程上和冷暖輻射空調(diào)樣板工程上的應用，為冷暖輻射空調(diào)干式末端配置系統(tǒng)的全面推廣提供了n能，創(chuàng)造了條件。

三、建筑節(jié)能的現(xiàn)狀與形勢

改革開放以來，我國的國民經(jīng)濟迅速發(fā)展的勢頭令全世界驚嘆不已。同時能源的危機、環(huán)境污染的不斷惡化又令人十分擔憂。循環(huán)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，已列為中央富民強國的壓倒一切的大政方針。眾所周知，能源危機是全球性的，環(huán)保節(jié)能是人類共同面臨的歷史任務。我們不得不面對這樣一個嚴峻現(xiàn)實：按照目前開采的能力和水平，全世界的煤約200年、石油約30年，天然氣約50年，就將抽干挖凈。誠然，文明的現(xiàn)代人絕不會消極等待或無動于衷的。保護環(huán)境，節(jié)約能源已成為全人類的共同行動。發(fā)達國家不僅其社會經(jīng)濟總量和人均GDP遠遠高于我國，更主要的是環(huán)保節(jié)能意識、環(huán)境保護水平、能源節(jié)約力量都遠遠超過我們。這是不爭的事實。在社會不斷進步、經(jīng)濟飛速發(fā)展的情況下，人類生活用能耗占社會總能耗的比重越來越大。與我們同緯度區(qū)域的西方發(fā)達國家對能源需求能力，平均比我們高出23倍，而實際能源消耗卻是我們的1/3。這是一個很值得我們反思的問題。

我們國家經(jīng)濟發(fā)展的勢頭越來越迅猛。2020年實現(xiàn)小康社會現(xiàn)有的經(jīng)濟總量"翻二番，達到3000美元/人均。城市化率將達到41.76％；每年新增建筑面積18.2億m²。要達到此目標，現(xiàn)有能源必須翻一番，而且當前全國還有4億m²的舊有建筑需要節(jié)能改造，確實建筑節(jié)能工作任重道遠。為此，國家對新增的建筑節(jié)能標準由“十五”規(guī)劃北京、天津地區(qū)的65％增至75％，全國其它/區(qū)由50％增至65％。而實際上即使達到65％的節(jié)能標準，平方米耗煤量為12－9kg，也遠遠高于歐洲發(fā)達國家4kg/m²的耗煤量。更何況實際中節(jié)能水平/在大打折扣。近期國家有關(guān)部門聯(lián)合對北京地區(qū)“十五”期間建筑節(jié)能標準達到65％的建筑進行抽樣調(diào)查，竟發(fā)現(xiàn)相當一部分建筑節(jié)能標準甚至沒有達到30％。由此可見我們的節(jié)能工作的嚴峻形勢。大家都不會忘記2005年夏季，北京、上海、南京等大中城市因空調(diào)用電旺季，拉閘限電鬧“/荒”的情景。

建筑節(jié)能的工作與經(jīng)濟的飛速發(fā)展相比，嚴重滯后狀況，原因是多方面的。這是一個歷史遺留的問題也是一個非常復雜的經(jīng)濟問題和社e問題。但是筆者認為，用輻射供冷暖這一把鑰匙去開啟建筑節(jié)能這扇大門不失為一個科學的、行之有效的，投入少，見效快的最便捷辦法。

四、冷暖輻射與建筑節(jié)能的關(guān)系

談建筑節(jié)能不研究冷暖輻射是不可能的。建筑節(jié)能、這里既包含建筑建設時的節(jié)能，也包含建筑使用階段的節(jié)能。也就是說，這里既包括建筑的設計技術(shù)（優(yōu)化設計）施工工藝、建筑產(chǎn)品、購件材料的節(jié)能，也包括供冷供熱方式的節(jié)能。在建筑總能耗中，建筑建設能耗約占20％，使用階段能耗約占80％。二者雖然能耗比例差距很大，但確是互為作用，相輔相成的。既可相互疊加，也能相互抵消。

另外，用這滿足冷負荷的同一供冷輻射面積去輻射供暖，供暖溫度可降低20－30％，達到35℃－40℃。比單一的低溫輻射地面供暖更加節(jié)能。

⑤ 墻體空心磚，其它輕體材料的選擇與施工。

高能耗→低能耗→超低能埂微能耗→零能耗

五、冷暖輻射在建筑節(jié)能中的應用――模板式冷暖輻射及風機盤管空調(diào)系統(tǒng)裝置的首創(chuàng)

各種同一前端設備及同一末端配置的冷暖空調(diào)系統(tǒng)已成為世人用于冬季供暖夏季供冷的首選產(chǎn)品。由于國家加大了環(huán)保節(jié)能宣傳導向和政策傾斜力度，由品種繁多的適合各種能源的供熱制冷設備以及花樣翻新的末端換熱配置組成的各類冷暖空調(diào)裝置均以節(jié)能30％－70％的身價紛紛問世。這里不失有貨真價實，方便實用的環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品，也有技術(shù)含量高，但價格昂貴難以普及的高科技產(chǎn)品，還有言過其辭，名不符其實的產(chǎn)品，甚至有有欺詐行為的偽科學產(chǎn)品。

筆者認為，對于各種冷暖空調(diào)裝置的開發(fā)、研制、生產(chǎn)和選用，應著力考慮三方面。一是能源。因地制宜，首選可再生能源，再選清潔能源。這是環(huán)保節(jié)能的根本；二是前端制冷供熱設備。要選簡單、價廉、耐用、易操作，COP（能效比）高的設備；三是末端冷熱交換方式。筆者首選可再生的地下水資源及熱泵機組，末端選用模板式冷暖輻射系統(tǒng)，重點是冷輻射，這是對傳統(tǒng)冷暖對流式空調(diào)的挑戰(zhàn)，是建筑節(jié)能的一個突破和飛躍。

筆者近日在北京大興區(qū)親自組持建立了一座水源熱泵式的，末端輻射加風機盤管的冷暖空調(diào)系統(tǒng)。前端打一供一回兩眼60米淺水井，同時選用可供熱制冷的一小f熱泵機組，末端采用模板式地面和頂棚冷暖輻射系統(tǒng)以及風機盤管系統(tǒng)。整套裝置設有地源直供和熱泵專供二個系統(tǒng)及不同換熱方式的換熱系統(tǒng)。此套裝置運行正值盛夏，運行數(shù)日，一直采用井水直供方式。室外溫度30℃－35℃相對濕度68－72％，室內(nèi)溫度24℃－26℃，地面溫度20℃－22f。由于熱泵機組末開，其節(jié)能效果可想而知。該項目的建成及運行，突破了制冷領(lǐng)域的禁區(qū)，解決了冷量與結(jié)露的矛盾。為最大限度地采用低品位、低價位的可再生能源，創(chuàng)出了冷暖空調(diào)環(huán)保節(jié)能的一條新路。該項目的成功運行，進一步驗證：為達到足夠的供冷量，又確保不結(jié)露，通常采f的中溫供冷，大流量、小溫差的路子不是不可行的。而本項目采用的全國獨家首創(chuàng)的模板式輻射供冷運行實踐深刻地揭示了二個問題，在此筆者愿意與同仁共同商榷與分享：①增加輻射面積，提高供冷效果。增加供冷輻射面積1.5－1.8倍（以低溫輻射地面供暖實鋪面積為1）形成地面與頂棚或地面與墻壁或頂棚與墻壁的立體輻射環(huán)境。而此方案恰恰利用了輻射模板與建筑圍護結(jié)構(gòu)的易鑲嵌，可融合的工藝性能這一優(yōu)勢。極大地體現(xiàn)了輻射熱交換的功效。②形成緩沖層，降低界面溫差。一般來講，做為冷量載體的介質(zhì)，通過其管道（或容器）的壁輸出冷量與外界高溫環(huán)境（或鋃卻蟮幕肪常┙喲?。染J在此壁的（管道壁或容器壁）界面上達到冷凝溫度，結(jié)露是必然的。這是個不可逆轉(zhuǎn)的自然規(guī)律。而冷輻射的工況情況卻與此完全不同，它的管壁（或容器壁）不是直接與環(huán)境接觸的，而是與輻射模板（或填充層）接觸的。這個通常稱謂的“蓄冷層”做為輻射的基錚在這里變成了一個過渡層。這個過渡層把冷介質(zhì)通過管壁（容器壁）傳導出的冷量與高溫度、高濕度的環(huán)境隔離開，人為的形成了二個界面。即：管道（容器）壁與輻射模板（填充層）的內(nèi)槽，輻射模板（填充層、裝飾層）表面層與工況環(huán)境。如果把冷介質(zhì)溫度設為t。，環(huán)境溫度設為t锘肪呈度設為p  。那么為了達到一定制冷量，在通常情況下t。不可能不低。而t和p高到一定程度必然結(jié)露。要改變結(jié)露狀態(tài)，要么提高t。溫度，要么降低t和p的數(shù)值，這都是不可能的。而在冷輻射的工況環(huán)境下，增加了輻射模板（填充層），其溫度為t₁，層內(nèi)相對濕度為p₁。這里t_o＜t₁＜t，p₁＜p。在同樣冷負荷環(huán)境下對于t₀來講，外界溫度t降低為t₁，對于環(huán)境溫度t來講，其原t₀溫度提高為t₁。而且輻射模板（填充層）內(nèi)由于均設有保溫層、隔熱層，層內(nèi)相對濕度p₁也遠小于環(huán)境相對濕度p。二個界面分解了結(jié)露條件，化解了結(jié)露的可能性。對于地面輻射供冷來講，結(jié)露的可能性還會減少。在人員少流動的情況下，地面自然籠罩著一層“冷湖”。這層冷空氣與室內(nèi)高溫環(huán)境進行熱交換（以對流為主）要有一個過程和時間。這樣，無形中這層“冷湖”對于輻射地面與高溫環(huán)境之間又生成一過渡層（緩沖層）。對于地面輻射基面來說，結(jié)露可能性又大大降低了。即使有人員流動，過渡層仍起一定的緩倫饔茫只不過是這個“冷湖”即散即成罷了。

通過模板式冷暖輻射及風機盤管空調(diào)系統(tǒng)裝置的運行效果完全可以證明：由于①增加了輻射面積，提高-冷效果；②形成緩沖層，降低界面溫差二個關(guān)鍵點，輻射供冷既能滿足冷負荷要求，又能化解冷凝結(jié)露現(xiàn)象是不成問題的。

增加輻射面積不僅可以化i冷凝結(jié)露，還有倍增效果?？墒构┡墓┧疁囟却筝椂冉档??？山抵?5℃－40℃。這種中溫供冷、低溫供暖的冷暖輻射系統(tǒng)其節(jié)能效果完全可達到50－70％。不僅如此，由于采用模板式冷暖輻射末端，可最大限度利用低品位、低價位可再生能源，節(jié)能效果可達到70－90％。

根據(jù)多年研究及近期工程實踐時收呷銜，在社會主義新農(nóng)村的建設和發(fā)展小城鎮(zhèn)建設以及有條件的房地產(chǎn)開發(fā)建設中推廣模板式冷暖輻射及風機盤管空調(diào)聯(lián)動系統(tǒng)是可行的。本工程項目適應范圍廣，投資少，200元/m²左右，運行費用低，節(jié)能可達到50－70％以上，甚至更高，零排污，十分環(huán)保，可因地制宜就地取源。

模板式冷:輻射及風機盤管聯(lián)動空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)不同條件和要求，可匹配、組合成多種形式的空調(diào)系統(tǒng)。

⑤（地面＋內(nèi)墻）冷暖輻射＋風機盤管型

六、冷暖輻射空調(diào)干式末端裝置系統(tǒng)――輻射模板系列

冷l輻射為建筑節(jié)能提供了新的途徑和方法；而與建筑圍護結(jié)構(gòu)融為一體的或者鑲嵌附著在其表面的各類輻射模板又為冷暖輻射提供了先決條件和良好的工藝保障。不僅如此，生產(chǎn)各種模板的工業(yè)廢渣的利用及先進技術(shù)和工藝的采用，其本身就是一個環(huán)保節(jié)能的過程。因此，推廣輻射模板這種l型的冷暖輻射空調(diào)干式末端裝置，對于建筑節(jié)能就至關(guān)重要了。

世界上發(fā)達國家研究和應用冷暖輻射空調(diào)干式末端裝置系統(tǒng)有三十年的歷史。西歐、m歐等發(fā)達國家將此干式末端系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)劃分為：①“水泥核心型”（Conevete cove）簡稱“C型”。在瑞士應用廣泛。蓄熱能力強，多用于地面；②“三明治型”（Sanowich）簡稱“S”型。多用于吊頂板；③“冷網(wǎng)格型”（CooLing Cria）簡稱“G”型。材料為塑料。為德國CLINA公司研制。適合于改造項目，多用于吊頂。目前這些產(chǎn)品已部分引進中國。但是，由于我國的冷暖輻射空調(diào)剛剛興起，這些產(chǎn)品價格又特別昂貴，基本沒有推開。本文詳細介紹的是適合中國國情的冷暖輻射空調(diào)干式末端裝置系統(tǒng)――輻射模板系列。該系列產(chǎn)品基本屬于“水泥核心型”；該系列產(chǎn)品樸卸嘞鈄災髦識產(chǎn)權(quán)。發(fā)明者在較長時間從事低溫輻射地面供暖研究與實踐的基礎(chǔ)上，不斷吸取失敗教訓，總結(jié)成功經(jīng)驗，自2001年起歷經(jīng)五年時間，潛心研究，反復試驗，針對我國的具體國情和冷熱輻射的原理特點研制出既適合于地面，又適合于墻壁和頂棚的不同加工工藝，不同生產(chǎn)配疲不同安裝方法的不同強度，多種規(guī)格的輻射模板（塊）系列產(chǎn)品，并自2002年起相繼申報了數(shù)項國家專利。

類別	系列	品種	專利號	三維圖	樣品圖	應用范圍
輻 射 模 板 (塊) 類	明槽模板系列－FSBm－Ⅰ	9	發(fā)明 ZL  02123565.1 F24D 3/14			新建、改造工程適合于地面
	暗槽模板(塊)系列－ FSBa一Ⅱ	30	實用新型 ZL  200420077473.3			新建、改造工程適合于地面
	組合模板系列－ FSBz－Ⅲ	60	實用新型 ZL  200520113310.0			新建、改造工程適合于地面、墻壁
	拼裝模板系列－ FSBP－Ⅳ	60	實用新型 ZL  200420059717.5			新建、改造工程適合地面、墻壁、頂棚
組合 輻射 板類	組合輻射板系列－ ZHFS	23	實用新型 ZL  02205309.3			新建、改造工程適合于地面、墻壁、頂棚
集 成 輻 射 板 類	圓型集成輻射板系列－JCFSy	15	發(fā)明 ZL  02205309.3 F24D  3/14			新建、改造工程適合于地面、墻壁、頂棚
	矩型集成輻射板系列 －JCFSj	15	發(fā)明 ZL  02123565.1 F24D  3/14			新建、改造工程適合于地面、墻壁、頂棚

可再生能源是世界上取之不盡，用之不竭的最廉價的能源；熱輻射是大自然中最科學、最簡捷、最效能的無時不有、無處不在的熱傳遞方式。