摘要：基本传热方式有三种：导热，热对流及辐射传热。传统空调系统对流传热占主导，空气的得热和失热便是空调的冷热负荷。辐射空调系统中，辐射换热占主导地位，人体通过对壁面辐射直接交换热量，获得舒适度。本文分析了辐射空调传热机理，比较了传统舒适性空调系统与辐射空调的区别，并分析了目前辐射空调的研究方向。
关键词：对流传热；辐射传热；传热机理；辐射强度
空调诞生已经一百多年了，空调领域的技术也越来越成熟、稳定、节能。随着技术的发展，辐射空调作为空调型式的新兴领域，应用越来越多，但是对于大多数空调设计者来说，辐射空调系统还是个陌生领域，对辐射空调的理解有一些偏差，辐射空调的特点主要在以下下几个方面。
1. 辐射空调传热的基本理论和分析
1.1热辐射的本质和特点
发射辐射是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受激和震动时，产生交替变化的电场和磁场，发射电磁波向空中传播，这就是辐射。如果由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播，就称为热辐射。
从上面可知，辐射传热的以下基本特点：
1、任何物体，只要温度高于 0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；
2、辐射传热与导热、对流传热不同，它不依赖物体的接触二进行热量传递。热量交换可以在真空中传播；
3、辐射传热具有强烈的方向性；
4、发射辐射能力与传热表面温度的 4 次方有关。
物体发出的电磁波，理论上是在整个波谱范围内分布的。辐射传热在日常生活中有很多的实例，比如最常见的就是太阳辐射，微波炉、烤箱等也是利用热辐射。
1.2辐射传热的计算
1.2.1斯蒂芬（Stefan）－玻尔兹曼（Boltzman）定律
任何物体在发出辐射能的同时，也不断吸收周围物体发来的辐射能。一物体辐射出的能量与吸收的能量之差，就是它传递出去的净能量。物体的辐射能力（即单位时间内单位表面向外辐射的能量），随温度的升高增加很快。具体根据斯蒂芬（Stefan）－玻尔兹曼（Boltzman）定律，两物体1和2之间辐射传热的速率Q12可表示为：
1.2.2 辐射传热面积；
上述数学模型中的F1为辐射物体的表面面积，不考虑其他因素，辐射面积和辐射传热量是呈线性关系的。
1.2.3 辐射传热角系数；
由于板面的接受和发出热量的φ12为以F1为基准的角系数，代表一物体辐射出去的能量投射到表面F2的分率，它取决于两物体的形状、大小和相对位置；C12为总辐射系数，其值与两物体的黑度、大小、形状和相对位置有关。要计算Q12关键是确定表面间的辐射角系数。也是辐射传热的研究得重要课题。
1.2.4 黑度和黑度
黑体是研究辐射换热的理想化物体。黑体能够吸收向它辐射的全部能量，相同温度下的各种物体以黑体向外辐射的能量为最大。我们把实际物体的辐射力与同温度黑体辐射力之比称为该物体的黑度（也称发射率）。
由简化以上数学模型可见两个物体之间的辐射传热与表面温度的四次方的差有关。图1-1是假设两个辐射面黑度一样，面积一样，均匀的热负荷的条件下，根据典型的辐射传热过程整理出的传热曲线：
图1-1 辐射传热和表面温度的关系曲线
1.2.5 辐射空调的节能机理
由曲线可见，当系统初启动时冷辐射顶棚温度和地面、壁面及墙面温差在△Ta时，辐射传热量非常大，当室内人员及设备发热量减少，室内表面温差进一步降低到△Tc，传热量降到Qc对流空调在均匀负荷下的冷量曲线是近似直线。从以上理论分析可知，辐射空调系统中，冷（热）负荷是变化的，这也就是辐射空调系统节能的理论基础，运行时间越久，冷（热）负荷越小，系统越节能。
2、辐射空调系统的负荷计算
由上述辐射传热的机理可知，辐射传热的微观机理十分复杂，宏观参数的变化和对流及导热完全不同。在辐射传热站主导的空调环境中，空调系统的负荷计算不能用对流传热的理论进行。如何使辐射空调的冷（热）负荷量化，笔者认为这需要我们对计算条件做一些既定的假设：比如说辐射空调稳定运行状态下，地面和壁面的温度，辐射板温度，空气温度，湿度等等，再根据理论公式进行实验，得出简化的计算方法。
3.业内对辐射空调系统的认识误区和现状
3.1辐射空调中的空气温度
据国外资料介绍，在辐射空调房间，在保持同样舒适度的条件下，室内温度可以提高4K。实践也证明，在辐射空调房间，人体通过对壁面辐射直接交换热量，获得舒适度。而不是辐射板利用显热交换降低空气温度使人体获得舒适度。在国内，很多学者认为，利用辐射板来处理空气的显热，这种认识与辐射传热的机理不符：辐射传热过程中是不需要过空气的，此时房间的空气和辐射板只有少量的对流换热，空气的温度变化是被动的。辐射空调环境中，空气温度影响不大。比如最常见的例子，冬季在0℃以下的在室外朝着太阳的一面，人体感受到太阳的辐射，此时人体的舒适感超过了在室内16℃的温度感受，这个时候空气温度对人体的感受不占主导地位。
3.2辐射空调供水温度
由于结露的问题，辐射板不得不使用高温水，一般使用比露点温度高的冷水（16~19℃）。这就使得辐射空调环境而无法形成辐射强度。提高辐射强度和结露问题成了一对矛盾体。这是辐射制冷空调在我国炎热高湿地区没有得到广泛应用的主要原因。但是由于辐射换热的节能特性，地板辐射供暖已经广泛用于我国北方采暖系统。
4.解决结露问题的研究方向
许多文献记载，同类技术要求冷顶温度高于空气露点温度方可保证不结露。笔者查阅了资料以后，总结结露的情况可以从几方面去分析：
1）、结露以后形成水滴留下来又需要足够的水蒸气的量。试想如果辐射板表面温度分布均匀，那么由于形成结露的面积大，即使结露，也需要足够的水蒸气的量提供。如果辐射天花温度不均匀，温度低的地方窄而小，那么容易形成窄条的结露。
2）、在固定的空调房间中，湿负荷是有限的，在进行了一段时间的除湿之后，湿负荷下降，房间湿负荷稳定，散湿量达不到在均匀冷面形成结露的量，那么也型不成结露或者说没有明显的结露。如何控制室内湿度呢？传统的空气处理设备都具有这个能力。用辐射板形成辐射强度供冷，负担热负荷，用空气处理设备负担湿负荷。
综合上述，保证辐射板表面温度均匀和控制室内湿度是解决结露问题的两个方向。
结束语
辐射空调是一种新兴的空调型式，从国内外的研究来看辐射传热有很大的节能潜力。辐射空调目前面临着一些发展瓶颈，随着研究的深入这些问题最终将解决。
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[5] 章熙民 朱彤 安青松 任泽霈 梅飞鸣 传热学
论文作者:肖慧媛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/11
标签：空调论文; 温度论文; 物体论文; 负荷论文; 空气论文; 空调系统论文; 机理论文; 《基层建设》2019年第17期论文;