輻射冷板研究綜述

譚躍龍

南華大學

0 引言

輻射制冷是利用物體向周圍環境輻射能量的方式來使物體降溫的過程，其原理是指兩個溫度不同且互不接觸的物體之間通過電磁波進行的換熱過程。1995年，輻射供冷系統逐漸步入市場。輻射供冷系統有著節約輸配能耗，降低尖峰能耗，提升冷源效率及可再生能源利用的可能性[1］。很多研究人員致力于優化輻射供冷系統，并提出了諸多種類的輻射末端裝置。輻射末端裝置主要為輻射板，其改進空間大，國內外也有許多專家學者對其進行了研究和討論。

1 輻射板的種類

暖通空調系統中的輻射板根據其放置的位置可以分成吊頂輻射板、地板輻射板及墻面輻射板三種。吊頂輻射板是一種將輻射板集成于吊頂之中的輻射末端結構，一般以金屬板面輻射板為主，有較好的換熱性能，但初成本較高，且需要占用一定的層高，在公共設施中使用較為廣泛[2］。地板輻射板目前在我國北方普及，初成本低，但受到人體舒適度影響，幾乎都是輻射供暖，少有輻射供冷[3］。墻面輻射板通常使用毛細管網鋪設于墻內部，后期維護困難，供冷性能一般且毛細管網容易堵塞，墻內部易受到結露風險，實際使用中墻面容易受到物體遮擋，目前少有得到使用[4］。

2 關于結露

2.1 結露現象研究

在輻射供冷空調系統運行期間，輻射冷板表面會逐漸降溫，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[5］。然而，冷輻射板結露的出現將會產生供冷效率不佳、材料損壞、室內裝修受損等方面的不利影響。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[6］。

梁綺禎等人對冷輻射板結露現象進行了研究，重點探討了在輻射板表面溫度開始低于露點溫度后的結露過程。在這項研究中，梁綺禎參考了Feustel等提出的過冷度概念，并將其應用于結露問題的研究中。這項研究為后續關于結露問題的研究提供了一定的指導，通過對過冷度的研究，可以更好地理解和預測結露的發生和發展過程[7-8］。金梧鳳等人根據過冷度概念進一步研究過冷度與結露延遲時間的關系，為后續研究提供一定基礎[9］。崔琛和金梧鳳等人的研究探索了濕度對輻射板結露的影響。崔琛的研究主要關注開關門和窗下改變室內濕度分布對輻射板結露的影響[10］。金梧鳳等人的研究則關注不同人數下散濕量不同對輻射板結露的影響[11］。他發現，人數的增加會增加室內濕度的散發量，導致輻射板更容易結露。他們均得出一定的防結露措施。結露問題對于中國濕熱地區城市的輻射空調系統發展構成了相當的阻礙。為了解決這個問題，深入研究結露機理并探索結露與環境條件之間的關系非常重要。此外，還需要評估結露對輻射板性能的影響，并開發相應的防治措施。這些研究工作將為解決結露問題提供科學依據和技術支持，推動輻射空調系統在濕熱地區的發展。

2.2 輻射板表面超疏水處理

為了應對輻射板結露的問題，部分研究者采取了在輻射板表面疏水、吸濕的措施。孔祥雷，殷平，Ziwen Zhong，鄭曉光，王山林，Xinghua Wu 等人使用疏水材料來防止結露的方式是一種有效的方法。孔祥雷等在輻射冷表面上使用高疏水材料，并在表面增設槽道來集中收集露水[12］。殷平等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[13］。Ziwen Zhong等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大小[14］。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[15］。王山林使用超疏水納米涂層在冷表面上防止結露[16］。Xinghua Wu 等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[17］。除了疏水材料的使用外，Wanhe Chen 等人制備海泡石基濕度控制涂層是另一種應對結露問題的方法。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[18］。雖然在輻射板表面進行疏水、吸濕處理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，這是因為輻射板表面仍然存在結露階段，從而影響了制冷效果。因此，對于結露問題，仍然需要從杜絕結露現象的產生上進行研究。這可能包括改進材料的表面性質、設計更有效的熱交換系統或者采用其他預防結露的措施。進一步的研究和探索將有助于解決結露問題并提高制冷效果。

2.3 輻射板表面空氣處理

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[19］。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[20］。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，使得溫度更高，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。Daoming Xing，Huijun Wu 等人提出的解決方案是在輻射板表面與室內濕熱空氣之間增加一個空間，并使用紅外膜進行隔離。這種方法通過增加空間并使用紅外膜隔離，可以降低輻射板表面的露點溫度，在一定程度上減少結露現象對輻射板的影響，同時保持輻射板的輻射換熱效果。這種方法為解決結露問題提供了一種可行的方案，進一步研究和應用該技術有望提高制冷效果并提升設備的性能。Daoming Xing 等對紅外透明罩輻射板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[21］。Huijun Wu 等則通過實驗，在輻射冷板表面與室內空氣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[22］。在輻射供冷技術中，通過在輻射冷板與室內環境之間增加一個隔層，可以顯著降低結露風險。然而，在實際應用中，樓層的層高等因素可能會對隔層的應用產生影響。為了在實際場景中能夠長期穩定地使用并推廣輻射供冷技術，有必要將隔層的厚度盡量縮小。

通過縮小隔層的厚度，可以減少對樓層空間的占用，并提高輻射供冷技術的適用性。這樣一來，輻射供冷技術可以更廣泛地應用于市場。由于該技術是通過提高隔層內空氣溫度來防止結露，可以考慮使用良好隔熱的材料。

3 輻射板性能相關因素研究

受到結露現象的影響，輻射板的供冷性能也需要增強。為此，許多研究人員開始關注影響輻射板供冷性能的相關因素。

3.1 冷凍水相關研究

Wufeng Jin 等人的研究得出供水溫度的變化對輻射吊頂板的表面溫度影響最大。當供水溫度降低時，室內溫度對輻射吊頂板表面溫度的影響最為顯著。因此在面對結露風險時，降低供水溫度可以有效控制輻射吊頂板的表面溫度[23］。侯波等人采用Fluent 軟件對毛細管網頂板進行模擬實驗，同樣得出供水溫度對毛細管供冷量的影響較大，而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[24］。通過對輻射板供冷量相關因素的研究，可以為后續的研究提供重要的參考和基礎，避免不必要的重復工作。

3.2 熱源研究

除輻射板內冷凍水參數影響外，熱源本身也值得研究。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[25］。Jiang、Tingting 等人的研究將冷凍水替換成制冷劑，獲得了更高的制冷量[26］。Limei Shen 等人對一種新型輻射板TE-RAC 型輻射板進行可行性研究與性能研究，該新型輻射板有進一步研究的價值[27］。 隨后Limei Shen 等人對TE-RAC 型輻射板應用深入研究，得出了部分最優參數，并為后續相關研究提供了新的思路和參考[28］。章文杰等人根據熱電制冷輻射，將其應用于窗戶的研究，通過光伏發電滿足用電需求，實現了窗戶的制冷功能，并且取得了較大的性能提升[29］。這種創新的應用方式不僅為窗戶的功能擴展提供了新思路，還能夠利用太陽能發電來滿足制冷系統的電力需求，提高了系統的能源效率。熱源的選取對輻射供冷技術來說非常重要，不僅影響其供冷性能，還直接關系到節能效果。選擇適合的熱源可以大大降低輻射供冷空調的運行成本，并使其更加節能。熱源的研究應該不僅考慮供冷性能，還需要考慮節能性。

3.3 換熱盤管的影響

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[30］。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。在這種結構的支持下，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[31］。Mohammad Hakim Mohd Radzai 等人針對蛇形設計的輻射散熱板，使用CFD 數值模擬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[32］。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[33］。 Mohamed Mosa 等人對吊頂輻射板的換熱盤管結構進行了研究，以探究其對換熱性能的影響。研究中建立了六種較為常見的換熱盤管，并進行了實驗研究。實驗結果表明，輻射板表面平均溫度主要取決于雷諾數，而不是盤管結構[34］。提高雷諾數是獲取更高供冷量的關鍵方向。這項研究的結果對于優化吊頂輻射板的設計和性能提升具有重要意義。通過理解雷諾數對輻射板的影響，我們可以更好地調整操作參數，以實現更高的供冷效果。

4 輻射板結構優化

Guoquan Lv 等人的研究中，在傳統吊頂輻射板的結構上增加了一個傳熱緩沖部分，并利用傳熱液體填充頂部平板與底部凹槽板之間的空間[35］。這種設計可以實現輻射板表面溫度的均勻分布，提高供冷量的輸出，并且可以根據不同的供冷需求更換傳熱液體。這種設計能夠改善輻射板的供冷效果，并具有一定的靈活性。在楊繪乾等人的研究中，對填充液式輻射板的供冷性能進行了研究，并發現相較于傳統輻射板，填充液式輻射板具有一定的提升[36］。肖凱天等人的研究主要探究填充液式輻射板的蓄冷能力。發現填充液體可以很好地儲存熱能，并且抵抗室內溫度的擾動，從而保持室溫的穩定[37］。綜上所述，Guoquan Lv 和肖凱天等人的研究在傳統吊頂輻射板的結構上進行了改進，以提高其供冷效果和蓄冷能力。然而，填充液體會增加輻射板的質量，導致安裝困難并增加維護成本。為了解決這一問題，可以考慮將輻射板放置在地板或墻壁上，以避免質量過大的問題。這些研究為輻射板的設計和應用提供了新的思路和方法，但仍需進一步研究和優化以解決存在的問題。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[38］。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力來增強供冷性能[39］。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[40］。Xiaosong Su等人基于一種含密封空氣層輻射板建立了計算模型并通過實驗驗證了模型具有一定的科學性[41］，通過模型研究了諸多對換熱性能有影響的因素并給出了一些建議，為后續研究提供了一定參考。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[42］。陳偉等人對一款含密封空氣層冷輻射板的性能進行研究并建立模型模擬計算，均得出該輻射板供冷性能優越[43］。輻射空調供冷量優化是一個有待進一步探討的領域。目前的研究中對于增大輻射板發射率的內容相對較少，然而增大發射率可以提高輻射換熱量，從而提高供冷性能。因此，這是一個有潛力的改進方向。另外，增大輻射角系數也可以增加輻射板的輻射換熱量，為新型冷卻系統的設計和優化提供了重要的思路。通過優化輻射板的材料和結構，可以實現更高的輻射換熱效果，從而提高輻射空調的供冷量和效能。這些改進措施為未來的研究和技術開發提供了重要的方向。

5 相變材料應用

將相變材料應用于輻射板的夾層位置是一種新的發現，可以進一步改善輻射板的性能和解決結露問題。相變材料具有特殊的熱物性，能在特定溫度范圍內吸收或釋放大量的熱量。通過在輻射板夾層位置使用相變材料，利用相變材料的熱吸收和釋放效應來調節輻射板表面的溫度，從而降低結露的可能性。Dragos-Ioan Bogatu 和張群力等人的研究探索了相變材料在輻射板中的應用，并發現相變材料輻射板可以滿足房間全天的供冷需求[44-45］。古家安等人采用數值模擬的方法分析了相變材料厚度、導熱系數、相變溫度、相變潛熱對室內空氣溫度、輻射供冷板制冷能力，以及相變材料熔化傳熱特性的影響[46］。這項研究為后續輻射板研究提供了一定的指導方向。夏燚等人在輻射板夾層位置放置了兩層相變材料分別用于供冷與供熱，集成為供冷供熱輻射板，節約了成本[47］。通過將相變材料集成到輻射板中，利用其儲熱和釋熱的特性，實現房間的持續供冷效果。這種基于相變材料的輻射板在夜間低負荷時儲存冷量，在白天高負荷時釋放冷量，從而實現全天的供冷需求。轉移了白天的用電峰值，減輕用電負荷，為后續輻射板研究方向提供了啟示。未來可以進一步深入探究相變材料輻射板的性能優化、材料選擇、系統設計等方面，此外，還可以考慮相變材料與其他換熱技術的結合，以進一步提升輻射板的供冷效果，并探索其在其他領域的應用潛力。基于相變材料與熱電輻射技術，Yong-Kwon Kang 等人提出了相變材料一體化熱電輻射板的概念，并進行了實驗性能分析和系統設計探討[48］。根據他們的研究，選擇6～8 mm的相變材料（Phase Change Material, PCM）層厚度是一個很好的選擇。這意味著在設計熱電輻射板時，使用6～8 mm 的PCM 層可以達到較好的效果。對后續的研究提供了一定的指導。相變材料的研究具有巨大的潛力，首先它有助于轉移并降低用電峰值，從而減緩了供電壓力，其次相變材料可以調節輻射板表面的溫度，降低結露的可能性。因此，將相變材料應用于輻射供冷方向具有重要意義，并且未來可以進一步研究不同的相變材料，并與其他技術相結合，實現更多應用。

6 結論

目前，國內外學者主要通過以下幾種方式對輻射冷板進行研究：

1）研究結露現象，從根本上尋找解決結露問題的方法。

2）將疏水類材料應用于輻射冷板表面以及增加收集處理露珠裝置來降低結露風險。

3）耦合新風系統或除濕系統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。

4）改變輻射冷板表面的空氣環境來降低結露風險。

5）對冷凍水參數研究尋找對輻射冷板性能的影響關系。

6）通過更改熱源研究對輻射冷板的影響。

7）利用數值模擬或實驗測試研究換熱盤管的布置。

8）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。

9）將相變材料應用于輻射冷板是一個值得研究的內容。該項技術能夠減緩用電壓力，降低結露風險，還可以與其他研究結合，有著很大的研究潛力。

通過閱讀眾多學者的研究，筆者認為在輻射板表面進行的防結露技術很大程度上治標不治本。針對改善室內空氣品質問題，可以增加除濕處理。未來的輻射板研究應當傾向于對輻射板結構的深入研究，空氣層、紅外透膜以及相變材料就是很好的研究方向。熱源的研究需要更多地貼合實際，輻射板的研究不應當局限于制冷效果，需要同時考慮其節能方面的優勢。