1、doi:10.3969/j.issn.2095-4468.2023.03.201 地面地面和和顶面顶面辐射供冷辐射供冷效果效果对比对比测试测试及优化及优化研究研究 徐柳1，王志毅1，马国园2（1-浙江理工大学建筑工程学院，浙江杭州 310018；2-欧贝多智能控制（浙江）有限公司，浙江绍兴 312400）摘摘 要要 为了研究辐射管安装位置对供冷效果和室内热舒适性的影响，采用两间分别应用地面和顶面辐射供冷加独立新风系统的样板房对室内热环境进行测试。得到两种辐射方式下的室内温湿度和壁面温度，并对供冷效果欠佳的系统增加变频风机盘管进行优化。对比结果发现：采用顶面辐射系统较地面辐射系统人员活动区域平均
2、温度低 1.09；顶面辐射系统能够维持合适供冷效果，舒适性高；地面辐射系统供冷效果较差，当增加变频风机盘管优化后，复合空调系统较顶面辐射系统室内热舒适性略差，但仍在规范要求内，并能满足供冷需求。关键词关键词 顶面辐射；地面辐射；变频风机盘管；供冷效果；热舒适性 中图分类号：中图分类号：TB61+1;TU834 文献标识码：文献标识码：A Comparative Test and Optimization Research on Floor and Ceiling Radiant Cooling Effect XU Liu1,WANG Zhiyi*1,MA Guoyuan2(1-School o
3、f Civil Engineering and Architecture,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,Zhejiang,China;2-AUBEIDO Intelligent Control(Zhejiang).,Ltd.,Shaoxing 312400,Zhejiang,China)Abstract In order to research the influence of the installation location of the radiation tube on the cooling effect and indoo
4、r thermal comfort,the indoor thermal environment is tested by using two sample rooms of radiant floor and ceiling cooling systems with independent fresh air.The indoor temperature,relative humidity and wall temperature of the two systems are obtained.The system with less cooling effect is optimized
5、to increase the variable frequency fan coil unit.Through the comparison of the results,human activity area mean temperature of the human activity area of the ceiling radiation system is 1.09 lower than that of the floor radiation system.The ceiling radiation system maintains the adequate cooling eff
6、ect with thermal comfort.The floor radiation system is with less cooling effect.Thermal comfort of the composite air conditioning system with variable frequency fan coil unit is slightly worse than that of the radiant ceiling cooling system.However,it is still within the human thermal comfort parame
7、ter requirements.Keywords Ceiling radiation;Floor radiation;Variable frequency fan coil;Cooling effect;Thermal comfort *王志毅（1970），男，教授，博士。研究方向：供热、供燃气、通风及空调工程。联系地址：浙江省杭州市下沙高教园区2 号大街 928 号浙江理工大学建筑工程学院，邮编 310018。联系电话：13858156059。E-mail:。0 引引言言 相比于以对流换热为主的传统空调，辐射空调增大了人体、室内设备和围护结构互相的辐射传热1-2，具有高效节能，舒适性好的特
8、性，也因此逐渐走入大众视野3-6。但由于辐射空调仅能承担室内余热，室内余湿和空气品质问题无法解决，因此辐射空调通常与独立新风系统共同承担室内负荷7-8。目前大多数文献针对单一辐射供冷方式进行研究，对比研究较少，其中顶面辐射和侧面辐射供冷探讨较多。PETR 等9对两座采用吊顶辐射空调的办公楼进行能源性能和室内环境的探究。肖荣芳等10研究窗帘材质对毛细管吊顶辐射供冷效果的影响。刘庚林等11对辐射顶板空调室内热舒适性进行研究，并进行主观问卷调查。MIKESKA 等12探讨了辐射冷却系统安装在侧面时在工作温度和速度等方面对实验室室内环境的影响。曹振等13第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术
9、 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202336研讨了双冷源新风除湿机与毛细管侧面辐射联合系统的供冷特性。地面辐射供冷系统通常联合风机盘管进行研究，文佳岚14通过改变供水温度探究地面辐射与风机盘管联合系统热舒适效果及能耗变化规律，依据问卷调查验证 PMV-PPD 模型结果。辐射管敷设位置对于辐射空调供冷效果及室内热环境有一定影响，由于价格与普及率等因素，不同辐射供冷方式对比研究以模拟为主15-17，对于地面和顶面辐射加新风空调系统对比实验研究较少，仅做小部分实验进行模型验证，未展现实验数据，且辐射空调结合风机盘
10、管联合研究时未采用变频风机盘管。变频风机盘管相比于常规风机盘管能对送风量和室内温度进行更加精准调节，人体感觉更舒适18-20，更适宜结合辐射空调满足人体热舒适性。为了对比辐射管安装位置对室内热舒适环境的作用效果，本文搭建两间分别应用地面和顶面辐射供冷空调技术加独立新风系统的样板房。由于在夏季工况下，辐射空调系统供冷效果易受结露等因素影响21-22，本文同时在冷量不足的房间加入变频风机盘管对系统进行优化，综合研究供冷效果，为提出满足人体热舒适的辐射供冷方式提供一定应用基础。1 样板房样板房搭建及实验研究方案搭建及实验研究方案 1.1 样板房样板房搭建搭建 实验搭建两间尺寸相同的房间，长 6.3
11、m，宽4.38 m，高 2.5 m，建筑面积 27.594 m2。房间分别采用地面辐射加独立新风空调系统与顶面辐射加独立新风空调系统（后文简称地面辐射系统和顶面辐射系统），墙为靠走廊内墙或分户隔墙。室内温度通过辐射系统与新风除湿机共同调节，室内相对湿度由新风除湿机控制。系统由 D1-30A-1W 新风除湿机、HTS15 辐射管、MAC060ER5-AD 变频风冷热泵和水箱构成。除湿新风机风量为 300 m3，除湿能力为 93 L/天（处理干球温度 30、湿球温度27.12 以及相对湿度 80%的空气），最大供冷量为7.16 kW；辐射管的材料选用三型聚丙烯，为热熔焊接，主管直径 20 mm，管
12、间距 15 mm，在过余温度 8.5 K 的情况下单位面积供冷量为 114.1 W/m2；变频风冷热泵制冷剂选用 R410A，名义制冷量为17.0 kW，名义制冷输入功率 5.4 kW，制冷 COP 为3.15。房间管路设置为并联，总进水管先经过新风除湿机，再分成两路进入两个实验房间。若室内环境达不到设计要求，则在原有基础上增加变频风机盘管弥补供冷能力。1.2 实验研究方案实验研究方案 实验采用 AZ7755 温湿度检测仪测量室内温湿度，仪器测量温度的范围为-1060，精度为 0.6；测量相对湿度的范围为 0.1%99.9%，精度为 3%。室内壁面温度由 H11 红外线热成像测温仪测量，量程为
13、-20350，测量精度为 2。1.2.1 室内室内温湿度温湿度实测实测 室内空气温湿度通过温湿度测量仪测量，基于JGJ/T347201423中对房间舒适性评估的规定，由于人的脚踝、膝盖、坐姿和站立时头部对温度的不同要求，对应选取距地面 0.1、0.6、1.1 和 1.7 m 四个高度平面上布置测点。房间面积为 27.594 m2，取房间平面最长的对角线三等分点处布点，测位和测点布置如图 1 所示，其中测位 1 包括测点 1测点 4，测位 2 包括测点 5测点 8。2 1002 1001 4601 4606 3004 380门门测位测位1测位测位22 1002 1006 3001006001 1
14、001 7002 500门门横断面横断面纵断面纵断面测点测点1测点测点2测点测点3测点测点4测点测点5测点测点6测点测点7测点测点8(a)横断面横断面 2 1002 1001 4601 4606 3004 380门门测位测位1测位测位22 1002 1006 3001006001 1001 7002 500门门横断面横断面纵断面纵断面测点测点1测点测点2测点测点3测点测点4测点测点5测点测点6测点测点7测点测点8(b)纵纵断面断面 图图 1 室内温湿度测位室内温湿度测位和和测点测点空间位置图（单位：空间位置图（单位：mm）1.2.2 室内室内壁面温度实测壁面温度实测 室内壁面温度通过红外线热成
15、像测温仪测量，第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202337测点的数量和位置依据 GB/T 50785201224中确定，测试区域面积在 16 m2以内的，测试区域对角线交汇点；区域面积在 1630 m2的，布点定位线选择测试区域最长对角线，并将其三等分点作为测点。由于地面和顶面面积为 27.594 m2，其他四面墙壁面积均在 16 m2以内，所以门设置一个测点（测点 9），非地面及顶面的四面墙壁各设置一个测点（测点 10测点 13），地面和顶面各设置两个测点（
16、测点14测点17），室内壁面温度测点布置见图2。测测点点9测点测点10测点测点11测点测点12测点测点13测点测点14测点测点15测点测点16测点测点17 图图 2 室内室内壁面壁面温度测点空间布置温度测点空间布置 1.3 评价指标评价指标 1.3.1 温度温度标准差标准差 通过各点的温度测值计算温度标准差能够得到房间内温度分布均匀情况，式(1)可计算温度标准差t。()2t11niittn=(1)式中，t为温度标准差，；n 为测点个数；ti为测点温度值，；t 为测点温度平均值，。1.3.2 站站姿姿垂直不满意率垂直不满意率 依据 GB/T 50785201224，站姿垂直不满意率PD通过式(2
17、)计算：()Da,h1001exp 5.760.856Pt=+(2)式中，PD为站姿垂直不满意率，%；ta,h为站姿人体头脚温差，。2 地面地面和和顶面顶面辐射辐射对对供冷效果供冷效果的影响的影响 实验中记录了样板房周围环境参数，室外温度在 32.433.7 波动，相对湿度在 58.7%66.3%，房间内热源为两位测试者。其中地面辐射系统测试时间为上午 9:5011:30，顶面辐射系统测试时间为上午 9:4011:20，均每隔 20 min 测试一次。2.1 地面地面和和顶顶面面辐射方式对室内温辐射方式对室内温度的度的影响影响 地面和顶面辐射系统室内温度稳定时房间的温度与温度标准差情况如图 3
18、 和图 4 所示。20406080100 12025.025.526.026.527.0室内空气温度室内空气温度/时间时间/min 测点测点1 测点测点2 测点测点3 测点测点4 测点测点5 测点测点6 测点测点7 测点测点8 (a)地面辐射系统地面辐射系统 20406080100 12025.025.526.026.5室内空气温度室内空气温度/时间时间/min 测点测点1 测点测点2 测点测点3 测点测点4 测点测点5 测点测点6 测点测点7 测点测点8 (b)顶面辐顶面辐射系统射系统 图图 3 地地面面和和顶面顶面辐射辐射系统室内系统室内空气空气温度温度 其中后文所提的平均温度、平均相对湿
19、度和平均壁面温度均为所有时刻各测点的算数平均值。采用地面辐射方式时，同测位不同高度下温差最大为0.4，标准 ISO 7730200525对于人员活动区0.11.1 m 之间的温差要求为不大于 3，可见同测位不同高度下温差满足规范要求。且两个测位的温度标准差依据式(1)计算后均在 0.18 以下，同测位站姿人体头脚平均温差最大为 0.05，通过式(2)计算可得站姿垂直不满意率最高为 0.32%，室内温度随高度变化幅度小。测位 1 离进门测墙距离更近，相比于测位 2 温度略高。同一测点不同时刻温差最大值为 0.7，说明系统整体温度调节能力强，受到外界环境影响小。但室内温度最大达到 27.0，最小为
20、 26.1，平均温度 26.51，供冷能力有限，最低值也无法达到设计值以下。采用顶面辐射方式时，室内温度 25.125.7，平均温度 25.42，比地面辐射方式低 1.09，供冷效果更好。同测位不同高度下温差最大值为 0.3，测位温度标准差均第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202338在 0.11 以下，室温随高度变化波动相较于地面辐射略小。同测位站姿人体头脚平均温差最大为0.03，站姿垂直不满意率为 0.31%，两种辐射方式下同测位站姿人体头脚平均温差与站姿
21、垂直不满意率均较低，表明室内温度垂直分布均匀，人在该环境下较为舒适。同一测点不同时刻温差最大是0.5，相较于地面辐射变化幅度更小，说明外界环境对顶面辐射供冷效果影响更小。根据实测结果，两种辐射方式室内温度均不出现明显分层现象，但仅顶面辐射能够达到夏季室内设计温度需求，满足人体热舒适性要求。20406080100 1200.000.050.100.150.200.25温度标准差温度标准差/时间时间/min 测位测位1 测位测位2(a)地面辐射系统地面辐射系统 20406080100 1200.000.050.100.15温度标准差温度标准差/时间时间/min 测位测位1 测位测位2(b)顶面辐射
22、系统顶面辐射系统 图图 4 地面地面和和顶面辐射系统顶面辐射系统各测位温度标准差各测位温度标准差 相比于传统空调采用送风口送风，辐射供冷通过降低围护结构表面温度，加强了人体辐射散热，使人没有吹冷风的感觉，室内温度分布均衡。对比两种辐射供冷方式，由于管路为并联，辐射管进水温度相同，当采用顶面辐射系统室内空气温度已经达到设计需求时，地面辐射系统由于冷空气向下沉降，冷表面在下，夏季制冷的大部分冷量较难对流到室内空气中，对流换热量较小，不能满足设计需求。若通过降低进水温度的方式增加供冷量，由于夏季室内湿度较高，辐射管出现结露现象，影响室内卫生条件，因此地面辐射需要增加其他辅助。2.2 地面和顶面辐射方
23、式地面和顶面辐射方式对室内对室内相对相对湿度的影响湿度的影响 相对湿度指水蒸气分压力在湿空气与同温度下饱和湿空气下的比值，在相同含湿量的情况下，相对湿度与空气温度呈负相关。人体的不舒适感受亦到室内相对湿度的影响，ASHRAE 提出适宜人体健康的湿度环境是 40%60%，室内相对湿度也受到辐射管敷设位置不同的影响。图 5 所示为稳定运行阶段采用地面和顶面辐射系统室内相对湿度随时间的变化。20406080100 120404550556065室内相对湿度室内相对湿度/%时间时间/min 测点测点1 测点测点2 测点测点3 测点测点4 测点测点5 测点测点6 测点测点7 测点测点8 (a)地面辐射系
24、统地面辐射系统 20406080100 12045505560室内相对湿度室内相对湿度/%时间时间/min 测点测点1 测点测点2 测点测点3 测点测点4 测点测点5 测点测点6 测点测点7 测点测点8 (b)顶面辐射系统顶面辐射系统 图图 5 地面地面和和顶面辐顶面辐射系统室内相对湿度射系统室内相对湿度 由图 5 可知，采用地面辐射系统时虽然室内温度较难达到供冷需求，但室内相对湿度在人体舒适范围内，平均相对湿度 50.44%。采用顶面辐射系统时室内环境较为舒适，各测点相对湿度差在 5%左右，平均相对湿度与设计相对湿度接近，为 54.69%，满足设计需求。样板房内适宜的相对湿度由新风除第43卷
25、 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202339湿机维持，虽然室外环境以及送风参数相同，但采用地面辐射系统时相对湿度较采用顶面辐射系统低 4.25%，这是由于采用地面辐射系统房间温度较高，供冷效果较差，导致在两间样板房含湿量相近的情况下相对湿度较低。2.3 地面和顶面辐射方式地面和顶面辐射方式对对室内室内壁面温度的影壁面温度的影响响 与地面和顶面辐射方式对室内空气温度影响情况相同，冷表面在下抑制了辐射管与地面的对流换热，使得地面辐射系统的地面温度高于顶面辐射系统的顶面温度
26、。图 6 所示地面和顶面辐射系统室内环境稳定时室内壁面温度情况。20406080100 12022.024.026.028.030.032.0室内壁面温度室内壁面温度/时间时间/min 测点测点9 测点测点10 测点测点11 测点测点12 测点测点13 测点测点14 测点测点15 测点测点16 测点测点17 (a)地面辐射系统地面辐射系统 20406080100 12020.022.024.026.028.030.032.0室内壁面温度室内壁面温度/时间时间/min 测点测点9 测点测点10 测点测点11 测点测点12 测点测点13 测点测点14 测点测点15 测点测点16 测点测点17 (b
27、)顶面辐射系统顶面辐射系统 图图 6 地面地面和和顶面辐顶面辐射系统室内壁射系统室内壁面温度面温度 由图 6 可知，采用地面辐射系统时，地面两个测点温度明显更低，且随时间变化幅度小，平均温度为 23.85，最大温差分别是 0.8 和 0.7。由于材质原因，门比墙壁传热效果好，更易受到室外环境影响，因此门上测点温度更高，且该测点与进门侧墙测点温度变化最大，温差最大值均为 0.9，其中门上测点平均温度 26.85，进门测墙温度平均值为 26.60。其余墙面测点温度在 25.827.2 范围内，顶面测点平均温度为 26.48，非进门侧墙测点平均温度为 26.30，由于热空气上浮，顶面测点温度较非进门
28、侧墙测点略高。非地面测点的温度较难达到 26 以下，意味着室内空气较难从非地面墙壁对流换热，供冷效果差。顶面辐射系统壁面温度分布情况与地面辐射系统类似，顶面测点温度最低，平均温度 20.48，两个测点随时间变化的最大温差均为 0.7，略小于采用地面辐射系统时地面测点最大温差。门上测点和进门墙测点温度较室内其他测点壁面温度更高，其中门测点平均温度 26.05，进门墙测点平均温度 25.72。其余墙面温度在 23.125.7 范围内，因为冷空气下沉，地面测点相比于其他侧墙壁温度更低，其中地面平均温度为 23.53，侧面非进门侧三个面的平均温度为 25.05。根据测量结果，顶面辐射系统室内平均壁面温
29、度 23.88，比地面辐射系统低2.01，可见顶面辐射系统供冷效果更好。3 复合空调系复合空调系统统对对供供冷效果冷效果的影的影响响 由于地面辐射加独立新风空调系统较难满足室内热舒适要求，需要增加其他辅助供冷，本文选择加入变频风机盘管，并对室内相关参数进行测量（后文简称复合空调系统），变频风机盘管的两个风口布置于室内顶面中间位置。复合空调系统的测试时间为 11:4512:10，每隔 5 min 测试一次。3.1 复合空调系统复合空调系统对室内对室内空气空气温度的影响温度的影响 图 7 所示复合空调系统室内温度稳定时房间的温度情况，采用复合空调系统时，室内平均温度24.09，相较于地面辐射系统下
30、降明显，能够达到夏季室内设计要求。复合空调系统同测位不同高度下温度差最大为 0.5，略大于顶面辐射系统。与辐射系统相同，测位 1 温度比测位 2 略高，平均温度分别为 24.23 与 23.96。同一测点不同时刻温差最大值为 0.9，可见系统温度调节能力较好，虽较于顶面辐射空调相比温差值更大，热舒适性略低，但总体能满足设计需要和规范要求。复合空调系统室内测位的温度标准差如图 8所示。两个测位的温度标准差均在 0.19 以下，相较于地面和顶面辐射系统略大。通过计算可得同测位站姿人体头脚温差平均值最大为 0.15，站姿垂直第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journ
31、al of Refrigeration TechnologyVol.43,No.3 Jun.202340不满意率最大为 0.36%，复合空调系统整体温度随高度变化幅度小，热舒适性好，能达到供冷需求。复合空调系统在原有地面辐射系统的基础上增加了变频风机盘管，由于空气的密度差致使顶面风口送入的冷气流下降，增加了室内空气对流换热，增强了降温效果。由于风口送风，对室内温度分布也造成了一定影响，同测位不同高度下温度差大于顶面辐射系统，但由于室内大部分显热负荷仍为辐射系统承担，变频风机盘管送风量较小，造成的影响较弱，舒适性仍较好。5101520253022232425室内空气温度室内空气温度/时间时间/m
32、in 测点测点1 测点测点2 测点测点3 测点测点4 测点测点5 测点测点6 测点测点7 测点测点8 图图 7 复合空调系复合空调系统室统室内空气温度内空气温度 510152025300.100.150.20温度标准差温度标准差/时间时间/min 测位测位1 测位测位2 图图 8 复复合合空空调调系统系统各测位温度各测位温度标准差标准差 3.2 复合空调复合空调系统对室内系统对室内相对相对湿度的影响湿度的影响 图 9 所示为稳定运行阶段采用复合空调系统室内相对湿度随时间的变化。由图 9 可知，相对湿度控制在 47.8%57.4%，测点相对湿度差在 7.6%以内，平均相对湿度 52.18%，满足
33、设计需求。同时刻同测位各测点相对湿度差在 5.4%以内，系统相对湿度受到高度变化造成的影响较小。复合系统中变频风机盘管也承担了部分余湿，因此即使在室外环境以及新风除湿机送风参数相同，且室内空气温度较低时，室内相对湿度仍比顶面辐射系统低 2.51%。510152025304550556065室内相对湿度室内相对湿度/%时间时间/min 测点测点1 测点测点2 测点测点3 测点测点4 测点测点5 测点测点6 测点测点7 测点测点8 图图 9 复合复合空调系统室内相对湿度空调系统室内相对湿度随时间的变化随时间的变化 3.3 复合空调系统对复合空调系统对室内室内壁面温度的影响壁面温度的影响 由于复合空
34、调系统变频风机盘管为顶面送风，送入的冷空气先与室内空气进行对流换热，混合后的室内空气再与壁面进行对流换热，因此壁面温度虽然受到变频风机盘管的影响，但影响较小。复合空调系统室内环境稳定时壁面温度如图 10 所示。5101520253022.024.026.028.030.0室内壁面温度室内壁面温度/时间时间/min 测点测点9 测点测点10 测点测点11 测点测点12 测点测点13 测点测点14 测点测点15 测点测点16 测点测点17 图图 10 复合空复合空调系调系统统室内壁室内壁面温度面温度 由于风机盘管的辅助，复合空调系统相比于辐射空调系统热对流较多，各壁面温度相较于地面辐射系统有所下降
35、。地面上测点平均温度 22.83，随着时间的推移，两个测点的最大温差分别为0.7 和 0.6，差值较小，复合空调系统状态较为稳定。此外门上测点与进门侧墙温度最高，平均温度分别为 25.95 和 25.65。其余墙面温度为24.725.7，其中 25.40 为顶面平均温度，25.09 为侧面非门侧三个面平均温度。总体平均壁面温度 24.81，较地面辐射系统的平均壁面温度 25.89 略有下降，但仍高于顶面辐射系统，可见变频风机盘管机组产生的冷量对室内空气影响第43卷 第3期 2023年6月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVo
36、l.43,No.3 Jun.202341较大，对壁面温度影响较小。4 结论结论 为了探讨辐射管不同安装位置的供冷效果，探索适宜的辐射供冷方式，本文通过实验对比地面和顶面两种辐射方式对室内热环境的影响，并对供冷能力不足的辐射方式进行优化，得到以下结论：1）夏季供冷工况下两种辐射方式对比，顶面辐射系统的供冷效果优于地面辐射系统，采用顶面辐射系统时，人员活动区域平均温度比采用地面辐射系统低 1.09，能满足夏季室内设计温度；室内温度变化幅度小，能够维持合适供冷效果；垂直温差小，舒适性高，效果较好；2）地面辐射系统较难满足夏季室内设计需求，已经安装地面采暖系统的房间可以通过增加其他辅助供冷装置达到供冷
37、要求。当采用变频风机盘管作为辅助供冷装置时，室内空气垂直温差虽然略大于顶面辐射系统，但仍小于规范要求，舒适性较高。同时复合空调系统能控制室内平均温度为24.09，满足供冷需求，实际可考虑该优化方式；3）综上所述，辐射供冷系统采用顶面辐射方式或地面辐射加变频风机盘管方式能满足夏季室内设计需求，获得较好的热舒适感受。参考文献参考文献：1 王子介.低温辐射供暖与辐射供冷M.北京:机械工业出版社,2004.2 李逸姝,魏健健,徐象国,等.新型辐射供冷末端装置性能的数值模拟J.制冷技术,2017,37(6):55-61.3 廖买利,谢东,丁伟,等.辐射供冷空调系统的研究综述J.湖南工业大学学报,2017
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