郭燕玲，杜柯，吉灼輝，楊麗修，吳會(huì)軍，3

（1. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，建筑節(jié)能研究院，廣州 510006；2. 杰創(chuàng)智能科技股份有限公司，廣州 510663；3. 廣州大學(xué)廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

0 引言

近年來，冷輻射空調(diào)系統(tǒng)由于具備節(jié)能、健康、舒適等優(yōu)點(diǎn)引起全世界越來越多的關(guān)注。20世紀(jì)30年代冷輻射空調(diào)開始工程應(yīng)用，90年代歐洲對(duì)輻射供冷技術(shù)開展系統(tǒng)研究，2002年美國能源部把輻射空調(diào)列為15項(xiàng)重點(diǎn)發(fā)展的節(jié)能空調(diào)技術(shù)之一［1］，20世紀(jì)90年代我國開始引入輻射供冷技術(shù)，并對(duì)其可行性、舒適性等方面開展了大量的技術(shù)研究開發(fā)工作［2-4］。

冷輻射空調(diào)系統(tǒng)易結(jié)露的特性是削弱輻射供冷能力，制約輻射供冷技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。結(jié)露不僅影響輻射板的美觀，還會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的滋生，影響室內(nèi)空氣品質(zhì)。因此本文基于冷輻射空調(diào)表面結(jié)露防控技術(shù)研究進(jìn)展，提出應(yīng)用紅外透明薄膜新材料新技術(shù)。

1 冷輻射空調(diào)表面結(jié)露特性研究

當(dāng)冷輻射板表面溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，其結(jié)露特性對(duì)冷輻射空調(diào)結(jié)露防控技術(shù)的研究有很大相關(guān)性。Tang等［5］對(duì)輻射冷卻板的冷凝進(jìn)行了一系列研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明疏水表面是一種很有前途的限制輻射板凝結(jié)的新方法。隨后，進(jìn)行了濕空氣中不同長度的冷輻射板在不同位置上的結(jié)露速率實(shí)驗(yàn)［6］。結(jié)果表明：在相同的空氣狀態(tài)和表面溫度下，冷輻射天花板上的結(jié)露速率比冷輻射地板上的結(jié)露速率高3.5倍，比冷輻射墻壁上的結(jié)露速率高25%。在此基礎(chǔ)上，對(duì)冷輻射空調(diào)系統(tǒng)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)以及控制策略的基本指標(biāo)—冷凝水滴離開冷輻射天花板表面的時(shí)間進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，分析得出冷凝水質(zhì)量主要由表面濕潤性決定而受表面溫度影響小，冷凝水離開時(shí)間與表觀接觸角成正相關(guān)，與過冷度大小成反相關(guān)［7］。 Yin等［8］分析對(duì)比了金屬、純管以及石膏輻射冷卻面板的傳熱和冷凝性能，結(jié)果表明石膏板的性能最優(yōu)。Ning等［9］研究發(fā)現(xiàn)，薄空氣層散熱輻射吊頂板表面溫度分布均勻，水汽不易集中在輻射板局部區(qū)域，緩解了結(jié)露問題。

2 冷輻射空調(diào)結(jié)露防控技術(shù)研究

2.1 改進(jìn)輻射板

1）將冷凝水收集于容器，以及將輻射板豎直或傾斜布置

孔祥雷等［10］首次提出一種“疏導(dǎo)結(jié)露”的輻射板模型，將冷凝水疏導(dǎo)至輻射板的邊緣處集中回收，減小結(jié)露影響，但表面處理及加工工藝難度大，成本高，推廣前景小，且未從根本上解決結(jié)露問題，供冷能力提高有限。李逸姝等［11］設(shè)計(jì)了一種新型輻射供冷末端裝置，將輻射板豎直放置并在底部放置集水槽，可降低結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。張倫等［12］提出一種可強(qiáng)化對(duì)流換熱的傾斜輻射板結(jié)構(gòu)。其中，集中回收的冷凝水需要考慮如何化害為用，輻射板豎直布置需要考慮輻射面分布對(duì)人體熱舒適的影響，而傾斜布置還需要考慮冷凝水的后續(xù)處理。

2）設(shè)置氣態(tài)隔層

在輻射板與室內(nèi)空氣間設(shè)置氣態(tài)隔層以隔絕輻射板表面與濕空氣中水蒸氣接觸從而防止冷凝。張順波等［13］提出一種含空氣層冷輻射板，通過建立數(shù)學(xué)傳熱模型分析計(jì)算改進(jìn)后冷輻射板的供冷能力與防結(jié)露水平，計(jì)算結(jié)果表明設(shè)置氣態(tài)隔層可提升冷輻射板表面溫度分布均勻性，水蒸氣均勻凝結(jié)于輻射板表面，形成膜狀凝結(jié)，有效降低結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。該策略較為簡單易行，但具體能達(dá)到什么程度的抗結(jié)露能力達(dá)到仍有待驗(yàn)證。

3）槽內(nèi)填充換熱液

溝槽結(jié)構(gòu)充液式冷輻射板可顯著提高輻射板表面溫度分布的均勻性，消除局部低溫，緩解表面結(jié)露。Lv等［14］設(shè)計(jì)了一種三角形槽型充液輻射板，由上平板、下槽平板和在兩塊平板間隙填充換熱液組成，試驗(yàn)結(jié)果同樣驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)，但還需優(yōu)化傳熱過程，減輕重量，提高能量利用效率。

4）改造輻射面材料

將輻射面的材料改造至允許濕空氣中水蒸氣透過，即結(jié)露現(xiàn)象不在輻射板表面發(fā)生。趙媛媛等［15］基于液體除濕和膜分離技術(shù)設(shè)計(jì)并制造了一種中空纖維膜除濕組件，膜對(duì)水蒸氣具有高透過性，而對(duì)除濕溶液具有致密性，即中空纖維膜作為間接接觸介質(zhì)，新風(fēng)和除濕溶液通過膜進(jìn)行共軛傳質(zhì)傳熱，在進(jìn)行空氣除濕的同時(shí)還具有較高的制冷能力，但除濕溶液的溫度控制不當(dāng)仍可能導(dǎo)致結(jié)露的發(fā)生。

5）應(yīng)用調(diào)濕建材

調(diào)濕建材是一種利用調(diào)濕材料對(duì)水蒸氣的自動(dòng)吸放作用調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度的建筑墻體材料。鄭樹偉等［16］提出將調(diào)濕建材應(yīng)用于輻射供冷房間，再配合合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可有效解決結(jié)露問題。但采用此類多孔材料吸附輻射表面產(chǎn)生的冷凝水并不能徹底解決問題，還須配合運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，更須注意不能影響室內(nèi)空氣品質(zhì)。

6）應(yīng)用噴涂材料

在表面噴涂不易凝水的材料以使?jié)窨諝庠诘蜏乇砻婺茏瑁繉硬粌H需要具備疏水性或親水性，而且不會(huì)影響輻射供冷能力。Kong等［17］針對(duì)輻射末端表面進(jìn)行了疏水處理，結(jié)果表明超疏水涂層有效減小了水滴直徑，具有明顯的延遲結(jié)露作用，但經(jīng)過一段時(shí)間后輻射板表面仍然是濕的，處理程度有限，無法根本解決結(jié)露問題。劉倩等［18］的發(fā)明提供了一種建筑節(jié)能防冷凝水結(jié)露厚涂料及其制備方法，具有保溫隔熱防冷凝水結(jié)露作用，當(dāng)潮濕空氣接觸到一個(gè)更冷或更熱表面時(shí)，涂料固化后形成網(wǎng)格狀的表面，毛細(xì)孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)可使吸收潮氣迅速向空氣釋放，冷凝水更難產(chǎn)生，降低結(jié)露可能性。并且該涂料施工快速、裝飾效果好且綜合成本低廉。

2.2 控制室內(nèi)露點(diǎn)溫度

室內(nèi)露點(diǎn)溫度的控制可直接在室內(nèi)放置輔助除濕機(jī)組，采用轉(zhuǎn)輪除濕、溶液除濕等高效除濕方式進(jìn)行除濕，維持室內(nèi)露點(diǎn)溫度低于輻射板表面溫度，防止冷輻射空調(diào)結(jié)露，但此策略還需考慮如何配置才能在不降低系統(tǒng)能效的同時(shí)具有技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性；或者通過新風(fēng)預(yù)先通風(fēng)除濕，冷輻射空調(diào)也可與新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)（常見為置換通風(fēng)、地板送風(fēng)和貼附射流三種）結(jié)合形成復(fù)合冷輻射空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行除濕，向房間送入降溫除濕處理過的干燥空氣。

1）新風(fēng)預(yù)先通風(fēng)除濕。

Zhang等［19］對(duì)香港某建筑進(jìn)行模擬，研究了濕熱氣候下的除濕和通風(fēng)策略，提出在輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)1小時(shí)開啟通風(fēng)系統(tǒng)可以有效防止輻射板結(jié)露。Ge等［20］基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的方法研究了典型辦公建筑中冷卻天花板的凝結(jié)風(fēng)險(xiǎn)和最佳或最短預(yù)除濕時(shí)間，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，提前運(yùn)行室外空氣系統(tǒng)的方法是可靠的。以上研究都表明在空調(diào)系統(tǒng)間歇運(yùn)行的情況下，預(yù)除濕是防止輻射冷卻表面結(jié)露的有效方法。但是，這項(xiàng)控制策略仍然不能消除最靠近外部門窗的輻射冷卻天花板表面的冷凝風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槟抢锶菀孜帐彝饪諝鉂B透到建筑物里，因此該策略有一定的局限性。

2）與置換通風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合冷輻射空調(diào)系統(tǒng)

置換通風(fēng)是通過向室內(nèi)送入大量干燥新鮮空氣，在地板附近形成干燥空氣湖從而降低地板附近空氣露點(diǎn)溫度，保證地板表面溫度始終高于空氣露點(diǎn)溫度［21］。李紅偉［22］建立了置換通風(fēng)與地板冷輻射空調(diào)房間熱環(huán)境模擬模型，模擬結(jié)果表明保證人體熱舒適前提下，置換通風(fēng)的送風(fēng)溫度只能低于或者等于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度（溫差一般為2～4℃），同時(shí)地板表面溫度控制在19～23℃，送風(fēng)相對(duì)濕度控制在50～55%范圍內(nèi)，地板防結(jié)露效果較好。

3）與地板送風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合冷輻射空調(diào)系統(tǒng)

地板送風(fēng)由于風(fēng)速大、送風(fēng)量大而承擔(dān)室內(nèi)更多的冷負(fù)荷，可適當(dāng)提高輻射地板溫度或管道進(jìn)水溫度以減輕結(jié)露現(xiàn)象［23］。王亮等［24］對(duì)比研究了下送風(fēng)與冷輻射復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的使用性能，結(jié)果表明送風(fēng)氣流在上升過程中不斷卷吸室內(nèi)的空氣，使得送風(fēng)口上部的溫度分布很不均勻，在模擬參數(shù)條件下，風(fēng)速達(dá)到0.4 m/s時(shí)室內(nèi)局部人體熱舒適度下降。

4）與貼附射流相結(jié)合的復(fù)合冷輻射空調(diào)系統(tǒng)

貼附射流可以在冷輻射板表面形成一層干燥空氣隔層，阻止室內(nèi)冷輻射板和熱濕空氣接觸，可有效地避免結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生［25］。Kong等［26］研究了某實(shí)驗(yàn)室貼附射流輻射供冷復(fù)合空調(diào)預(yù)除濕、運(yùn)行及關(guān)閉三個(gè)階段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)舒適度較高，且有效降低輻射冷頂板附近空氣的露點(diǎn)溫度以避免結(jié)露，在一定程度上優(yōu)于與置換通風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合冷輻射空調(diào)系統(tǒng)，但同時(shí)可能存在冷卻過慢、除濕能力不足的問題。并且由于貼附射流并非首先通過工作區(qū)，清除室內(nèi)污濁空氣的能力較弱，所以會(huì)對(duì)房間內(nèi)的空氣品質(zhì)造成影響。

2.3 控制輻射板表面溫度

輻射板表面溫度的控制主要是對(duì)水系統(tǒng)的控制，包括供水流量控制、供水溫度或供回水溫差控制、兩者結(jié)合控制以及溫濕度傳感器反饋調(diào)節(jié)控制等方式來提高或限制輻射板的溫度，控制輻射板表面溫度在室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度之上，從而降低冷輻射空調(diào)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。其中，供水流量控制的基本方法有：雙位開關(guān)控制方式（也叫開關(guān)控制）和變流量控制方式；供水溫度控制的基本方法有：室外溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)方式和室外溫度補(bǔ)償加室內(nèi)反饋控制方式；水量水溫結(jié)合控制的基本方法為室外溫度補(bǔ)償加雙位開關(guān)控制。

1）供水流量、供水溫度控制

Ryu等［27］分析了某建筑地板輻射供冷系統(tǒng)供水流量與供水溫度變化對(duì)結(jié)露現(xiàn)象的影響，并對(duì)比兩種控制策略優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)將室外溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)方式應(yīng)用于雙位開關(guān)控制方法以及脈沖式控制方式應(yīng)用于雙位開關(guān)控制方法都能提高室溫和輻射供冷表面溫度穩(wěn)定性，降低結(jié)露可能性。Lim等［28］進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試，研究了韓國某住宅建筑地板冷輻射空調(diào)系統(tǒng)的控制方法。結(jié)果表明，對(duì)于室溫控制方面，室外溫度補(bǔ)償加室內(nèi)反饋控制系統(tǒng)的水溫控制優(yōu)于水量控制，能有效避免結(jié)露。此研究提出初始控制結(jié)構(gòu)，但未對(duì)控制策略的具體實(shí)施進(jìn)行研究分析。

Jin等［29］先通過對(duì)供水溫度和供水流量控制方法的比較，發(fā)現(xiàn)從安全溫差的角度來看，基于水溫調(diào)節(jié)和基于開關(guān)控制的水量調(diào)節(jié)方法可以有效防止結(jié)露。之后又研究了不同供水流量調(diào)節(jié)［30］以及不同供水溫度［31］調(diào)節(jié)對(duì)輻射頂板表面溫度變化的動(dòng)態(tài)影響，其中根據(jù)水量調(diào)節(jié)線性回歸分析結(jié)果，建議在實(shí)際工程應(yīng)用中，通過關(guān)閉開關(guān)閥停止冷凍水的供應(yīng)，增大輻射板表面溫度與室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度的差值，可明顯降低結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。但實(shí)驗(yàn)未在不同的冷卻運(yùn)行條件下進(jìn)行研究，未得出防結(jié)露策略的最佳方法和開始時(shí)間。關(guān)于水溫調(diào)節(jié)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有結(jié)露的危險(xiǎn)時(shí)，天花輻射板表面溫度隨供水溫度的變化呈指數(shù)變化，供水溫度升高，維持安全溫差3℃以上不僅有效解決結(jié)露問題，還為確定輻射頂棚防結(jié)露控制方法和建立最小安全溫差預(yù)測模型奠定了基礎(chǔ)。

雖然供水流量控制以及供水溫度控制策略可緩解結(jié)露現(xiàn)象，但對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)的要求較高，增加了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致維護(hù)工作難度大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

2）濕度開關(guān)控制

在空調(diào)房間的最不利點(diǎn)安裝相對(duì)濕度開關(guān)．當(dāng)有結(jié)露危險(xiǎn)時(shí)，通過濕度開關(guān)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)控制房間水路電動(dòng)閥門關(guān)閉以防止結(jié)露。［32］此裝置安裝接線簡單，且由于直接接觸輻射水管表面可感測其表面溫度，但同時(shí)也存在難以確定不利點(diǎn)、無房間溫度參考、影響裝修和維護(hù)更換麻煩等的缺陷。

3）溫濕度傳感器反饋調(diào)節(jié)控制

在空調(diào)房間安裝溫濕度傳感器以計(jì)算露點(diǎn)溫度，通過與房間供水管路表面溫度傳感器參數(shù)相比較進(jìn)而控制房間水閥，限制冷輻射板表面溫度高于室內(nèi)露點(diǎn)溫度。［32］雖然此控制設(shè)計(jì)可有效降低結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，但是還需考慮人為影響參數(shù)，人員進(jìn)出及開、關(guān)門窗會(huì)引起室內(nèi)濕度波動(dòng)而造成額外的結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)定性降低，冷輻射空調(diào)系統(tǒng)的供冷能力也受限制，未從根本上解決結(jié)露問題。

3 紅外透明新材料新技術(shù)用于輻射空調(diào)防結(jié)露

使用紅外透明膜材料隔絕室內(nèi)空氣與輻射供冷末端表面的直接接觸（圖1），允許輻射表面冷卻溫度低于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，可以在潮濕的環(huán)境中提供顯著的輻射冷卻而不結(jié)露，顯著克服了露點(diǎn)溫度對(duì)冷輻射空調(diào)供冷能力的限制。在實(shí)際應(yīng)用中，有許多紅外透明材料，如在日常生活中常用的聚乙烯、聚丙烯。

圖1 防止室內(nèi)結(jié)露的紅外透明罩原理圖［36］。

這種方法最早是由Morse［33］在20世紀(jì)60年代提出的，后來，王晉生［34］和Teitelbaum［35］等人基于輻射機(jī)理，以高長波透射新型薄膜材料為研究對(duì)象，進(jìn)行了類似的研究工作，實(shí)驗(yàn)分析膜材料對(duì)結(jié)露問題的影響，通過提高輻射空調(diào)末端表面溫度可有效防止供冷表面結(jié)露和下降氣流問題，并且加薄膜后對(duì)輻射換熱影響較小，大幅度地保留了供冷表面原有的輻射換熱量。

Xing等［36］對(duì)該方法進(jìn)行了進(jìn)一步的理論研究，建立了輻射傳熱模型和室內(nèi)穩(wěn)態(tài)熱模型，并運(yùn)用王晉生［34］提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明冷輻射板與材料之間為真空夾層時(shí)具有最佳的防結(jié)露性能，因?yàn)榇藭r(shí)該材料對(duì)長波透過率很高，溫度受輻射換熱影響很?。辉趯?shí)際應(yīng)用中，可以將熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流臨界距離（14mm）視為安裝距離以提高抗結(jié)露能力。通過平均紅外輻射特性分析發(fā)現(xiàn)其對(duì)冷卻性能影響較大，對(duì)紅外透明薄膜溫度影響較小，所以在此方法中只要相對(duì)濕度不超過79.2%，就可以無結(jié)露運(yùn)行。而通過降低冷輻射板表面的溫度，就可以解決供冷能力受露點(diǎn)溫度的限制問題。

Teitelbaum等［37］還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試和熱舒適調(diào)查問卷工作，證明了運(yùn)用薄膜輔助輻射冷卻技術(shù)，不僅輻射和對(duì)流可以分離來調(diào)節(jié)舒適度，而且可僅依靠輻射來創(chuàng)造基于現(xiàn)有指標(biāo)的舒適環(huán)境，可能有助于抑制全球降溫需求預(yù)測。Du等［38］主要選用商業(yè)化廉價(jià)聚乙烯膜構(gòu)成雙層紅外透明薄膜，將其覆蓋于輻射冷源表面，對(duì)冷輻射空調(diào)在無結(jié)露條件下的供冷能力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。通過建立簡化輻射-對(duì)流傳熱模型與縮尺度實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在7℃冷源溫度下，帶紅外透明膜的供冷能力為104.0 W/m2，比常規(guī)冷輻射空調(diào)提高了48%（圖2）。即雙層紅外透明膜在采用較低冷源溫度，縮小尺度空間的情況下，可顯著提高制冷量而不產(chǎn)生結(jié)露，且該材料安裝方便，成本低，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

圖2 不同輻射空調(diào)末端表面溫度下供冷能力比較［38］。

4 總結(jié)及展望

眾多防控技術(shù)策略雖然在降低冷輻射空調(diào)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)上取得了明顯效果，但由于冷輻射空調(diào)供冷能力總是受到露點(diǎn)溫度的限制，對(duì)于冷輻射空調(diào)綜合性能提升還需要開展更為創(chuàng)新的研究工作，如通過發(fā)展新材料新技術(shù)推動(dòng)冷輻射空調(diào)技術(shù)工程應(yīng)用。

目前研究成果表明紅外透明薄膜在冷輻射空調(diào)的應(yīng)用中具有在預(yù)防結(jié)露的同時(shí)提升冷輻射空調(diào)系統(tǒng)整體供冷能力的潛力。但至今國內(nèi)外冷輻射系統(tǒng)中基于紅外透明薄膜材料防結(jié)露的研究，其理論研究工作多于實(shí)驗(yàn)研究成果，對(duì)于已經(jīng)得到理論論證的方法還缺乏實(shí)際工程驗(yàn)證，并且目前眾多紅外透明材料還存在紅外輻射穿透比不夠高、力學(xué)和防火性能較差等問題。在未來研究中還需要在實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐中不斷完善和改進(jìn)，并且致力于研發(fā)高性能的高強(qiáng)度紅外透明膜、高氣密性膜、高密封性密封劑或其它新型高性能材料。通過新材料新技術(shù)發(fā)展提升冷輻射空調(diào)的綜合性能，為防結(jié)露工作提供更好的保障，促進(jìn)冷輻射空調(diào)的技術(shù)發(fā)展與工程應(yīng)用，為建筑節(jié)能減排作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。