輻射供冷空調研究綜述

譚躍龍 鄧文昊 陳 偉 方俊露 岑偉州

南華大學

0 引言

2020年中國建筑節能協會發布了《中國建筑能耗研究報告（2020）》，其中指出2018 年中國建筑能耗占全國能耗總量的46.5%，碳排放占全國碳排放的51.3%[1］。建筑能耗包括建材生產階段、建筑施工階段以及建筑運行階段，其中，建材生產階段與建筑運行階段的能耗和碳排放量最大。由于各種問題的限制，建材生產階段很難降低能耗和減少碳排放量，而建筑運行階段則有著很大的潛力?，F今，空調的作用不僅是要求滿足室內的溫濕度，還應該考慮到能耗和人體舒適性。在過去的幾十年，空調系統在操作上有了很大的進步，為人類提供了很多便利，但在本質運行原理上空調系統并沒有太大變化，仍然采用制冷劑在蒸發器和冷凝器之間循環流動實現熱量交換的方式[2］,并依靠對流熱交換來加熱或冷卻整個房間的空氣。與傳統的對流空調不同，輻射空調主要通過輻射熱交換與室內空間進行熱交換，具有節省空間和降噪的優點[3］。

近年來，輻射供冷系統因其優秀的熱舒適性和節能型，受到越來越多的用戶歡迎。研究表明，輻射供冷系統主要通過熱輻射進行換熱，在舒適條件下，人體按一定比例散發熱量，其中輻射散熱占45%，蒸發散熱占25%，對流散熱占30%[4］。相對于使用對流換熱的傳統空調，輻射供冷系統在能耗和舒適性上都具有優勢[5］。輻射供冷系統技術在中國發展基礎良好，國內外也有許多專家學者對其進行了研究和討論。

1 輻射供冷空調系統的優點及其應用價值

相比于傳統的空氣供冷系統，輻射供冷空調系統具有明顯的優勢。首先，采用低溫熱水作為冷源可以節約大量的能源，減少能源消耗和CO2等溫室氣體的排放。其次，輻射方式傳熱可以避免空氣流動帶來的不適感，從而提高空調的舒適性和健康性。

1.1 節能性及其研究

Bayoumi 以沙特阿拉伯的一所大學的教室為框架進行研究，得出使用混合通風方法，可以使輻射空調通風系統更加節能。通過實驗證實，當將自然氣體和脫濕氣體混合使用時，通風過程中的能耗可以顯著降低[6］。楊偉對輻射空調系統中可利用的幾種節能技術進行了分析，并得出結論：冰蓄冷技術和冷熱電聯供技術并不一定節能。輻射空調新風系統可以與冰蓄冷技術結合，有利于新風除濕和早晨輻射空調系統的啟動。地源熱泵系統需要注意熱平衡問題，而地表水源熱泵系統則需注意水體污染問題[7］。R. Hu 等人基于北京的天氣條件，對輻射冷卻系統建筑進行了分析，并比較了三種不同運行策略的能源消耗和成本。最終，他們得出了OPON 和OPPN 策 略 比OPCN 策 略 更 節 能[8］。Dorit Aviv 等人提出了一種自然通風結合新型薄膜輔助輻射供冷系統，該系統不僅可以增加新鮮空氣的流入量，還可以節省能源[9］。Joaquim Romaní等人對耦合地源熱泵的輻射墻體性能進行了測試，并得出結論：該系統不僅可以降低能耗，還可以轉移峰值負荷和進行夜間預冷[10］。Víctor Echarri-Iribarren等人通過對地中海住宅的輻射地板和使用陶瓷熱板的輻射墻壁進行了年度能源需求和成本效益分析。最終，他們得出結論：輻射地板優于輻射墻壁[11］。Vaibhav Rai Khare 等人的研究表明，PRCS 系統可以有效地滿足熱舒適性的要求，并且與其他輻射冷卻系統結合使用時，可以提供更好的節能效果[12］。Zhengrong Li 等人對輻射冷卻末端裝置進行了能量使用效率和能耗節約的分析，并得出結論：與風機盤管相比，輻射冷卻末端裝置的能耗節約更大，并且輻射供冷系統能夠提高供水溫度，因此，可以利用一些天然可用的熱源，具有良好的經濟意義[13］。Ji-Su Choi 等人提出了在吊頂輻射板的基礎上增加一個機械電風扇的方案。由于風扇成本低廉且增加風扇不會改變建筑的原始結構，這個方案能夠提高輻射板的冷卻能力，同時降低能耗[14］。Rana Veer Pratap Singh 等人對輻射冷卻蓄熱系統的不同運行策略進行了分析，并得出結論：不同的運行策略均可以達到節約能源的目的[15］。杜璟等人使用CFD 對局部輻射空調的節能性和熱舒適性進行了研究。模擬結果顯示，在局部冷輻射空調系統中，與吊頂冷輻射空調系統相比，總換熱量顯著降低，有助于節省空調能耗并減少碳排放[16］。通過對不同的輻射供冷技術和系統進行研究，分析和實驗驗證了它們的能耗、節能性、熱舒適性和經濟意義等方面。這些技術包括改進通風方法、輻射供冷獨立新風系統、冰蓄冷技術、自然通風結合新型薄膜輔助輻射供冷系統、耦合地源熱泵的輻射墻體、輻射地板和使用陶瓷熱板的輻射墻壁等。這些技術在不同情況下具有各自的優缺點，需要根據具體情況選擇最適合的方案。同時，這些技術的應用可以有效地降低能耗、提高經濟效益，具有重要的應用價值和推廣意義。

1.2 舒適性及其研究

Jonathan Grinham 等人提出了一種集成微流體供水回路的輻射板結構，并針對平板、折疊板和之字板三種表面結構進行了實驗和模擬。研究結果表明，折疊板和之字板具有更高的冷卻速率，能夠更快地響應供冷需求，并滿足環境要求[17］。Dorit Aviv 等人通過COVID-19，提出了一種完全輻射冷卻系統結合自然通風的系統方案。該方案可以最多增加100 天的自然通風時間，有助于提高室內空氣質量，減少病毒傳播的風險[18］。Jiying Liu 等人通過數值分析研究了一種新型HRC 系統，并得出結論：相較于傳統的全空氣和CRC 系統，HRC 系統在室內溫度高于正常的熱舒適溫度時，能夠實現更好的熱舒適水平[19］。S. Y. Qin 等人基于人體熱舒適性提出了一個簡化的PMV 模型，通過模擬探討了熱舒適特性、設計和操作參數之間的關系。該模型可為基于專用新風系統的輻射制冷板的設計提供參考[20］。Zhen Tian 等人在蘇州一座辦公樓中，研究了輻射天花板制冷和頂部空氣分布系統對居住者熱舒適性的影響。研究結果表明，采用輻射制冷技術可以有效地減少局部不舒適感，降低垂直溫度差和氣流速度，從而使總體不滿意度和不可接受率顯著降低[21］。Jiying Liu 等人進行了多種不同地板輻射供冷系統的舒適性研究，結果顯示腳和小腿部位的等效溫度值較低，表明該部位的熱舒適度較差。值得注意的是，在所有情況下，整體的等效溫度都屬于較冷但舒適的熱感類別，表明熱舒適度處于可接受的水平[22］。趙羽、江宏玲等學者對天棚輻射供冷系統進行了深入的研究，發現該系統能夠有效滿足建筑物的制冷、供暖需求。實踐表明，天棚輻射供冷系統不僅能夠為建筑物提供舒適的室內環境，而且能夠降低能源消耗，減少對環境的影響，具有重要的經濟和環保意義[23-24］。Jasmin Anika G?rtner 等人認為，為了提高辦公空間的熱舒適性，必須通過設計靈活性來實現這一目標。在此背景下，輻射天花板和地板冷暖系統相較于機械通風更具有前景，成為解決靈活辦公空間的熱舒適性的有效方案[25］。K.Dharmasastha等人在溫暖潮濕地帶的一個實驗室研究了供水溫度和冷卻表面對TAGFRG 系統的影響。研究結果顯示，該系統可以在供水溫度高達18 ℃和20 ℃的情況下，全天保持90%的熱舒適性[26］。Omar A. Ismail 等人進行了熱舒適實驗，評估輻射供冷睡眠艙的性能。研究結果表明，輻射供冷睡眠艙是一項可行的技術。該研究可以進一步擴展，應用于實際中[27］。以上研究成果表明，輻射制冷技術在室內空調領域具有廣泛的應用前景，可以大幅度降低能耗，提高熱舒適性和空氣質量，減少病毒傳播風險等。未來的研究可以集中在兩個方面，即霧霾等空氣污染的凈化和減少病毒傳播。這些問題對于目前的環境和公共衛生等方面都具有重要的意義。

2 輻射供冷空調系統的缺點及其優化

在輻射供冷空調系統運行期間，輻射冷表面會逐漸降溫，直至低于室內空氣的露點溫度，此時水汽開始在表面上凝結，形成露水。這一過程是由于空氣中的水汽在接觸到冷表面時失去了熱量而發生的[28］。然而，冷輻射板結露的出現將會對供冷效率、材料、室內裝修等方面產生不利影響。具體而言，冷輻射板結露將導致供冷效率下降、材料受潮變形腐蝕、室內裝修受損，甚至增加能耗等問題[29］。因此，對于輻射供冷空調系統的設計和運行，必須充分考慮冷輻射板結露問題，采取合理有效的措施加以應對。此外，輻射供冷空調系統的散熱器散熱面積相對較小，而且熱傳導方式也比較特殊，采用輻射傳熱的方式，將會導致散熱速度較慢，從而影響系統的供冷能力。

2.1 防結露研究

針對輻射板表面結露問題，主要有以下四種處理方法：一是將輻射板表面的露珠去除；二是將輻射板易結露表面空氣除濕；三是將輻射板結構優化，改變輻射板換熱過程或是將冷表面與室內濕熱空氣隔開；四是采用運行策略防止結露。

2.1.1 輻射板結露處理

為了應對輻射板結露的問題，可以采取將露珠從冷板表面去除的措施，以減少露珠在表面的停留時間?？紫槔椎热嗽谳椛淅浔砻嫔鲜褂酶呤杷牧希⒃诒砻嬖鲈O槽道來集中收集露水。通過實驗研究，表明該輻射板可以消除結露現象產生的不良影響[30］。殷平等人通過使用相分離技術，將一些商品化的強疏水性材料和強黏性材料，用于對在暖通空調系統中常見的金屬表面進行防凝露處理，并進行防結露實驗分析。結果表明，該方法具有明顯的抗結露效果[31］。Xinghua Wu 等人制備的可噴涂的聚酯-SiO2抗冷凝涂層確實是一種很好的解決方法。這種涂層具有多孔結構，可以抑制冷凝物的形成并促進冷凝物的脫離，從而有效減少冷凝風險[32］。鄭曉光基于激光刻蝕法結合熱處理方法,使有機物吸附于微納米復合粗糙結構制備超疏水表面，其防結露效果表現良好[33］。王山林通過改良天花板，使用超疏水納米涂層在冷表面上防止結露。通過模擬實驗分析，得出該方法具有一定的處理結露的能力[34］。該方案對于防止結露問題具有一定的解決效果。Wanhe Chen 等人制備海泡石基濕度控制涂層。這種涂層采用10%的KCl 溶液處理的海泡石制成，具有很好的吸濕/脫濕特性，可以延長輻射制冷板的表面冷凝時間，從而有效地降低結露的風險[35］。Ziwen Zhong 等人通過在典型室內條件下進行的冷凝實驗，探究了超疏水鋁板表面的抗冷凝能力及其對輻射冷卻面板冷卻性能的影響。實驗結果表明，相比于普通的金屬表面，超疏水表面具有更好的抗冷凝能力，可以有效減少表面冷凝水滴的數量和使水滴縮小。在輻射冷卻面板的應用中，超疏水表面的抗冷凝能力顯著提高了其冷卻效率[36］。李逸姝等人通過改變輻射末端結構，將輻射板豎直安裝，并增設了一個輻射罩來改變輻射方向。同時，豎直安裝的輻射板能夠在結露時自動將水珠收集至溝槽內，使得輻射系統能夠在結露狀態下正常運行，并獲得更大的供冷量[37］。在對輻射冷板表面進行疏水處理外，Haida Tang 等人還提出了一種新型的脈寬調制技術，該技術采用開關電磁閥來控制輻射金屬板的工作狀態，通過在20 min 的恒定通電時間和可調的斷電時間組成的調制周期內，形成輻射表面的冷凝-蒸發循環，以確保在通電期間產生的板面冷凝水完全蒸發[38］。為了去除輻射板上露珠，研究人員采取了多種措施。其中包括在輻射冷表面上使用高疏水材料，豎直放置輻射板自動收集露珠和增設槽道來集中收集露水以及采用脈寬調制技術來形成冷凝-蒸發循環。確實，這些方法都是針對已經結露的輻射板進行處理，通過使用毛細力或蒸發等方法來去除凝露。雖然這些方法可以在一定程度上減輕結露帶來的影響，但并不能從根本上解決結露問題。因為空調系統仍存在結露階段，制冷效果肯定會受到一定的影響。

2.1.2 空氣除濕處理

楊江濤等人在頂板輻射板基礎上加入了機械通風，并模擬了西安市天氣下，室內天花板輻射板在0～3 人的情況下的結露現象。通過分析，得出了在不同人數下以防止結露現象需要加入的通風量[39］。趙明橋和Haiwen Shu 等人提出了在毛細管輻射空調扇中增設新風系統和冷凝盤管，在使用一臺冷水機為除濕冷凝盤提供冷水源的情況下，通過冷凝除濕來防止結露[40-41］。Aliihsan Koca 等提出了冷凝板與輻射冷卻系統串聯的冷卻除濕策略，并對冷凝板除濕性能進行測量，效果較為明顯[42］。Moon Keun Kim 等人通過實驗驗證了一種新型Airbox 冷卻和除濕系統，該系統能夠很好地降低結露風險并提供冷卻空氣[43］。涂敏通過使用溶液除濕的方法來防止輻射板冷表面結露，該方案的效果明顯[44］。蘇蒙等人對輻射供冷和置換通風系統地板進行了數值模擬，并確定了可以通過增大送風量以及控制送風濕度來應對房間內人數增多引起的結露現象[45］。將室內空氣除濕的方法有很多種，包括使用通風、冷凝除濕與溶液除濕以及增大送風量和控制送風濕度等方法。這些方法都能有效地減少結露現象對輻射板的影響，并提高其冷卻效率。但由于增加了其他方面的設備，增加了成本以及能耗?；蚴侨芤撼凉穹椒ǎ湓趯嶋H中很難得到應用。

2.1.3 輻射空調系統結構優化

Yan Wang 等人提出了一種內部帶有翅片換熱器的封閉空腔輻射系統。該系統利用制冷劑直接膨脹方式下的翅片式換熱器，在大面積、大溫差下實現傳熱。該系統不會產生結露問題[46］。Yifan Wu等人提出了一種將集成換熱器和扁平熱管耦合的輻射冷卻終端。該終端僅使用扁平熱管進行顯熱傳遞，并使用熱交換器進行冷卻和除濕[47］。此外，將輻射冷板表面接觸的空氣與室內濕熱空氣隔開也是一個防止輻射冷板結露的方法。周根明等人通過耦合貼附式新風系統與墻壁式輻射板，使輻射冷表面形成一個空氣湖，將室內濕熱空氣隔開以防止結露。實驗表明，該方法防止結露的效果明顯[48］。趙英博等人對不同送風方式下輻射板結露問題進行了研究，并對普通送風和貼附射流進行了模擬實驗。研究總結得出，兩種送風方式都有防止結露的作用。此外，新風貼附射流送風強化了輻射冷板表面與室內的對流換熱，使溫度更高，更加遠離露點溫度。因此，新風貼附射流送風的防結露能力比普通送風更強[49］。Daoming Xing 等人提出了一種紅外透明罩的方案并進行理論研究，建立并驗證了輻射傳熱模型。通過對模型進行性能研究，得出了真空層具有極好的防結露能力[50］。Huijun Wu 等人則通過實驗，在輻射冷板表面與室內空氣間設置多層高透過紅外膜將表面與室內空氣隔開，輻射冷板表面溫度能在低于室內空氣露點溫度下正常運行[51］。

2.1.4 防結露策略研究

Qiang Si等人對一種感應輻射空調系統的運行和冷凝特性進行研究。分析了質量傳遞系數、冷凝溫度和冷凝速率等指標，并收集達到穩態室內熱環境所需的時間。研究發現，在室內熱環境穩態時，輻射感應單元的熱傳遞性能主要受空氣溫度的影響；而在發生冷凝時，空氣流量對冷凝速率的影響更大。因此，保持空氣溫度能更好地保持穩態環境下不結露，而在冷凝條件下，保持主要空氣溫度并調節主要空氣流量，能更快地穩定室內熱環境[52］。Zhang 等人的研究主要針對室內濕度的變化規律，提出在運行時提前1 h 開啟通風系統來降低結露風險[53］。蒲丁端以深圳市一棟辦公建筑作為對象，進行模擬仿真。針對防結露控制滯后的問題，提出了基于露點溫度預測的變風量優化控制策略，其效果良好[54］。朱赤提出一種新型誘導送風與輻射復合空調系統，并針對穩態運行性能及影響因素、防結露效果，以及變工況動態運行與室內環境響應特性等展開理論和實驗研究。結果表明，增大風機風量可以縮短啟動時間，在啟動階段增大風機風量和供水溫度可以解決系統冬季供熱效果差的問題；通過調節風機風量，可以提高系統供熱量與需求量的匹配性,在低負荷工況以純輻射模式供暖，可以降低系統能耗[55］。輻射板結構的優化和防結露策略都是杜絕結露產生，避免結露現象的發生。但防結露策略為了防止結露而降低了供冷量，在供冷方面不如結構優化。

2.2 供冷量研究

近年來，學者們對于輻射板供冷方面的研究可以分為以下兩種類型：首先，研究輻射板供冷量相關因素，包括熱源形式、供水溫度、供水流速等因素，以探究這些因素對輻射板供冷量的影響。其次，研究如何優化輻射板的供冷量，包括改進輻射板結構、改變輻射板表面換熱等方法，以提高輻射板的供冷效率和性能。

2.2.1 供冷量相關研究

Mohammad Hakim Mohd Radzai 等人針對蛇形設計的輻射散熱板，使用CFD 方法進行了性能數值分析研究。通過比較一進一出、兩進兩出和三進三出三種不同管道構型的性能指標，發現兩進兩出結構具有最高的供冷量[56］。Xiaolei Niu等人探究了內部熱源和兩種不同的外部熱源對輻射空調供冷量的影響，并驗證了熱源形式對輻射制冷末端的冷卻能力具有一定影響[57］。葉立飛等人的研究探究了輻射板中換熱盤管的管間距對其換熱性能的影響，并發現在固定尺寸下，采用變管間距排列可以提升冷輻射板的換熱性能[58］。侯波等人采用Fluent軟件對毛細管網頂板進行模擬實驗，得出供水溫度對毛細管供冷量的影響較大，供水流速變化對供冷量的影響很小，輻射板的材料對供冷量存在一定的影響[59］。輻射供冷系統的設計和優化需要考慮多種因素，包括但不限于熱源形式、供水溫度、供水流速、換熱盤管管間距和輻射板材料等。這些因素會對輻射供冷系統的性能產生重要影響，需要在實際應用中進行充分考慮。

2.2.2 供冷量優化

Janusz Wojtkowiak 等人提出了一種波紋表面的輻射板，通過增加換熱面積和提高自然對流能來增強供冷性能[60］。Mi-Su Shin 等人提出了一種開放式結合空氣循環器的供冷系統，其制冷量有較大提高[61］。Baisong Ning 等人提出了三種基于帶稀薄空氣層的輻射板的改造模型，并進行實驗及模擬測試性能，結果表明，供冷性能均有所提升[62］。張順波等人在輻射板內部增加了一個空氣夾層，使得輻射冷表面溫度更加均勻。在不結露的情況下，輻射表面能夠達到更低的平均溫度，從而獲得更高的供冷量[63］。楊繪乾等人提出了一種填充液式吊頂冷輻射板，該設計使輻射板表面均勻性得到提高，板面溫差小，從而提高了供冷量[64］。宗天晴等人提出了一種在輻射空調系統的基礎上耦合一個冷源新風系統的設計。該設計在完全滿足供冷需求的同時，提供了較高的舒適度和空氣質量[65］。Mohamed Mosa 等人在對經典的蛇形流體結構進行改進的基礎上，采用枝狀結構的設計，為冷卻板提供了更大的自由度。在此類結構的支持下，冷卻板的性能得到了顯著的提高，具有更多的冷卻能力和更少的泵送功率。研究還發現，頂篷式設計在這一研究中發揮了非常重要的作用[66］。此外，將板向更緊湊的方向進行演化也是一種提高冷卻能力的有效方式，為新型冷卻系統的設計和優化提供了重要的思路。

3 結論

目前，國內外學者主要通過以下幾種方式對輻射供冷空調系統進行研究：改變輻射板材料和結構，優化供冷的傳熱過程，并進行實驗或模擬以尋找優化策略并驗證可行性；耦合新風系統或除濕系統以及增加收集處理露珠裝置來解決輻射板冷表面結露問題，從而使輻射空調系統能夠在更低的供水溫度下正常運行以獲得更高的供冷量；利用數值模擬或實驗測試研究輻射空調系統中的鋪設位置、鋪設方式、供水參數、環境變量、不同送風方案等對輻射空調系統的供冷量的影響；研究輻射空調系統的節能性，以進一步滿足室內環境的人體熱舒適性需求；深入研究一些特定問題，如輻射板對結露速度的影響因素以及在太陽光直射時對輻射的吸收率和供冷能力的研究等。

盡管經過眾多學者的研究，人們對輻射空調系統的舒適性和節能性已有了很大的認識，但結露仍是輻射空調系統進入市場的一大阻力。目前，人們對結露現象的應對策略仍處于治標不治本的階段，主要通過增加除濕策略或控制供水溫度和供水方案等方式來解決表面結露問題，但這些策略無法從根本上解決輻射板表面結露，仍存在結露風險。因此，筆者建議更深入地研究輻射板表面結露的本質，以根除結露問題。