陳 偉 涂 敏 譚躍龍 張 偉

南華大學土木工程學院

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國建筑能耗呈逐年上升的趨勢，而在建筑能耗總量中暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗約占40%~50%［1］。為了實現(xiàn)建筑節(jié)能［2-3］，可再生能源在建筑業(yè)中運用愈加廣泛。在追求降低能耗的同時，人們對建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適性要求也在不斷提升，建筑室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)直接影響人員的身心健康及心情狀態(tài)［4］。傳統(tǒng)空調(diào)噪聲大，風機耗能大，有明顯的吹風感且風機盤管處易滋生大量細菌，不能保證室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。輻射空調(diào)系統(tǒng)在保證節(jié)能性與舒適性的前提下，再與新風系統(tǒng)相結(jié)合，可以營造潔凈度較高的室內(nèi)環(huán)境［5］。但是，輻射末端結(jié)露、供冷不足及造價昂貴等問題阻礙了輻射空調(diào)系統(tǒng)的普及與應(yīng)用。

輻射末端結(jié)構(gòu)形式主要有輻射頂板、輻射地板及輻射墻面板。本文對國內(nèi)外學者關(guān)于輻射板的研究進行調(diào)研分析，對現(xiàn)行的改善冷輻射板性能措施進行優(yōu)缺點分析，總結(jié)相對優(yōu)異的優(yōu)化措施，為輻射供冷技術(shù)在我國進一步推廣提供一定的理論支持。

根據(jù)安裝位置的不同，輻射板大致可分為輻射頂板、輻射墻體、輻射地板三類。輻射頂板一般以金屬制輻射吊頂板為主，輻射板的面板通常為鋁板，板背面為保溫層。輻射墻體以毛細管狀水管組成冷卻格柵或金屬輻射板作為輻射末端。輻射地板一般是在混凝土板內(nèi)布置金屬管、塑料或橡膠管。

1 輻射板的優(yōu)缺點

1.1 舒適性

在舒適環(huán)境下，人體散熱比例為蒸發(fā)換熱25%，對流換熱30%，輻射換熱45%［6］。輻射空調(diào)系統(tǒng)中輻射換熱可達60%以上，輻射換熱占比提高意味著降低了人體對流與蒸發(fā)的散熱量，有效地減少了吹風感引起的人體不適［7］。Zhen等［8］和徐照南［9］分別通過問卷及現(xiàn)場實驗證實輻射空調(diào)具有較高的熱舒適性。Mohammad［10］和路詩奎等［11］分別通過輻射加熱的綜合空間-人體熱反應(yīng)仿真模型與TRNSYS軟件模擬，表明輻射系統(tǒng)相對于標準對流系統(tǒng)可以更快也更容易達到舒適性要求。李嚴等［12］對輻射冷頂板進行實驗測試，測得在地面0.1~1.1 m之間垂直溫差最大為1.42℃，表明在輻射空調(diào)下人體的熱舒適度較高。大量實驗和模擬表明在舒適性方面，輻射空調(diào)系統(tǒng)營造的室內(nèi)環(huán)境是優(yōu)于傳統(tǒng)對流空調(diào)系統(tǒng)的，也為輻射空調(diào)系統(tǒng)的推廣提供了理論的支持。

1.2 節(jié)能性

輻射空調(diào)被大力推廣的另一主要原因便是其節(jié)能性。輻射空調(diào)供冷/熱時，可以以較高/低的供水溫度達到系統(tǒng)要求，從而營造出舒適的室內(nèi)環(huán)境，對于供水溫度要求的降低，極大地節(jié)約了能源消耗［13］。當輻射板空調(diào)與新風系統(tǒng)相結(jié)合時，可以利用高溫冷水降溫、干燥新風除濕，節(jié)約運行能耗可達30%［14］。輻射板通常以水或者制冷劑作為冷媒，相較于空氣對流換熱，可以有效節(jié)約換熱過程中的能量損耗，進而達到節(jié)能性目的［15-17］。輻射空調(diào)系統(tǒng)還可以與高溫冷水機組或冰蓄冷技術(shù)相結(jié)合，可利用電價的峰谷差、大溫差技術(shù)(冷水大溫差、送風大溫差)以降低水泵、風機能耗，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能性［18］。Aviv等［19］發(fā)現(xiàn)當耦合自然通風和輻射系統(tǒng)時，在保證室內(nèi)空氣新鮮度的同時可降低能源成本10%~45%。

上述優(yōu)勢使輻射空調(diào)系統(tǒng)近年來得到發(fā)展，但輻射空調(diào)系統(tǒng)初投資昂貴、單位面積換量不足以及輻射板表面可能存在的結(jié)露問題成為其進一步推廣的阻礙。

1.3 初投資昂貴

輻射頂板的價格為1 000元/m2左右，毛細管頂板空調(diào)一般在300~400元/m2，其昂貴的初投資使輻射空調(diào)系統(tǒng)很難走進每家每戶［20］。輻射地板因為其后續(xù)檢修困難，所以在設(shè)計時一般采用價格較貴質(zhì)量較好的PE-X管，且一旦損壞只能整管替換［21］。國內(nèi)空調(diào)設(shè)計規(guī)范中沒有對其作出詳細規(guī)定，究其原因首先國內(nèi)對輻射空調(diào)系統(tǒng)的研究大多停留在理論層面，實際的工程實例很少，也就導(dǎo)致廣大群眾對其了解很少，從而對輻射空調(diào)的接受度也就較低。

目前，對于初投資昂貴這一問題并無有效的解決措施，這與我國在輻射空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展起步較晚也有很大關(guān)系。在歐美地區(qū)輻射空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成功運用30年之久，并發(fā)展成為一項較為成熟的技術(shù)，可以進行工業(yè)化的生產(chǎn)，進而能進一步降低生產(chǎn)成本。我國在這一方面發(fā)展起步較晚，技術(shù)還不是很成熟，專門從事輻射板生產(chǎn)的廠家很少，且不能做到規(guī)范統(tǒng)一，導(dǎo)致輻射板需要特地定制，進一步加大了初投資。隨著輻射空調(diào)系統(tǒng)在我國的不斷發(fā)展與推廣，其初投資昂貴問題一定會得到有效解決。

1.4 結(jié)露問題

冷輻射板表面易結(jié)露是阻礙輻射板進一步推廣和應(yīng)用的主要問題。結(jié)露不僅會削弱輻射供冷能力而且會導(dǎo)致細菌滋生，降低室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。結(jié)露是空氣中水蒸氣液化現(xiàn)象，當輻射板表面溫度低于周圍空氣露點溫度時，水蒸氣分壓力達到當前空氣溫度下水蒸氣飽和分壓力時，水蒸氣在輻射板表面凝結(jié)成液態(tài)水滴，這便是結(jié)露現(xiàn)象。

對于輻射板表面結(jié)露特性不同學者做了一系列研究，Mumma［22］指出結(jié)露是一個緩慢的過程，通常需要幾個小時。吳曉敏［23］和趙偉［24］等分別對結(jié)露初期的液滴進行研究，發(fā)現(xiàn)冷凝傳熱溫差隨冷面溫度降低而增大，即冷面溫度越低，液滴生長越快。Feustel等［25］將輻射板表面溫度與室內(nèi)露點溫度的差值定義為過冷度。梁綺禎等［26］結(jié)合傳熱學和分子動力學建立結(jié)露初期液滴生長模型，也證實了冷輻射板基底溫度對結(jié)露影響最大。金梧鳳等［27］從宏觀層面對結(jié)露全過程進行實驗分析，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)濕度越高，輻射板冷面溫度越低，輻射板越易結(jié)露。費媛媛等［28］分析了微方孔結(jié)構(gòu)梯度能表面的冷凝液滴生長的動態(tài)過程，試驗從微觀層面研究了冷凝液滴形成的詳細過程。

2 輻射板改進及優(yōu)化

針對輻射板上述缺點，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量的模擬及實驗，提出一系列改進措施。本文主要從三個方面闡述已有的輻射空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化措施，分別為結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)流程優(yōu)化和控制策略優(yōu)化。

2.1 輻射末端結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 換熱性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

增大輻射板供冷一般從增大換熱面積和減少接觸熱阻入手。Wojtkowiak等［29］提出一種新型波紋冷卻頂板，增加了換熱面積使冷卻能力提升26%~55%。Jonathan等［30］提出一種集成微流體供水回路的輻射板結(jié)構(gòu)，分別對平板、折疊板、之字形板的表面結(jié)構(gòu)進行模擬試驗，折疊板與之字形板的冷卻速度較平板分別提高55%和67%。Lun等［31］通過實驗研究了一種新型傾斜鋁翅片金屬吊頂輻射板，發(fā)現(xiàn)在典型的辦公室里，帶有傾斜散熱片的CRP的制冷量比懸掛式面板大19%左右。林俊等［32］將輻射模塊和新風系統(tǒng)并聯(lián)改為串聯(lián)，新風模塊的除濕和過濾效率提高5%，系統(tǒng)能耗降低12%。瑞士生產(chǎn)了一種新型輻射板［33］，吊頂不設(shè)冷媒管，冷媒水直接與輻射板接觸換熱，接觸面積達98%，提高了傳熱效率。西南科技大學馬立副教授課題組沿用同樣思路［34］，通過焊接使水管覆蓋在輻射板后背，水直接和金屬板接觸，增大了水與板的換熱效率。

2.1.2 防結(jié)露結(jié)構(gòu)優(yōu)化

提高其防結(jié)露能力一般從處理表面冷凝水、改進冷卻表面及隔絕空氣入手?？紫槔椎龋?5］提出一種“疏導(dǎo)結(jié)露型”輻射板，在輻射板表面開設(shè)密集的微槽道，利用毛細力和重力作用，將輻射板表面產(chǎn)生的結(jié)露疏導(dǎo)到輻射板的邊緣處，進行集中回收，但表面處理工藝難度大，增加了成本，不利于進一步推廣。李逸姝等［36］將輻射板豎直放置利用重力作用將輻射板表面產(chǎn)生的冷凝液滴收集到底部集水槽中，避免結(jié)露產(chǎn)生，但人體舒適度需要進一步探究。張倫等［37］提出一種可強化對流換熱的傾斜式輻射板，可減少結(jié)露風險，但未對后續(xù)冷凝水如何處理提出解決方案。Lv等［38］研究的填充傳熱液體的三角形溝槽輻射板，填充液的加入使面板溫度分布更加均勻，利于冷凝控制，但增大了接觸熱阻以及輻射板自身重量較大不便于安裝，需要進一步優(yōu)化。處理表面冷凝水雖然能在一定程度上解決輻射板表面結(jié)露問題，但并不能從根本上解決輻射板表面結(jié)露問題，且也僅處于實驗研究階段，其工藝復(fù)雜，制得的輻射板因為其造價及安裝問題導(dǎo)致其很難進行大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，如何進一步優(yōu)化還需大量的實驗研究。

改進輻射板冷卻表面，科學家們從自然界中許多現(xiàn)象得到啟示，例如荷葉、蝴蝶的翅膀、水黽的腳、鳥的羽毛等，從而改變了起初只能采取被動的方法去除表面結(jié)露的現(xiàn)狀，通過設(shè)計一種類荷葉的粗糙微結(jié)構(gòu)來制備具有較好防結(jié)露性能的材料。這種技術(shù)手段近年來在輻射板防結(jié)露上也進行了大量的試驗及模擬。李艷峰等［39］用化學刻蝕的方法制備出多晶鋁合金基體上的超疏水表面，水滴與表面的接觸角達到156°。余春浩等［40］用這種方法對輻射板冷卻面板進行處理，后在溫度為10℃，濕度為80%工況下進行試驗，發(fā)現(xiàn)與未經(jīng)處理的鋁板相比其抗凝露能力大幅提高。武衛(wèi)東等［41］對鋁基超疏水表面凝露初期進行進一步詳細研究，研究結(jié)果表明較低或較高的基底溫度下超疏水表面都能保持良好的疏水性能。殷平等［42］采用相分離法制備超疏水表面，分別對散流器和輻射板的一半進行超疏水處理，結(jié)果顯示，經(jīng)過處理的部分均未發(fā)生冷凝現(xiàn)象。雖然國內(nèi)外在超疏水表面的研制工作上投入了大量的精力，但是目前仍處于基礎(chǔ)性研發(fā)階段，且材料局限于硅片、鋁片、玻璃以及高分子(如聚苯乙烯)模板等實驗性基材。所獲得的一些超疏水性材料雖然具有較大的表面接觸角，但在實際應(yīng)用時還存在許多缺陷，例如，材料表面抗磨損性較差、對基體的黏附性較差、制備技術(shù)條件苛刻、原材料較貴、模板難以循環(huán)使用、工藝過程復(fù)雜等，導(dǎo)致很難進行大批量的工業(yè)化生產(chǎn)。雖然國際上已有幾種建筑墻體和玻璃表面超疏水涂料進入了市場，但是其性能、壽命、工藝性、價格仍然不盡如人意，因此超疏水表面在輻射空調(diào)系統(tǒng)的實際運用道阻且長。

隔絕室內(nèi)空氣也是解決輻射板表面結(jié)露的一種非常有效的手段，避免冷卻面板與室內(nèi)溫濕氣體直接接觸，進而一定程度上提高輻射板防結(jié)露性能。1963年R.N.Morse提出將紅外高透薄膜與輻射板結(jié)合的模型，將紅外高透薄膜作蓋板狀覆蓋于輻射板上，留有一空氣夾層并密封以防止室內(nèi)空氣與輻射板接觸，該方法的提出為輻射板防結(jié)露提供新的研究方向。王晉生［43］用對長波具有高透過性的薄膜包裹冷卻頂板，并在冷卻頂板下表面和薄膜之間保留一真空或空氣夾層。真空或空氣夾層具有較高的熱阻，所以薄膜溫度將明顯高于冷卻項板下表面溫度而接近其周圍室內(nèi)空氣溫度，進而避免結(jié)露發(fā)生且薄膜的長波透過率很高，薄膜對冷卻頂板和室內(nèi)熱源或壁面之間的輻射換熱幾乎沒有影響，冷卻頂板的制冷能力幾乎不受影響。Teitelbaum等［44］通過實驗研究紅外透明膜對結(jié)露的影響，加膜后，膜外表面溫度始終維持在室內(nèi)露點溫度以上，而冷輻射板溫度比室內(nèi)露點溫度低約14℃，這表明冷輻射板可在低于室內(nèi)露點溫度下運行，大大提高了冷輻射板供冷能力。Xing等［45］建立了包含透明表面的不透明封閉系統(tǒng)的輻射傳熱模型，然后基于輻射傳熱模型，建立穩(wěn)定的室內(nèi)熱模型，詳細討論了影響紅外透明罩抗冷凝性能的關(guān)鍵因素，為空調(diào)系統(tǒng)的冷凝控制提供有價值的參考，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計時缺乏可以幫助分析紅外輻射透膜的光學、物理和熱性能影響的傳熱模型，只能靠經(jīng)驗法和試錯法確定合適的材料。Zhang等［46］考慮了膜內(nèi)的傳熱，使用雙通量方法建立傳熱模型，詳細分析膜內(nèi)傳熱過程，為如何選擇紅外透膜材料提供理論依據(jù)。

傳統(tǒng)的金屬輻射板，銅管與輻射板冷卻面板直接接觸，會在接觸位置形成低溫帶，造成輻射板表面溫度不均勻，水珠容易在低溫帶凝結(jié)聚集造成結(jié)露。因此，有學者提出含封閉空氣層的冷輻射板［47］，進而避免管材與輻射面板直接接觸形成低溫帶，之后大量學者對含空氣層輻射板進行模擬與試驗。Ning等［48］提出含薄封閉空氣層的冷輻射板，天花板與冷輻射板間形成薄空氣層，與室內(nèi)接觸的天花板表面溫度均勻，但是因為空氣的傳熱系數(shù)較低會影響輻射板的供冷性能。張順波［49］改進含空氣層冷輻射板，減小空氣層厚度為超薄空氣層，降低空氣層熱阻，提升了供冷能力，且冷輻射板表面溫度分布均勻，具有很好的抗結(jié)露能力。劉慧等［50］建立了一種含空氣層的新型模塊化吊頂輻射板傳熱模型，并對該模型進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明，在塑料網(wǎng)格高度1 mm，銅管外徑8 mm，管間距5 cm，輻射發(fā)射率0.95，流速0.8 m/s以及水溫10℃時，該輻射板供冷性能最好。含密閉空氣層輻射板可以提高輻射板面的溫度均勻性，避免在表面形成低溫帶，進而提高其抗結(jié)露性能。目前，對空氣層間傳熱特性還未作出詳細分析,但是空氣層的存在也阻礙了熱量的傳遞，隨著厚度的減小，輻射板的供冷能力增大，如何確定最優(yōu)空氣層厚度還需與管徑、管間距及供水溫度等一系列因素綜合考慮，后續(xù)還需進一步探究。

2.2 系統(tǒng)流程優(yōu)化

輻射供冷的結(jié)露位置是輻射板表面，此時室內(nèi)空氣的溫度較高，空氣濕度未達到飽和狀態(tài)。如果能向輻射板表面進行置換送風，不斷輸送低露點空氣，使輻射板表面附近空氣露點低于輻射板表面溫度，則輻射板表面的結(jié)露問題也可解決。因此，將置換通風應(yīng)用于輻射供冷系統(tǒng)除濕應(yīng)該能獲得較好的效果，且相對于將整個房間空氣露點降低來說顯然能耗將大大降低。Zhang等［51］研究了室內(nèi)濕度的變化規(guī)律，指出運行時應(yīng)提前1 h開啟通風系統(tǒng)把室內(nèi)空氣露點溫度降低，然后再開啟冷卻頂板，并嚴格控制吊頂進水溫度高于室內(nèi)空氣露點溫度。郭少朋等［52］通過對置換通風與冷卻頂板房間動態(tài)仿真研究也證實了置換通風系統(tǒng)與冷輻射板聯(lián)合運用時，先運行置換通風系統(tǒng)將輻射板附近空氣露點溫度降到低于頂板設(shè)計溫度，這樣既保證舒適度又能有效防止結(jié)露產(chǎn)生，且置換通風系統(tǒng)可以承擔一部分冷負荷。Kang等［53］研究指出可以適當提高進水溫度進一步防止結(jié)露產(chǎn)生，獨立新風系統(tǒng)送風形式影響室內(nèi)氣流組織分布，進而影響室內(nèi)濕度分布。優(yōu)化送風形式，降低與冷板接觸空氣層的相對濕度能抑制結(jié)露問題的產(chǎn)生。徐來福等［54］提出采用側(cè)送或頂送風的形式，在冷卻頂板表面形成一層干燥的空氣保護層，將冷卻頂板與下部氣流隔開以避免結(jié)露。吳潔［55］則通過模擬研究得出上置送風口的送風方式可使空調(diào)房間氣流更均勻，能更好地避免結(jié)露現(xiàn)象。周根明等［56］通過CFD模擬貼附射流降低冷輻射表面結(jié)露的可能性，貼附射流送風形成干燥的冷空氣層將輻射板與室內(nèi)空氣隔絕，使輻射板平均溫度高于貼附射流送風露點溫度以防止結(jié)露。這些措施雖然一定程度上解決了結(jié)露問題，但是進一步增大了輻射供冷本身初投資昂貴的問題，且額外的系統(tǒng)增加了能耗，這與輻射供冷技術(shù)的節(jié)約能耗初衷相違背。

2.3 控制策略優(yōu)化

2.3.1 控制器

Mumma等［57］指出，盡管設(shè)計時考慮了防結(jié)露，但室內(nèi)濕負荷驟增時，冷卻頂板仍可能結(jié)露，可安裝露點傳感器控制頂板進水溫度使其不低于室內(nèi)空氣露點溫度。唐華等［58］通過設(shè)置房間內(nèi)的濕度傳感器控制水閥來實現(xiàn)防結(jié)露控制，當濕度傳感器阻值在周圍環(huán)境濕度達到90%，當濕度繼續(xù)升至設(shè)定值時，通過自控系統(tǒng)關(guān)閉分水器上的電動水閥，從而達到防結(jié)露效果。

目前，控制器主要來源于國外進口產(chǎn)品，價格因素的制約使其僅在個別防結(jié)露薄弱的房間使用，使得系統(tǒng)的防結(jié)露措施力度不足，處處存在隱患。加大控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化研發(fā)是解決防結(jié)露控制系統(tǒng)一次性投資大的根本措施。

2.3.2 調(diào)節(jié)供水參數(shù)

現(xiàn)有方法對供水流量及供水溫度進行調(diào)節(jié)以降低結(jié)露風險。Jin等［59］通過研究指出，調(diào)節(jié)水溫和調(diào)節(jié)供水流量均可以對輻射板表面溫度產(chǎn)生影響進而起到防結(jié)露的作用。Jin等［60-61］通過實驗研究不同供水溫度及不同供水流量對吊頂輻射冷板的影響，顯示當存在結(jié)露風險時，調(diào)高水溫和關(guān)閉水路可有效防止結(jié)露，但是并未對不同冷運行條件進行研究，后續(xù)有必要進一步研究獲得采取冷凝措施的最佳方法和運行時間。趙羽等［62］對天棚輻射供冷系統(tǒng)供冷性能進行研究，比較定水溫及變水溫兩種調(diào)節(jié)方式，通過采用PID調(diào)節(jié)三通閥中回水的混合比例進而調(diào)節(jié)供水溫度保持在室內(nèi)露點溫度+0.5℃以實現(xiàn)變水溫控制，結(jié)果顯示，變水溫控制可避免結(jié)露。

相比于控制供水流量，調(diào)節(jié)供水溫度效果更優(yōu)，對供冷參數(shù)的調(diào)節(jié)往往對控制系統(tǒng)要求較高，且提高水溫會促使輻射板表面溫度升高，不可避免地造成供冷能力的下降。

3 結(jié)論

本文主要從冷輻射末端供冷能力不足及結(jié)露問題著手，對近年來冷輻射末端的發(fā)展進行文獻研究，多年來，有眾多研究為改善輻射供冷的局限性。針對供冷能力不足的問題，大部分的研究通過增大換熱面積強化換熱以提高供冷能力，而針對結(jié)露問題，或通過附加送風系統(tǒng)對室內(nèi)除濕以防結(jié)露，或通過改善面板結(jié)構(gòu)及管道布局以防結(jié)露，此外，超疏水材料的使用也已成為一個研究熱點，而含內(nèi)置氣隙的冷輻射板也是一種較為有效的辦法，顯示出了極大的潛力。對于未來輻射供冷的研究，提出以下建議：

1）冷輻射末端供冷能力不足的問題依舊存在，在增大換熱面積以強化換熱的同時，可使用較高發(fā)射率的材料制作輻射板或者在輻射表面涂較高發(fā)射率的涂層以強化輻射換熱。

2）在對金屬輻射板傳熱模型的建立中，對于蛇形布局管道的輻射板傳熱模型構(gòu)建往往采用絕熱對稱模型，這在平行布局管道中適用，但在蛇形布局管道中是不準確的，需要進一步對其建模方式進行考量，以使結(jié)果更加準確。

3）結(jié)露問題至今尚未得到較好的解決，目前防結(jié)露措施往往需要添加額外的系統(tǒng)，增加了初投資，將來的研究中希望從輻射板本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手解決防結(jié)露問題。

4）對于超疏水材料需要進一步研究其耐久性與經(jīng)濟性，此外，材料的發(fā)射率需要在供冷末端的設(shè)計中確定。