輻射供冷空調系統防結露研究綜述

陳宏剛 曹小杰 郝夢麗 陳九法

1 中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司

2 東南大學能源與環境學院

相比于傳統的空調系統，輻射供冷空調系統以其更舒適、節能且運行安靜美觀等優點逐漸受到人們的青睞[1-3]，但系統易結露以及單位面積換熱量不足等問題阻礙其進一步的推廣和應用[4-6]。因此，防止輻射供冷空調末端結露的研究對于該系統的推廣應用具有重要意義。本文將以輻射供冷空調系統的防結露研究為出發點，對影響系統結露的因素與現有防結露技術的研究進行總結，并對現有防結露技術進行評價，根據綜述結果，提出目前研究中亟待解決的問題，為輻射供冷空調系統防結露的進一步研究提供參考方向。

1 結露機理

結露是濕空氣中的水蒸氣液化析出的過程。理論上在一定溫度下，水蒸氣分壓力達到了當前空氣溫度下水蒸氣飽和分壓力是，水蒸氣就會凝結成液態水滴，在輻射末端上的表現就是結露現象。結露的原因有以下兩種[7]：

1）水蒸氣分壓力不變時，不飽和濕空氣受到冷卻，溫度降低，此時濕空氣中的水蒸氣飽和分壓力降低，直至達到水蒸氣飽和時的溫度即濕空氣的露點溫度，此時濕空氣中的水蒸氣開始析出。在輻射供冷空調系統中這種情況出現的原因是室內熱環境不變時輻射板溫度降低，多發生在輻射供冷空調系統剛啟用階段。

2）室內溫度不變時，空氣中的水蒸氣含量增加，水蒸氣分壓力升高直至到飽和，即相對濕度達到 100%時，濕空氣中的水蒸氣開始液化。在輻射供冷空調系統中這種情況出現的原因是空調參數運行穩定的室內濕源強度突然增大，例如室內人員數量增加、開啟門窗等情況。

2 防結露技術研究

2.1 供水控制

在輻射供冷空調系統設計時，選用適宜的供水溫度或供回水溫差，使得輻射板表面的溫度高于相應空調房間的露點溫度，來達到避免結露的目的。但當室內濕負荷較高時，要求的供水溫度就較高，此控制方法的缺點是限制了輻射板的供冷量。L im J.H 等[8]對居住建筑的地板輻射供冷系統的運行控制方式進行模擬與實驗研究，指出水溫控制優于流量控制，為了防止結露，可通過露點溫度控制水溫。

毛磊等[9]研究了頂板輻射供冷與新風聯合系統的輻射頂板的熱力學性質，結果表明，將供水溫度控制在適當范圍內就可以有效控制輻射板不發生結露。

趙羽等[10]采用 TRNSYS 軟件對輻射板加獨立新風系統進行了模擬研究，探討定水溫和變水溫控制對結露現象的發生頻率的影響，結果表明，變水溫控制方式可有效降低結露風險。

袁玉潔[11]等人從控制機理的角度研究了輻射供冷空調系統的防結露措施，并研究了新風對系統防結露控制的作用和效果，最后提出輻射供冷加新風符合系統中提高供水溫度是防止輻射供冷空調系統結露的有利措施。

Mumma[12]在研究中指出即使工程設計時考慮了結露可能性，但當室內濕負荷突然增加時，冷卻頂板仍可能結露，提出可以通過安裝傳感器監測露點溫度值控制輻射板進水溫度高于室內空氣露點溫度的方式防止結露發生。

Simmonds[13]在研究中指出應該優先采用控制冷卻頂板進水溫度的方法控制輻射頂板表面溫度。

Lim Jae-Han[14]研究了混凝土地板輻射供冷的防結露控制，通過不同的防結露控制方式對比分析，結果表明：供水溫度的調節方式比供水流量的調節方式能更好的控制室內溫度。研究還提出防結露控制的主要方式為根據室內空氣的露點溫度調節系統的供水溫度，在房間末端可以通過供水開關調節防止結露。

2.2 獨立送風除濕

1）地板送風

地板送風是利用地板送風口送出的具有一定速度的射流去卷吸房間下部污濁空氣，混合后的氣流從房間上部的排風口排出[15]。送風溫度可以低于置換通風，因此系統所承擔的冷負荷大于置換通風。

王亮等[16]研究了輻射供冷與下送風復合空調系統的使用性能，結果表明，在風速，送風溫度和風口尺寸等參數設置相同時，地面送風使工作區的風速達到了0.4 m/s，容易造成人體的不適。

2）貼附射流

貼附射流的送風口位于房間上部，由于房間上部的射流區和下部的回流區之間的靜壓差的作用射流只能貼附于天花板表面流動，并在近墻處下降，在射流區下部不斷卷吸室內污濁空氣，再由對面墻壁上接近頂板的回風口排出[15]。

李念平等[17]通過實驗小室進行對比實驗，研究貼附射流與輻射冷頂板空調系統復合后防止輻射冷頂板結露的效果，結果表明復合系統可由有效降低輻射冷板附近空氣的露點溫度，防止輻射冷頂板結露，且不影響制冷性能。

Corgnati[18]運用模擬的方法研究輻射供冷空調系統配合不同送風方式使用進行研究，結果表明輻射吊頂供冷空調在與貼服射流送風方式組合使用時能在輻射板周圍形成一層空氣層，由于該空氣層溫度和濕度都較低從而可以有效降低結露的風險。

雷會玉等[19]研究發現當輻射供冷空調系統配合貼服射流的送風方式時，在房間頂板下方貼附空氣層，該空氣層溫度和濕度均相對較低，有效隔開了室內濕空氣與輻射頂板的接觸，可以有效的防止結露的發生。

于志浩等[20]通過對毛細管輻射吊頂與置換通風、貼附射流兩種送風方式耦合的供冷性能研究，結果表明，兩種負荷空調系統都滿足舒適性要求，但輻射頂板與貼附射流耦合的供冷能力相對較高。

3）置換送風

置換通風的新風從房間的下部以較低的速度送出并沿地面擴散開來，在地面上形成潔凈空氣湖，當接觸到熱源后卷吸污濁空氣上升，由房間上部的排風口排出[15]。置換通風由于其送風溫度和送風速度的限制，室內的垂直溫差較大，置換通風的最大制冷能力為30～40 W/m2。在置換通風與輻射供冷復合系統中，送風可以承擔一部分室內的冷負荷，從而提高了該系統的供冷能力。室外高濕的空氣經過除濕冷卻處理后，被送入房間，可以解決人員的衛生需求，同時降低室內的濕度，降低輻射板結露的危險性。

康志強等[21]分析了冷輻射表面的結露原因，研究了置換通風對輻射供冷空調的影響，結果表明置換通風與輻射供冷相結合不僅可優化空氣品質，更能解決結露問題。

錢佳瑋等[22]采用數值分析方法，分別對單獨采用置換通風，頂板輻射供冷和兩者復合情況下的室內熱環境進行了研究，結果表明采用置換通風加頂板輻射供冷復合系統的舒適性最好，冷板表面結露的可能性更小。

吳長風等[23]人以衡陽某辦公樓輻射吊頂加獨立新風空調系統為對象，建立模型對系統啟動過程進行了研究，研究結果表明同時開啟新風系統和輻射板系統會使吊頂發生結露，因此系統需要提前進行除濕，通過長期運行模擬，得到夏季最佳預除濕時間為 50 min左右。

采用預先通風除濕的方案雖然能解決系統啟動初期的結露問題，但預先通風除濕的時間缺少具體有效的數值參考。室內空氣預先通風除濕的時間與供冷房間的啟動濕負荷有關，輻射板表面設計溫度的提高，有利于減小啟動濕負荷，但相應也會降低輻射供冷的能力。而且地板/吊頂輻射供冷的能力本身就較小，輻射板表面設計溫度的提高只會加劇供冷量不足的問題。

2.3 優化輻射板參數

Anna Werner[24]是通過對具有不同表面特性的小型玻璃樣本的凝聚樣品初步對比進行研究。實驗是在瑞典烏普薩拉城市的一個晴朗的夜晚，觀察水在三種商品玻璃樣本（無涂層的，涂有 TiO2的和涂有 SnO2的）表面上的凝結情況。結果表明，具有低輻射涂層的玻璃片上的抗凝結效果比其它兩種要好。在早上，能夠透過涂有 TiO2涂層的玻璃片上的水層看到玻璃片的另一面，而另外兩種仍然很模糊。涂有 TiO2涂層的玻璃片不能防止結露，但視線透過水層較容易。這些簡單實驗顯示不同材料表面的明顯區別。

西安建筑科技大學的劉艷峰針對冷暖兩用輻射地面的結露問題，通過分析室內露點溫度與地板表面溫度、埋地盤管外壁面溫度之間的關系，指出了冷暖兩用輻射地面的結露機理，并對不同室內、外界環境和地板結構條件計算后，得出此類地板表面及內部不結露條件指出采用密排盤管、薄填充層的地板結構，利于防止地板內部結露，當地板盤管管徑為 20 mm，管間距為 200 mm，冷熱負荷比為 1.5 時，不同室內露點溫度和填充層厚度條件下，地板內部結露曲線如圖1 所示[25]。當地板盤管管徑為 20 mm，填充層厚度為50 mm，冷熱負荷比為 1.5 時，不同室內露點溫度和盤管間距條件下，地板內部結露曲線如圖2 所示。

圖1 不同室內露點溫度和填充層厚度地板內部結露曲線

圖2 不同室內露點溫度和盤管間距地板內部結露曲線

Yin 等[26]人通過實驗，對輻射板結構的傳熱進行了研究，研究了不同過冷度下不同材料和結構的輻射供冷空調系統輻射板表面的結露情況。

Tang 等[27]人研究了輻射供冷空調系統采用金屬表面時結露的形成過程，對比了沒有經過處理的表面和疏水表面的結露特性差異。

Fauchoux [28]研究一種新型輻射板對輻射供冷空調防結露的作用，這類輻射板不僅能進行熱量傳遞還能進行濕量傳遞，結果表明這類新型輻射板能夠有效防止輻射供冷空調系統結露的發生。

2.4 自控方式

張東亮等 [29]將預測控制應用于頂棚輻射結合下送風供冷系統，以室內空氣溫度，濕度和作用溫度為被控量，以系統能耗指標EI 與熱舒適指標 PMV-PPD 作為控制目標，以頂棚表面防結露為控制約束，基于頂棚輻射結合下送風供冷系統熱濕傳遞模型，進行模型預測控制器開發與應用，并將其控制性能與 PID 控制性能進行試驗比較，結果表明，與 PID 控制相比，模型預測控制的熱舒適指標PMV-PPD 降至熱舒適范圍所需時間更少，對設定值的響應更快，控制更穩定，實驗期間，模型預測控制的系統能耗指標EI 比PID 控制降低了13.93%。因此，模型預測控制在保證熱舒適的同時提升了系統的節能性，具有更大的優越性。

3 結論

制約輻射空調系統推廣的主要原因就是結露問題。傳統的研究認為，當輻射板表面的溫度比室內空氣露點溫度低時就會發生結露，因此實際工程中輻射板表面溫度設定始終比室內露點溫度高，但同時也嚴重限制了輻射空調的制冷能力，尤其是實際應用過程中，結露并非瞬間產生，需要輻射板溫度比室內露點溫度低的超過一定范圍，且熱量傳遞需要一段時間，因此對輻射空調系統防結露的優化對于輻射空調系統的推廣具有重要意義[30]。

通過對輻射制冷系統防結露研究綜述發現，可以得出結論：優化輻射制冷系統防結露問題可以從空氣預除濕，溫度控制，優化氣流組織和優化輻射板參數等方面著手，同時對以后的研究方向提出了展望：

1）控制末端供水溫度方式更優于控制供水流量，但是會限制輻射板的供冷能力，且對控制系統要求較高，加大維護難度。其中通過溫濕度傳感器的反饋調節供水溫度在一定上可以緩解結露問題，但是人員進出及開關門等不可因素較多，反饋不及時，影響系統穩定性。學者可以從人員數量增加和開啟門窗兩方面著手研究響應的防結露控制策略。

2）通過與新風系統復合可以有效解決輻射板結露問題，但是會增加輻射空調系統整體的設計難度，而且會增加新風系統承擔的冷負荷，相對減少了輻射供冷負荷，體現不出輻射供冷系統節能效益，因此輻射板空調系統與新風系統的運行控制策略也具有一定的研究價值。

3）輻射板表面溫度低于貼附層空氣露點溫度時結露不會立即發生，而是需要一定的過冷度和延遲時間結露才會發生，目前相關的研究匱乏，因此對過冷度和延遲時間研究對推廣輻射制冷空調系統也具有重大意義。