辐射供冷空调末端防结露研究进展

　　摘要：辐射供冷空调的末端易结露是限制其供冷能力和实际工程应用的重要科学问题。本文综述了目前辐射供冷末端防结露技术的研究进展，主要从末端供冷表面处理、调控末端供水温度、独立送风除湿措施、新材料技术等四方面进行综述。对当前防结露研究存在的不足进行探讨，提出利用新材料技术可以解决结露问题和提升供冷能力，对辐射供冷空调末端防结露的研究方向进行了展望。

　　关键词：辐射空调辐射供冷末端防结露新材料

　　相关论文投稿刊物：暖通空调创刊于1971年，是中国建筑科学类核心期刊，国家期刊奖最高奖项获奖期刊，中国暖通空调行业惟一的中央级科技期刊，由建设部主管，亚太建设科技信息研究院、中国建筑设计研究院、中国建筑学会(暖通空调分会)联合主办。

　　传统空调方式多以空气为供冷和换热介质，通过向室内送入热湿处理后的空气并与室内进行热湿交换，实现对室内温湿度的控制，但空气载热量小、风机耗能大，有吹风感、风机噪音等问题，使得传统空调系统能耗高、热损大、室内舒适性差。近年来，以辐射为主要传热方式的辐射空调引起了广泛关注，其具有热湿独立控制、温湿均匀舒适度高、节能等优点。2002年美国能源部把辐射空调列为15项重点发展的节能空调技术之一[1­2]，我国于上世纪90年代引入辐射供冷技术，并对其性能和热舒适性等开展了大量研究。但辐射空调仍存在一些问题[3­4]：如辐射换热末端装置表面易结露，单位面积供冷量不足等，其中空调末端的结露问题严重影响了辐射空调的应用[5]。本文针对辐射空调末端防结露研究进行综述，提炼关键问题并对防结露研究方向提出建议。

　　1辐射供冷空调防结露研究进展

　　辐射供冷空调是指由墙壁、地板、吊顶中的盘管内冷媒冷却而形成的供冷表面通过与人体、家具等热表面辐射传热来调节室内温度，并使之处于人体舒适范围的一种空调方式[6]。与传统空调形式相比，辐射供冷空调舒适性好，节能效益高。但辐射供冷空调的主要问题就是辐射空调末端表面易结露[7]，当冷辐射板表面的温度低于室内空气露点温度会产生结露现象[8]，这大大限制了辐射供冷末端表面温度，削弱辐射制冷供冷能力，影响辐射制冷的应用[9]。为此，国内外众多学者针对辐射供冷空调末端结露问题做了大量的研究工作。

　　1.1基于末端供冷表面处理的防结露研究

　　李逸姝[10]将辐射板竖直放置，底部放置冷凝水槽，使辐射板表面结露可沿槽表面滑落至水槽，一定程度上缓解了结露造成的影响。孔祥雷[11]在辐射末端设置“疏导结露”部件，将冷凝水收集并集中排放，避免了冷凝水凝聚滴落和对供冷表面换热的影响。通过“排水装置”及时排除结露产生的冷凝水虽然可减小结露对辐射供冷的影响，但表面处理不仅工艺繁琐，难以推广使用，而且无法根本解决结露问题。

　　张顺波[12]采用一种含空气层的模块化冷辐射板，以低导热的空气层作为温度平衡介质，提高了冷辐射板表面的温度分布均匀性，降低了冷辐射板结露风险。但实际建筑辐射供冷面积大[13]，温度分布均匀实现难度大。Tang等[14]借鉴荷叶表面超疏水性仿生原理，针对辐射末端表面进行了疏水处理，降低冷板表面亲水性，结果表明超疏水表面可降低末端结露风险，但是通过表面处理改变冷板供冷面表面能的程度有限，无法根本解决结露问题。

　　1.2基于末端供水控制的防结露研究

　　Ryu[15]分析了某建筑地板辐射供冷系统的优化策略，并对控供水温度、控供水流量两种策略的优缺点进行评价，不仅通过控供水温度提高辐射表面温度稳定性并且附加除湿通风系统，可有利于降低结露风险。Wang[16]等通过数值模拟与实验研究分析冷冻水供水量对冷辐射空调性能与结露状况的影响，通过反馈算法计算满足PMV前提的最低辐射供冷表面温度，再借此调节冷冻水供水量，进而降低结露风险。

　　Simmonds[17]和毛磊等[18]研究了几种不同供水温度对吊顶辐射供冷末端结露特性的影响，结果表明辐射供冷表面温度与供水温度相关，可通过提高供水温度降低结露风险。Doosam[19]对地板辐射供冷系统的控制策略进行模拟与实验分析研究，采用室外复位控制来调节向辐射地板供应的冷冻水的温度，然后利用室内温度反馈控制来响应内部负荷的变化，不仅可以解决辐射供冷表面结露，还提高了对室内负荷变化的响应能力。

　　1.3基于独立送风除湿措施的防结露研究

　　通过独立送风除湿装置对新风或室内空气进行除湿处理[20]，降低室内空气含湿量，可有效降低辐射供冷末端表面的结露风险。辐射供冷一般可与置换通风，地板送风和贴附射流三种新风除湿方式结合。

　　1)与置换通风相结合Kang等[3]分析了冷辐射表面的结露原因，研究了置换通风对辐射供冷空调的影响，结果表明置换通风与辐射供冷相结合不仅可优化空气品质，更能解决结露问题。钱佳玮等[21]采用数值分析方法，分别对单独采用置换通风，顶板辐射供冷和两者复合情况下的室内热环境进行了研究，结果表明采用置换通风加顶板辐射供冷复合系统的舒适性最好，冷板表面结露的可能性更小。

　　2)与地板送风相结合Zhang等[22]研究了吊顶辐射供冷与地板送风结合的复合空调形式，结果表明地板送风可在地面附近形成“空气湖”，避免湿空气与低温地板接触以防结露。Francisco等[23]研究一种将地板辐射供冷与地板送风相结合的新型末端装置，结果表明该装置不仅能提高室内舒适度，增强供冷能力，而且有效防止结露现象。

　　3)与贴附射流相结合Jin[24]等研究贴附射流对辐射供冷室内湿度分布的影响，并分析预除湿对结露的影响，实验结果表明贴附射流不但在冷辐射板表面形成干燥空气隔层，而且预除湿可降低室内空气含湿量，都可有效防止结露现象发生。赵忠超[25]采用数值模拟法研究了竖壁贴附射流辐射空调性能，结果表明贴附射流在冷辐射板表面形成干燥空气隔层，有效防止结露现象发生。Kong[26]分析了某建筑贴附射流辐射供冷复合空调的贴附射流送风系统与预除湿控制综合策略，试验结果表明，复合空调不仅室内舒适度较高，而且有效避免结露，一定程度上优于辐射供冷加置换通风系统。

　　1.4基于特性材料的防结露研究

　　王晋生[27]采用对辐射供冷空调与室内热表面间辐射换热波段透过率较高的高分子薄膜材料在辐射末端建立中空夹层，使供冷表面与室内空气隔离,通过高分子薄膜中空夹层提高与空气的接触面温度，避免表面结露，但是影响了供冷表面的制冷量。Teitelbaum[28]等通过对三种不同的薄膜材料进行傅里叶光谱分析，并对薄膜测试板进行实验，结果表明在环境温度32益、相对湿度70%的环境下，5益冷板表面温度可达26益，该材料可在无结露的前提下保证辐射供冷正常运行，基于该研究的辐射冷却产品可以在热环境中满足使用要求并且不需要额外的除湿设备。

　　2当前研究存在的问题和探讨

　　2.1当前研究存在的问题

　　目前辐射末端防结露研究，仍然存在着一些不足之处。1)末端供冷表面处理可缓解冷辐射板表面的结露问题，但对辐射供冷板的制作工艺要求高，批量生产难度大，推广前景小，而且改善幅度有限，仍属权宜技术。2)借助新风系统解决辐射供冷结露问题不仅增加了辐射空调系统整体的设计难度，而且增加了新风系统所负担的冷负荷，相对减小了辐射供冷负荷，辐射供冷系统节能效益降低。

　　3)控供水温度、控供水流量两种调控策略对制冷机组，供回水系统及控制系统的要求较高，增加了整个空调系统的运行负荷，并加大了维护难度，间接地影响了系统的稳定性。4)通过温湿度传感器的反馈调节对辐射供冷表面进行温度限制虽然可缓解结露问题，但是人员进出及开、关门窗影引起的室内湿度波动会造成额外的结露风险，稳定性大大降低，辐射供冷空调系统的制冷能力也受限制，并没有从根本上解决结露问题。综合前人研究进展而言，单纯地从辐射空调系统自身和新风系统角度解决辐射供冷结露问题效果不明显，节能效益不高，并没有从本质上解决辐射供冷末端的结露问题。

　　2.2一种新型防结露方式探讨辐射供冷末端与室内热表面热量交换以辐射换热为主，辐射换热波段集中在8~12滋m的长波辐射内[29­31]，王晋生[27]和Teitelbaum[28]都采用对辐射都以对长波透过率高新型薄膜材料为研究基础，基于辐射传热机理，实验分析新型材料对结露问题的影响，新型材料可以有效提高辐射空调末端与空气接触面温度，从而防止供冷表面结露，并且对辐射换热影响较小。

　　从传热过程分析该防结露方式，采用对辐射换热波段的透过率较高材料后可提高辐射供冷表面与空气接触面温度，室内空气与材料下表面进行对流换热，而辐射供冷表面透过材料与热表面进行辐射换热，理论上实现了对流传热与辐射传热分离。虽然所采用的新型材料削弱了辐射空调供冷表面与室内空气的对流换热部分，但可通过降低供水温度，使得与空气接触面的温度降低至常用的辐射供冷末端表面温度，这样不仅达到正常情况下的对流换热量，避免了结露，而且增大了供冷表面与室内热表面的辐射换热温差，增大了辐射换热量，整体上提高了辐射供冷空调的制冷能力。目前应用这类新材料技术解决辐射供冷结露问题和分析辐射供冷空调传热过程的研究较少，基于新材料技术解决辐射供冷末端结露问题是一个新方向，具有相当大的研究前景。

　　3结论与展望

　　针对辐射供冷空调首要的辐射末端结露问题进行分析，本文通过对国内外辐射供冷末端防结露相关研究现状及目前研究存在的不足进行分析，从新材料技术角度提出了一种防结露新方向，并对今后辐射空调末端结露问题研究方向进行展望。1)从空调末端供冷表面方面，改善供冷表面温度均匀性，制定结露冷凝水的排除装置。2)从送风系统方面，优化送风系统气流组织，采用预除湿降低室内湿度。3)从系统运行方面，通过传感器调控供水参数控制供冷表面温度，优化系统运行方案。4)从传热机理方面，借助新型高性能材料、辐射传热理论、智能控制方法等相关研究的进一步发展，从传热机理或新材料上解决末端结露问题是该领域的重要发展方向。

　　参考文献

　　[1]RothKW,WestphalenD.EnergyConsumptionCharacteristicsofCommercialBuildingHVACSystems[M].Cambridge:ScottKoszalinski,2002.

　　[2]KyuNamRhee,KwangWooKim.A50yearreviewofbasicandappliedesearchinradiantheatingandcoolingsystemsforthebuiltenvironment[J].Building&Environment,2015,91:166­190.

　　[3]ZKang,XPeng,XiaocongCheng.Analysisofcondensationandthermalcomfortoftwokindsofcompoundradiantcoolingairconditioningsystemsbasedondisplacementventilation[J].Proce­diaEngineering,2017,205:1529­1534.