輻射制冷系統防結露措施研究

粟燁嶺，張燦

安徽三聯學院電子電氣工程學院，安徽 合肥230601；中能建城市投資發展有限公司合肥事業部，安徽 合肥230601

傳統的分體式空調由于吹風感、空調機運行噪聲及溫度場不均勻會導致舒適度降低，輻射空調在舒適度和節能性方面具有明顯的優勢。輻射空調的冷水溫度較高，可以使用高溫冷水或自然低溫水直接供冷，大大提高設備的COP，降低設備的能源消耗，且房間的熱舒適度較高。輻射空調系統在使用過程中，容易出現結露現象，造成墻面發霉、涂料脫落等。另外，凝結水會在輻射板上形成一層薄薄的水膜，影響制冷系統的正常制冷，長時間還會造成輻射板的腐蝕和霉變。同時，結露也會導致細菌、真菌等微生物的繁殖，對室內環境造成一定的影響，嚴重時還會形成“辦公室雨”。輻射空調系統在夏天供冷時產生的結露是制約該系統推廣使用的最大障礙，因此研究輻射制冷系統的防結露措施至關重要。

1 項目來源

合肥某住宅小區按照綠色三星級建筑標準進行設計，在運行期推行綠色物業管理和節能運行體系，實現對綠色建筑從設計到施工到運行的全程控制。

項目所有住宅均為精裝修，有效實現了土建和裝修一體化的設計與施工，避免了裝修時對已有建筑構件的破壞，提高了施工質量，減少了材料浪費，同時保證了戶（間）內隔墻、樓板的良好隔聲性能。項目均采用“地源熱泵系統集中空調+置換新風系統+天棚輻射末端+排放熱回收”空調供暖系統，保證室內的高舒適度；采用空氣源熱水系統，充分利用可再生能源；采用2 級以上高效節水器具，在提高品質的同時，降低運營階段的水資源消耗；采用電動調節外遮陽系統，節能降耗的同時提升戶內采光舒適性。同時，在場地內設置雨水收集裝置，將雨水經過濾消毒處理后用于綠化澆灑、道路沖洗、洗車等，有效提高水資源利用率并順應海綿城市建設要求；地庫設計CO 濃度監控系統，提升地庫空氣品質。并且，項目采用了BIM 技術，提升設計和施工效率。該項目因地制宜地采用多項綠色建筑技術措施，在行業內樹立了綠色建筑的新標桿。

由于采用天棚輻射系統，受合肥地區氣候特點和住戶使用習慣影響，項目不可避免地會產生結露問題，故必須進行輻射制冷系統防結露措施研究，若能妥善解決結露問題，則可以更有效地發揮綠色科技住宅的優勢。

2 輻射系統的構成

2.1 輻射空調系統的發展

傳統的空調系統是對溫濕度進行統一處理，“吹風感”大，噪聲大，不能滿足人們對舒適度的高要求。毛細管輻射與置換式換氣空調系統，可以實現對室內溫、濕度的單獨控制，解決室內的濕度與空氣質量問題。作為一種節能、舒適的空調系統，毛細管輻射空調系統近年來受到廣泛關注［1］。

在冬季供水溫度約32℃、夏季供水溫度約18℃時，毛細管輻射空調系統即可實現較好的供暖與制冷效果。該空調系統可直接或間接地使用太陽能、地熱、工業余熱以及其他低等級的能量，以節省礦物燃料能源，減少廢氣和廢物排放。因此，毛細管輻射空調系統是一種節能型的空調系統，對緩解我國城市霧霾問題具有重要意義，也是節能減排、發展綠色建筑的重要途徑和方法。

與常規空調相比，毛細管輻射空調具有以下優勢。一是舒適度高。以輻射換熱為主，室內溫度均勻，噪聲小。二是易維護。通常不會有漏水的問題，若其漏水，可以采用熱熔連接的方法進行維修。三是安裝方便。毛細管輻射板的厚度薄，而且毛細管可以被布置成各種造型，輻射板荷載很低，容易與室內裝飾結合在一起，在室內地面、墻壁或天花板上都可以安裝，不會影響建筑裝修的美觀。四是高效節能。毛細管系統的熱輻射面積非常大，冬季可以保持室內在20—24℃左右，夏季可以保持室內在22—28℃左右，更重要的是還可以結合可再生能源，實現節能環保效益。五是綠色環保。原材料的生產制造，通過相關的質量檢驗，可以在預期的使用壽命里安全使用，采用的材料不僅衛生環保，而且沒有毒性，可以循環利用，降低對環境的破壞。

2.2 輻射空調系統的構成

輻射空調系統的基本組成包括冷熱源主機、置換新風系統、末端系統等。冷熱源主機一般采用集中式的地源熱泵主機或空氣源熱泵主機，提供合適溫度的冷熱水。置換新風系統是輻射空調系統正常運行的一個重要組成部分，能夠保證空調房間合理的濕度，從而防止輻射板的表面產生結露，同時提供室內需要的新風，滿足室內對空氣品質的要求。輻射空調系統的末端系統的主要構成有金屬輻射頂板、天棚管和毛細管輻射管席。輻射空調系統的構成原理如圖1 所示。

圖1 輻射空調系統的構成原理

天棚供暖與制冷系統是一種新型的室內空氣調節系統，包括室內混凝土樓板頂棚供暖與制冷、置換新風、熱工性能好的外墻保溫與節能技術。天棚輻射供暖制冷與新風空調系統是將PB盤管鋪設在屋頂水泥樓板內，利用載體的持續循環，對上部混凝土樓面進行加熱或冷卻，同時提供適當的新鮮空氣。夏季，系統將18℃的冷水埋入混凝土中的聚丁烯螺旋管，使樓板降溫，吸收室內熱量，保持室內的舒適溫度，使其恒溫；冬季，聚丁烯螺旋管內的熱水供水溫度達到35℃，并將熱量輻射到室內。這種低溫差輻射模式具有比空氣對流更高的供熱、制冷效率。它的輻射換熱形式沒有其他空調形式的空氣對流帶來的吹風不適感，室內的溫度也比較均勻，從而創造一個較好的熱濕環境［2］。

2.3 輻射供冷系統存在的問題

為滿足使用者對新鮮空氣的需要，置換新風系統是輻射系統的必要條件，本系統設置新風空調處理系統，對送入室內的新風進行冷卻除濕或預熱加濕，實現室內恒溫恒濕目的。但是室外空氣進入室內空調房間，容易引起天花板和地面結露。室內結露的產生容易引發霉變，既影響美觀，還滋生細菌，嚴重影響人們的健康生活。

3 輻射制冷系統結露的機理研究

3.1 結露的成因

結露指物體表面溫度低于附近空氣露點溫度時表面出現冷凝水的現象，是客觀存在的一種氣候學現象。某一溫度下，水蒸氣達到了水蒸氣分壓飽和狀態時，就會釋放出熱量，從而形成水露。在潮濕的非飽和氣體中，如果物體空隙部位、表面、內部的溫度都比空氣要低，則會使周圍空氣中的水蒸氣發生結露。水蒸氣的凝固可分為兩種：珠狀凝固和膜狀凝固。熱空氣在與輻射冷板的壁面接觸時，形成了一種不完全的珠狀凝固，它是一種介于珠狀和薄膜狀兩種形式之間的新型凝固形式。

輻射冷板的供水溫度太低，以及室溫太高，都是導致輻射板面結露的主要因素。在實際中，室內空氣濕度突然增加，超出空調系統的設計狀態，就會導致輻射冷板結露。因此，在合理的設計條件下，應加強對系統運行期的防結露控制。Tang et al. 實驗結果顯示，當冷頂板的過冷度低于3℃時，從結露到形成水滴所需時間在10h 以上［3］?？梢娊Y露過程極其緩慢，只要系統控制合理有效，就可以避免結露的產生。

3.2 防結露的機理

輻射冷板防結露控制理論可從以下兩方面考慮。

第一，當室內控制目標一定，即室內設計溫度及相對濕度一定時，可從約束輻射冷板表面溫度著手。冷板表面溫度必須高于室內空氣露點溫度以保證冷板表面不結露［4］。表1 是不同相對濕度下對應的露點溫度。

表1 不同相對濕度下對應的露點溫度

從表中可以看出，隨著相對濕度的增加，露點溫度不斷升高。要使輻射冷板表面不結露，輻射冷板的溫度必須大于露點溫度。當濕度足夠大時，輻射冷板的溫度已經很高，無法達到降低室內溫度的目的。因此通過控制輻射冷板溫度高于露點溫度的方法是可行的，但具有限制輻射冷板供冷量的缺點。

第二，在輻射冷板的供水溫度不變的情況下，可以從控制室內的環境參數入手。當室內空氣的干球溫度是固定的，且冷板的表面溫度是恒定的時候，相對濕度小于臨界結露的相對濕度就不會發生結露。表2 為17℃下冷板的最終結露相對濕度。

表2 冷板表面為 17 ℃時的極限結露相對濕度

從表2 中可以看出，當輻射冷板表面溫度恒定時，隨著干球溫度的升高，為了保證輻射冷板表面不結露，室內空氣相對濕度必須小于臨界結露的相對濕度。室內空氣相對濕度越低，所需消耗的能量就越多，而且相對濕度過低影響人體熱舒適性。因此降低室內空氣相對濕度，使其低于臨界結露的相對濕度的方法不可取。

綜上所述，輻射冷板的防結露宜采用控制輻射冷板表面溫度的方法，且輻射冷板表面溫度必須高于空氣露點溫度。

4 輻射制冷系統運行管理過程中的防結露措施

4.1 改變空調系統溫度

Miriel et al. 利用TRNSYS 軟件，對采用毛細管輻射空調系統的空調房間的舒適度及能量消耗進行了模擬分析，得出為避免出現結露現象，輻射頂板下表面的最低溫度為17℃的結論［5］。近年來，國內外學者也紛紛提出了空調系統溫度、濕度的智能化控制措施。我們在室內設置溫度探測器，檢測到溫度與空調室內露點溫度相近時，調整屋頂下表面的溫度，以達到超過空氣露點溫度的目的。表3 中列出了需要監測的空調室節點。

表3 空調房間監控節點

為防止出現結露，按上述方法配置露點檢測器，在毛細管輻射空調供水端口前端安裝兩個電磁閥，并與露點檢測器聯動。在檢測到空調室內溫度到達臨界溫度時，報警器報警，并關閉毛細管輻射空調送水端口前端的兩個電磁閥，使冷源停止對毛細管網絡進行冷卻，使毛細管頂部的溫度上升，警報消失后，閥門重新開啟，重新進入正常的給水狀態。毛細管式空調露點溫度調節系統的結構如圖2 所示。

圖2 毛細管式空調露點溫度調節系統

我們采用數值模擬的方法計算了空調室內的溫度分布，發現在頂板下側2.8m 附近，采用上送風口的形式，可以更好地控制室內的空氣流動，從而防止結露現象的產生。對露點溫度探測器的具體安裝方法進行詳細的分析并實驗后發現，這種檢測器采用正三角形布置，既滿足了技術規范的要求，又比正方形的重復檢測面積小，并且具有更強的經濟性。毛細管輻射空調的供水水溫不應低于毛細管輻射空調供水的設計標準，而毛細管輻射空調供水水溫的設計標準定為露點溫度加0.5℃是安全可靠的。另外，由于供水的溫度越高，制冷量就越低，在26—28℃的溫度，40%—60%的相對濕度下，露點溫度在17.5—19.5℃之間，所以可以設定供水水溫在18—21℃之間。

4.2 利用改變供冷量措施防結露

毛細管輻射供冷技術雖然具有良好的舒適度和節能效果，但由于室外空氣濕度大，輻射壁表面的露點溫度高，墻體易結露；要獲得足夠的制冷量必須降低供水溫度，但結露現象會變嚴重?？梢?，地面輻射供冷的核心是供冷量與結露的博弈。供冷量受室外氣溫和供水溫度的雙重影響，結露與地面露點溫度和地面溫度有關，地面溫度分布不均，會造成地面結露面積不均勻。根據此原理，應利用改變供冷量及除濕的措施，均衡室溫和結露問題。

4.3 風機盤管聯合應用防結露

采用輻射式冷卻系統和風機盤管進行預冷除濕，將17℃左右的低溫冷凍水送入風機盤管，除去室內的潛熱和局部顯熱，然后輸送到毛細管中，使空氣中的濕度逐步上升，平均相對濕度為70%，輻射地面供冷供水的水溫在12℃以上。在此條件下，地面基本不會結露，室溫保持在24.6—26.5℃，相對濕度保持在60%—78%。

理論上，為了防止輻射頂板的結露，可在1h內開啟換氣系統。置換通風系統可以將新鮮的空氣引入到空調房中，使室內的氣流速度加快。實際發生結露現象，不僅是由于室內的濕度比較高，還有一個重要的原因是室內的空氣不流通，而使用強化換氣設備就可以有效減少結露的出現。在采用毛細管式輻射空調與置換通風的空調系統中，置換式的通風換氣設備主要承擔室內的濕負荷，而空調房內的顯熱負荷由毛細管輻射頂板和置換通風裝置送至室內的新風共同承擔。毛細管輻射空調與換氣系統組合的結構如圖3 所示。

圖3 毛細管輻射空調與換氣系統組合結構

在露點溫度傳感器檢測到的溫度與空調室內露點溫度相近時，必須調整其輻射板表面的溫度，以達到防結露的目的。

4.4 設置空氣夾層防結露

針對毛細管輻射空調系統存在的結露問題，采用了在輻射板上涂覆憎水膜，并在憎水薄膜和毛細管輻射板之間加一層空氣夾層的方法。張順波等對輻射板建立傳熱模型并進行實驗測試，通過改變空氣夾層的厚度優化輻射板的相關性能，既提高了制冷能力，又具有較好的防結露能力［6］。但改進后的輻射板的防結露能力是否可靠還有待進一步驗證。通過對多個項目調研發現，設置空氣夾層防結露的方法技術目前還不夠成熟，在實際工程的輻射空調系統中應用為零，不適宜大規模推廣使用。

4.5 低導熱的裝飾面板材料防結露

一般房間采用輻射頂板和頂板送風的方式，最易結露的位置在離地面2.8m 處。輻射板在結露時的傳質系數與Sh 數、Ra 數有關，當過冷溫度為5℃，輻射板、輻射墻、輻射吊頂的傳質系數分別為1.22mm/s、3.35mm/s、4.15mm/s 時，冷吊頂更容易結露，其凝結速度是輻射地板的3.5 倍，是冷墻壁的1.25 倍［7］。恒溫恒濕室中，冷水溫度在16℃以上時，毛細管不結露，而在15℃以下時，則出現結露現象，傳熱性能迅速提高，這主要是由于露水與管道的接觸熱阻小于空氣［8］。因此，采用輻射板供冷可以較好地降低結露產生。

結露現象產生必須要滿足凝結的兩個條件：一是要有形成臨界半徑的凝結核心，二是要滿足一定的過冷度［9］。輻射板表面發生結露時，首先出現凝結水滴的地方就是輻射板面上的細小縫隙或凹陷的小孔。當輻射板面無裂縫且平整光滑時，只有當溫度更低即過冷度更高的時候才會產生結露現象。因為輻射板表面的粗糙程度對凝結核心的數目和其分布規律有直接影響：當輻射板材料相對比較光滑時，發生結露初期所需要的凝結核心就不容易形成；當材料的導熱系數高時，輻射板面溫度會進一步降低，此時會加劇結露現象的發生。

從表4 中可以看出，橡木材料的導熱系數最小，在其他條件均相一致的前提下，輻射板表面溫度均比其他兩種材料的輻射板表面溫度要高。因此降低材料的導熱系數可以提高輻射板表面溫度，發生結露的風險就更低。輻射空調系統在去除室內顯熱負荷時，通過適當增加供水溫度，減少供水流量，并使用導熱性小的裝飾面板，可避免出現結露。

表4 不同材質的輻射板表面溫度

4.6 輻射頂板下表面超疏水處理防結露

研究發現，蚊子復眼表面是由微小的納米尺度眼和納米尺度乳突組成，也就是微納的復合結構，在低溫、高濕度條件下具有良好的抗霧性能。采用該結構制造的材料，可以有效地延緩霧的產生［10］。冷凝作用對微納復合組織的表面效應至今尚無定論，有研究發現：在高濕、低溫條件下，荷葉表面的凸起會穿透露珠的基部，使其與表面的黏附力增加，而微納復合材料表面在空氣濕度低于60%時仍然維持超疏水狀態；另外，在高濕度條件下，盡管表面在冷凝作用下會喪失其超疏水性，但在干燥后仍能恢復其超疏水性［11-12］。以上結果表明，超疏水性的表面可以防結露，這種防結露對制冷系統等的防露和防腐蝕有很大的作用。根據涂料的防結露原理與制備技術，將其分為兩類：一類是通過添加多孔礦物材料實現；另一類是通過添加改性樹脂實現。

多孔礦物材料中有許多相互連接的中孔或小孔，這些孔隙可以有效地吸收水蒸氣，從而實現涂料的防結露。目前，已應用的多孔礦物有沸石、硅藻土、膨脹蛭石、膨脹珍珠石等。除此之外，材料的用量、樹脂的粒徑、涂層厚度等相關因素都會直接影響涂料的防結露效果。特別是涂層的厚度，對防水涂料的抗結露性能起決定性的作用，涂層的厚度越大，防水涂料的抗結露作用就越強［13］。

5 結論

目前最成熟的防結露措施是控制輻射板表面溫度高于環境露點溫度。應加大露點控制系統的研發，加速推動輻射空調系統的應用。由于輻射空調供冷能力總受露點溫度的限制，對輻射制冷系統綜合性能提升還需開展更進一步的研究工作，如通過發展新材料、新技術推動制冷輻射空調技術工程的應用。