冷輻射空調結露防控技術研究進展

郭燕玲，杜柯，吉灼輝，楊麗修，吳會軍，3

（1. 廣州大學土木工程學院，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. 廣州大學廣東省建筑節(jié)能與應用技術重點實驗室，廣州 510006）

0 引言

近年來，冷輻射空調系統(tǒng)由于具備節(jié)能、健康、舒適等優(yōu)點引起全世界越來越多的關注。20世紀30年代冷輻射空調開始工程應用，90年代歐洲對輻射供冷技術開展系統(tǒng)研究，2002年美國能源部把輻射空調列為15項重點發(fā)展的節(jié)能空調技術之一［1］，20世紀90年代我國開始引入輻射供冷技術，并對其可行性、舒適性等方面開展了大量的技術研究開發(fā)工作［2-4］。

冷輻射空調系統(tǒng)易結露的特性是削弱輻射供冷能力，制約輻射供冷技術廣泛應用的關鍵問題之一。結露不僅影響輻射板的美觀，還會導致細菌的滋生，影響室內空氣品質。因此本文基于冷輻射空調表面結露防控技術研究進展，提出應用紅外透明薄膜新材料新技術。

1 冷輻射空調表面結露特性研究

當冷輻射板表面溫度低于室內空氣露點溫度時會發(fā)生結露現(xiàn)象，其結露特性對冷輻射空調結露防控技術的研究有很大相關性。Tang等［5］對輻射冷卻板的冷凝進行了一系列研究。實驗結果表明疏水表面是一種很有前途的限制輻射板凝結的新方法。隨后，進行了濕空氣中不同長度的冷輻射板在不同位置上的結露速率實驗［6］。結果表明：在相同的空氣狀態(tài)和表面溫度下，冷輻射天花板上的結露速率比冷輻射地板上的結露速率高3.5倍，比冷輻射墻壁上的結露速率高25%。在此基礎上，對冷輻射空調系統(tǒng)結露風險以及控制策略的基本指標—冷凝水滴離開冷輻射天花板表面的時間進行了理論與實驗研究，分析得出冷凝水質量主要由表面濕潤性決定而受表面溫度影響小，冷凝水離開時間與表觀接觸角成正相關，與過冷度大小成反相關［7］。 Yin等［8］分析對比了金屬、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，緩解了結露問題。

2 冷輻射空調結露防控技術研究

2.1 改進輻射板

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“疏導結露”的輻射板模型，將冷凝水疏導至輻射板的邊緣處集中回收，減小結露影響，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露問題，供冷能力提高有限。李逸姝等［11］設計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，可降低結露風險。張倫等［12］提出一種可強化對流換熱的傾斜輻射板結構。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）設置氣態(tài)隔層

在輻射板與室內空氣間設置氣態(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)學傳熱模型分析計算改進后冷輻射板的供冷能力與防結露水平，計算結果表明設置氣態(tài)隔層可提升冷輻射板表面溫度分布均勻性，水蒸氣均勻凝結于輻射板表面，形成膜狀凝結，有效降低結露風險。該策略較為簡單易行，但具體能達到什么程度的抗結露能力達到仍有待驗證。

3）槽內填充換熱液

溝槽結構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，緩解表面結露。Lv等［14］設計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，試驗結果同樣驗證了這一觀點，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設計并制造了一種中空纖維膜除濕組件，膜對水蒸氣具有高透過性，而對除濕溶液具有致密性，即中空纖維膜作為間接接觸介質，新風和除濕溶液通過膜進行共軛傳質傳熱，在進行空氣除濕的同時還具有較高的制冷能力，但除濕溶液的溫度控制不當仍可能導致結露的發(fā)生。

5）應用調濕建材

調濕建材是一種利用調濕材料對水蒸氣的自動吸放作用調節(jié)室內空氣濕度的建筑墻體材料。鄭樹偉等［16］提出將調濕建材應用于輻射供冷房間，再配合合理的系統(tǒng)設計，可有效解決結露問題。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，還須配合運行監(jiān)控系統(tǒng)，更須注意不能影響室內空氣品質。

6）應用噴涂材料

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，而且不會影響輻射供冷能力。Kong等［17］針對輻射末端表面進行了疏水處理，結果表明超疏水涂層有效減小了水滴直徑，具有明顯的延遲結露作用，但經(jīng)過一段時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)能防冷凝水結露厚涂料及其制備方法，具有保溫隔熱防冷凝水結露作用，當潮濕空氣接觸到一個更冷或更熱表面時，涂料固化后形成網(wǎng)格狀的表面，毛細孔內部結構可使吸收潮氣迅速向空氣釋放，冷凝水更難產(chǎn)生，降低結露可能性。并且該涂料施工快速、裝飾效果好且綜合成本低廉。

2.2 控制室內露點溫度

室內露點溫度的控制可直接在室內放置輔助除濕機組，采用轉輪除濕、溶液除濕等高效除濕方式進行除濕，維持室內露點溫度低于輻射板表面溫度，防止冷輻射空調結露，但此策略還需考慮如何配置才能在不降低系統(tǒng)能效的同時具有技術可行性和經(jīng)濟性；或者通過新風預先通風除濕，冷輻射空調也可與新風送風系統(tǒng)（常見為置換通風、地板送風和貼附射流三種）結合形成復合冷輻射空調系統(tǒng)進行除濕，向房間送入降溫除濕處理過的干燥空氣。

1）新風預先通風除濕。

Zhang等［19］對香港某建筑進行模擬，研究了濕熱氣候下的除濕和通風策略，提出在輻射供冷空調系統(tǒng)啟動1小時開啟通風系統(tǒng)可以有效防止輻射板結露。Ge等［20］基于神經(jīng)網(wǎng)絡預測的方法研究了典型辦公建筑中冷卻天花板的凝結風險和最佳或最短預除濕時間，仿真試驗結果表明，提前運行室外空氣系統(tǒng)的方法是可靠的。以上研究都表明在空調系統(tǒng)間歇運行的情況下，預除濕是防止輻射冷卻表面結露的有效方法。但是，這項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險，因為那里容易吸收室外空氣滲透到建筑物里，因此該策略有一定的局限性。

2）與置換通風相結合的復合冷輻射空調系統(tǒng)

置換通風是通過向室內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溫度，保證地板表面溫度始終高于空氣露點溫度［21］。李紅偉［22］建立了置換通風與地板冷輻射空調房間熱環(huán)境模擬模型，模擬結果表明保證人體熱舒適前提下，置換通風的送風溫度只能低于或者等于室內設計溫度（溫差一般為2～4℃），同時地板表面溫度控制在19～23℃，送風相對濕度控制在50～55%范圍內，地板防結露效果較好。

3）與地板送風相結合的復合冷輻射空調系統(tǒng)

地板送風由于風速大、送風量大而承擔室內更多的冷負荷，可適當提高輻射地板溫度或管道進水溫度以減輕結露現(xiàn)象［23］。王亮等［24］對比研究了下送風與冷輻射復合空調系統(tǒng)的使用性能，結果表明送風氣流在上升過程中不斷卷吸室內的空氣，使得送風口上部的溫度分布很不均勻，在模擬參數(shù)條件下，風速達到0.4 m/s時室內局部人體熱舒適度下降。

4）與貼附射流相結合的復合冷輻射空調系統(tǒng)

貼附射流可以在冷輻射板表面形成一層干燥空氣隔層，阻止室內冷輻射板和熱濕空氣接觸，可有效地避免結露現(xiàn)象的發(fā)生［25］。Kong等［26］研究了某實驗室貼附射流輻射供冷復合空調預除濕、運行及關閉三個階段，實驗結果表明復合空調系統(tǒng)室內舒適度較高，且有效降低輻射冷頂板附近空氣的露點溫度以避免結露，在一定程度上優(yōu)于與置換通風相結合的復合冷輻射空調系統(tǒng)，但同時可能存在冷卻過慢、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)，清除室內污濁空氣的能力較弱，所以會對房間內的空氣品質造成影響。

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、兩者結合控制以及溫濕度傳感器反饋調節(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空氣露點溫度之上，從而降低冷輻射空調結露風險。其中，供水流量控制的基本方法有：雙位開關控制方式（也叫開關控制）和變流量控制方式；供水溫度控制的基本方法有：室外溫度補償調節(jié)方式和室外溫度補償加室內反饋控制方式；水量水溫結合控制的基本方法為室外溫度補償加雙位開關控制。

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結露現(xiàn)象的影響，并對比兩種控制策略優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)將室外溫度補償調節(jié)方式應用于雙位開關控制方法以及脈沖式控制方式應用于雙位開關控制方法都能提高室溫和輻射供冷表面溫度穩(wěn)定性，降低結露可能性。Lim等［28］進行了數(shù)值模擬和實驗測試，研究了韓國某住宅建筑地板冷輻射空調系統(tǒng)的控制方法。結果表明，對于室溫控制方面，室外溫度補償加室內反饋控制系統(tǒng)的水溫控制優(yōu)于水量控制，能有效避免結露。此研究提出初始控制結構，但未對控制策略的具體實施進行研究分析。

Jin等［29］先通過對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，基于水溫調節(jié)和基于開關控制的水量調節(jié)方法可以有效防止結露。之后又研究了不同供水流量調節(jié)［30］以及不同供水溫度［31］調節(jié)對輻射頂板表面溫度變化的動態(tài)影響，其中根據(jù)水量調節(jié)線性回歸分析結果，建議在實際工程應用中，通過關閉開關閥停止冷凍水的供應，增大輻射板表面溫度與室內空氣露點溫度的差值，可明顯降低結露風險。但實驗未在不同的冷卻運行條件下進行研究，未得出防結露策略的最佳方法和開始時間。關于水溫調節(jié)模擬結果發(fā)現(xiàn)，當有結露的危險時，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露問題，還為確定輻射頂棚防結露控制方法和建立最小安全溫差預測模型奠定了基礎。

雖然供水流量控制以及供水溫度控制策略可緩解結露現(xiàn)象，但對系統(tǒng)設計及控制系統(tǒng)的要求較高，增加了整個空調系統(tǒng)的運行負荷，會導致維護工作難度大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

2）濕度開關控制

在空調房間的最不利點安裝相對濕度開關．當有結露危險時，通過濕度開關轉換器轉換為開關信號控制房間水路電動閥門關閉以防止結露。［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，但同時也存在難以確定不利點、無房間溫度參考、影響裝修和維護更換麻煩等的缺陷。

3）溫濕度傳感器反饋調節(jié)控制

在空調房間安裝溫濕度傳感器以計算露點溫度，通過與房間供水管路表面溫度傳感器參數(shù)相比較進而控制房間水閥，限制冷輻射板表面溫度高于室內露點溫度。［32］雖然此控制設計可有效降低結露風險，但是還需考慮人為影響參數(shù)，人員進出及開、關門窗會引起室內濕度波動而造成額外的結露風險，穩(wěn)定性降低，冷輻射空調系統(tǒng)的供冷能力也受限制，未從根本上解決結露問題。

3 紅外透明新材料新技術用于輻射空調防結露

使用紅外透明膜材料隔絕室內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空氣露點溫度，可以在潮濕的環(huán)境中提供顯著的輻射冷卻而不結露，顯著克服了露點溫度對冷輻射空調供冷能力的限制。在實際應用中，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 防止室內結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60年代提出的，后來，王晉生［34］和Teitelbaum［35］等人基于輻射機理，以高長波透射新型薄膜材料為研究對象，進行了類似的研究工作，實驗分析膜材料對結露問題的影響，通過提高輻射空調末端表面溫度可有效防止供冷表面結露和下降氣流問題，并且加薄膜后對輻射換熱影響較小，大幅度地保留了供冷表面原有的輻射換熱量。

Xing等［36］對該方法進行了進一步的理論研究，建立了輻射傳熱模型和室內穩(wěn)態(tài)熱模型，并運用王晉生［34］提供的實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。研究結果表明冷輻射板與材料之間為真空夾層時具有最佳的防結露性能，因為此時該材料對長波透過率很高，溫度受輻射換熱影響很小；在實際應用中，可以將熱傳導和自然對流臨界距離（14mm）視為安裝距離以提高抗結露能力。通過平均紅外輻射特性分析發(fā)現(xiàn)其對冷卻性能影響較大，對紅外透明薄膜溫度影響較小，所以在此方法中只要相對濕度不超過79.2%，就可以無結露運行。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溫度的限制問題。

Teitelbaum等［37］還進行了實驗測試和熱舒適調查問卷工作，證明了運用薄膜輔助輻射冷卻技術，不僅輻射和對流可以分離來調節(jié)舒適度，而且可僅依靠輻射來創(chuàng)造基于現(xiàn)有指標的舒適環(huán)境，可能有助于抑制全球降溫需求預測。Du等［38］主要選用商業(yè)化廉價聚乙烯膜構成雙層紅外透明薄膜，將其覆蓋于輻射冷源表面，對冷輻射空調在無結露條件下的供冷能力進行定量評價。通過建立簡化輻射-對流傳熱模型與縮尺度實驗，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)生結露，且該材料安裝方便，成本低，具有廣闊的工程應用前景。

圖2 不同輻射空調末端表面溫度下供冷能力比較［38］。

4 總結及展望

眾多防控技術策略雖然在降低冷輻射空調結露風險上取得了明顯效果，但由于冷輻射空調供冷能力總是受到露點溫度的限制，對于冷輻射空調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)展新材料新技術推動冷輻射空調技術工程應用。

目前研究成果表明紅外透明薄膜在冷輻射空調的應用中具有在預防結露的同時提升冷輻射空調系統(tǒng)整體供冷能力的潛力。但至今國內外冷輻射系統(tǒng)中基于紅外透明薄膜材料防結露的研究，其理論研究工作多于實驗研究成果，對于已經(jīng)得到理論論證的方法還缺乏實際工程驗證，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、力學和防火性能較差等問題。在未來研究中還需要在實驗研究和工程實踐中不斷完善和改進，并且致力于研發(fā)高性能的高強度紅外透明膜、高氣密性膜、高密封性密封劑或其它新型高性能材料。通過新材料新技術發(fā)展提升冷輻射空調的綜合性能，為防結露工作提供更好的保障，促進冷輻射空調的技術發(fā)展與工程應用，為建筑節(jié)能減排作出應有的貢獻。