輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)防結(jié)露研究綜述

陳宏剛 曹小杰 郝夢(mèng)麗 陳九法

1 中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司

2 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

相比于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)以其更舒適、節(jié)能且運(yùn)行安靜美觀等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到人們的青睞[1-3]，但系統(tǒng)易結(jié)露以及單位面積換熱量不足等問(wèn)題阻礙其進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用[4-6]。因此，防止輻射供冷空調(diào)末端結(jié)露的研究對(duì)于該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有重要意義。本文將以輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)的防結(jié)露研究為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)影響系統(tǒng)結(jié)露的因素與現(xiàn)有防結(jié)露技術(shù)的研究進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)現(xiàn)有防結(jié)露技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)綜述結(jié)果，提出目前研究中亟待解決的問(wèn)題，為輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)防結(jié)露的進(jìn)一步研究提供參考方向。

1 結(jié)露機(jī)理

結(jié)露是濕空氣中的水蒸氣液化析出的過(guò)程。理論上在一定溫度下，水蒸氣分壓力達(dá)到了當(dāng)前空氣溫度下水蒸氣飽和分壓力是，水蒸氣就會(huì)凝結(jié)成液態(tài)水滴，在輻射末端上的表現(xiàn)就是結(jié)露現(xiàn)象。結(jié)露的原因有以下兩種[7]：

1）水蒸氣分壓力不變時(shí)，不飽和濕空氣受到冷卻，溫度降低，此時(shí)濕空氣中的水蒸氣飽和分壓力降低，直至達(dá)到水蒸氣飽和時(shí)的溫度即濕空氣的露點(diǎn)溫度，此時(shí)濕空氣中的水蒸氣開(kāi)始析出。在輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)中這種情況出現(xiàn)的原因是室內(nèi)熱環(huán)境不變時(shí)輻射板溫度降低，多發(fā)生在輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)剛啟用階段。

2）室內(nèi)溫度不變時(shí)，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(duì)濕度達(dá)到 100%時(shí)，濕空氣中的水蒸氣開(kāi)始液化。在輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)中這種情況出現(xiàn)的原因是空調(diào)參數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定的室內(nèi)濕源強(qiáng)度突然增大，例如室內(nèi)人員數(shù)量增加、開(kāi)啟門(mén)窗等情況。

2 防結(jié)露技術(shù)研究

2.1 供水控制

在輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(yīng)空調(diào)房間的露點(diǎn)溫度，來(lái)達(dá)到避免結(jié)露的目的。但當(dāng)室內(nèi)濕負(fù)荷較高時(shí)，要求的供水溫度就較高，此控制方法的缺點(diǎn)是限制了輻射板的供冷量。L im J.H 等[8]對(duì)居住建筑的地板輻射供冷系統(tǒng)的運(yùn)行控制方式進(jìn)行模擬與實(shí)驗(yàn)研究，指出水溫控制優(yōu)于流量控制，為了防止結(jié)露，可通過(guò)露點(diǎn)溫度控制水溫。

毛磊等[9]研究了頂板輻射供冷與新風(fēng)聯(lián)合系統(tǒng)的輻射頂板的熱力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明，將供水溫度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)就可以有效控制輻射板不發(fā)生結(jié)露。

趙羽等[10]采用 TRNSYS 軟件對(duì)輻射板加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，探討定水溫和變水溫控制對(duì)結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生頻率的影響，結(jié)果表明，變水溫控制方式可有效降低結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。

袁玉潔[11]等人從控制機(jī)理的角度研究了輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)的防結(jié)露措施，并研究了新風(fēng)對(duì)系統(tǒng)防結(jié)露控制的作用和效果，最后提出輻射供冷加新風(fēng)符合系統(tǒng)中提高供水溫度是防止輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)結(jié)露的有利措施。

Mumma[12]在研究中指出即使工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮了結(jié)露可能性，但當(dāng)室內(nèi)濕負(fù)荷突然增加時(shí)，冷卻頂板仍可能結(jié)露，提出可以通過(guò)安裝傳感器監(jiān)測(cè)露點(diǎn)溫度值控制輻射板進(jìn)水溫度高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度的方式防止結(jié)露發(fā)生。

Simmonds[13]在研究中指出應(yīng)該優(yōu)先采用控制冷卻頂板進(jìn)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(jié)露控制，通過(guò)不同的防結(jié)露控制方式對(duì)比分析，結(jié)果表明：供水溫度的調(diào)節(jié)方式比供水流量的調(diào)節(jié)方式能更好的控制室內(nèi)溫度。研究還提出防結(jié)露控制的主要方式為根據(jù)室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水溫度，在房間末端可以通過(guò)供水開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)防止結(jié)露。

2.2 獨(dú)立送風(fēng)除濕

1）地板送風(fēng)

地板送風(fēng)是利用地板送風(fēng)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(fēng)口排出[15]。送風(fēng)溫度可以低于置換通風(fēng)，因此系統(tǒng)所承擔(dān)的冷負(fù)荷大于置換通風(fēng)。

王亮等[16]研究了輻射供冷與下送風(fēng)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的使用性能，結(jié)果表明，在風(fēng)速，送風(fēng)溫度和風(fēng)口尺寸等參數(shù)設(shè)置相同時(shí)，地面送風(fēng)使工作區(qū)的風(fēng)速達(dá)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(fēng)口位于房間上部，由于房間上部的射流區(qū)和下部的回流區(qū)之間的靜壓差的作用射流只能貼附于天花板表面流動(dòng)，并在近墻處下降，在射流區(qū)下部不斷卷吸室內(nèi)污濁空氣，再由對(duì)面墻壁上接近頂板的回風(fēng)口排出[15]。

李念平等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)小室進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究貼附射流與輻射冷頂板空調(diào)系統(tǒng)復(fù)合后防止輻射冷頂板結(jié)露的效果，結(jié)果表明復(fù)合系統(tǒng)可由有效降低輻射冷板附近空氣的露點(diǎn)溫度，防止輻射冷頂板結(jié)露，且不影響制冷性能。

Corgnati[18]運(yùn)用模擬的方法研究輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)配合不同送風(fēng)方式使用進(jìn)行研究，結(jié)果表明輻射吊頂供冷空調(diào)在與貼服射流送風(fēng)方式組合使用時(shí)能在輻射板周?chē)纬梢粚涌諝鈱?，由于該空氣層溫度和濕度都較低從而可以有效降低結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)。

雷會(huì)玉等[19]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)配合貼服射流的送風(fēng)方式時(shí)，在房間頂板下方貼附空氣層，該空氣層溫度和濕度均相對(duì)較低，有效隔開(kāi)了室內(nèi)濕空氣與輻射頂板的接觸，可以有效的防止結(jié)露的發(fā)生。

于志浩等[20]通過(guò)對(duì)毛細(xì)管輻射吊頂與置換通風(fēng)、貼附射流兩種送風(fēng)方式耦合的供冷性能研究，結(jié)果表明，兩種負(fù)荷空調(diào)系統(tǒng)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(duì)較高。

3）置換送風(fēng)

置換通風(fēng)的新風(fēng)從房間的下部以較低的速度送出并沿地面擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，在地面上形成潔凈空氣湖，當(dāng)接觸到熱源后卷吸污濁空氣上升，由房間上部的排風(fēng)口排出[15]。置換通風(fēng)由于其送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度的限制，室內(nèi)的垂直溫差較大，置換通風(fēng)的最大制冷能力為30～40 W/m2。在置換通風(fēng)與輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)中，送風(fēng)可以承擔(dān)一部分室內(nèi)的冷負(fù)荷，從而提高了該系統(tǒng)的供冷能力。室外高濕的空氣經(jīng)過(guò)除濕冷卻處理后，被送入房間，可以解決人員的衛(wèi)生需求，同時(shí)降低室內(nèi)的濕度，降低輻射板結(jié)露的危險(xiǎn)性。

康志強(qiáng)等[21]分析了冷輻射表面的結(jié)露原因，研究了置換通風(fēng)對(duì)輻射供冷空調(diào)的影響，結(jié)果表明置換通風(fēng)與輻射供冷相結(jié)合不僅可優(yōu)化空氣品質(zhì)，更能解決結(jié)露問(wèn)題。

錢(qián)佳瑋等[22]采用數(shù)值分析方法，分別對(duì)單獨(dú)采用置換通風(fēng)，頂板輻射供冷和兩者復(fù)合情況下的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了研究，結(jié)果表明采用置換通風(fēng)加頂板輻射供冷復(fù)合系統(tǒng)的舒適性最好，冷板表面結(jié)露的可能性更小。

吳長(zhǎng)風(fēng)等[23]人以衡陽(yáng)某辦公樓輻射吊頂加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為對(duì)象，建立模型對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明同時(shí)開(kāi)啟新風(fēng)系統(tǒng)和輻射板系統(tǒng)會(huì)使吊頂發(fā)生結(jié)露，因此系統(tǒng)需要提前進(jìn)行除濕，通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行模擬，得到夏季最佳預(yù)除濕時(shí)間為 50 min左右。

采用預(yù)先通風(fēng)除濕的方案雖然能解決系統(tǒng)啟動(dòng)初期的結(jié)露問(wèn)題，但預(yù)先通風(fēng)除濕的時(shí)間缺少具體有效的數(shù)值參考。室內(nèi)空氣預(yù)先通風(fēng)除濕的時(shí)間與供冷房間的啟動(dòng)濕負(fù)荷有關(guān)，輻射板表面設(shè)計(jì)溫度的提高，有利于減小啟動(dòng)濕負(fù)荷，但相應(yīng)也會(huì)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(shè)計(jì)溫度的提高只會(huì)加劇供冷量不足的問(wèn)題。

2.3 優(yōu)化輻射板參數(shù)

Anna Werner[24]是通過(guò)對(duì)具有不同表面特性的小型玻璃樣本的凝聚樣品初步對(duì)比進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)是在瑞典烏普薩拉城市的一個(gè)晴朗的夜晚，觀察水在三種商品玻璃樣本（無(wú)涂層的，涂有 TiO2的和涂有 SnO2的）表面上的凝結(jié)情況。結(jié)果表明，具有低輻射涂層的玻璃片上的抗凝結(jié)效果比其它兩種要好。在早上，能夠透過(guò)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(jié)露，但視線透過(guò)水層較容易。這些簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)顯示不同材料表面的明顯區(qū)別。

西安建筑科技大學(xué)的劉艷峰針對(duì)冷暖兩用輻射地面的結(jié)露問(wèn)題，通過(guò)分析室內(nèi)露點(diǎn)溫度與地板表面溫度、埋地盤(pán)管外壁面溫度之間的關(guān)系，指出了冷暖兩用輻射地面的結(jié)露機(jī)理，并對(duì)不同室內(nèi)、外界環(huán)境和地板結(jié)構(gòu)條件計(jì)算后，得出此類(lèi)地板表面及內(nèi)部不結(jié)露條件指出采用密排盤(pán)管、薄填充層的地板結(jié)構(gòu)，利于防止地板內(nèi)部結(jié)露，當(dāng)?shù)匕灞P(pán)管管徑為 20 mm，管間距為 200 mm，冷熱負(fù)荷比為 1.5 時(shí)，不同室內(nèi)露點(diǎn)溫度和填充層厚度條件下，地板內(nèi)部結(jié)露曲線如圖1 所示[25]。當(dāng)?shù)匕灞P(pán)管管徑為 20 mm，填充層厚度為50 mm，冷熱負(fù)荷比為 1.5 時(shí)，不同室內(nèi)露點(diǎn)溫度和盤(pán)管間距條件下，地板內(nèi)部結(jié)露曲線如圖2 所示。

圖1 不同室內(nèi)露點(diǎn)溫度和填充層厚度地板內(nèi)部結(jié)露曲線

圖2 不同室內(nèi)露點(diǎn)溫度和盤(pán)管間距地板內(nèi)部結(jié)露曲線

Yin 等[26]人通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)輻射板結(jié)構(gòu)的傳熱進(jìn)行了研究，研究了不同過(guò)冷度下不同材料和結(jié)構(gòu)的輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)輻射板表面的結(jié)露情況。

Tang 等[27]人研究了輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)采用金屬表面時(shí)結(jié)露的形成過(guò)程，對(duì)比了沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的表面和疏水表面的結(jié)露特性差異。

Fauchoux [28]研究一種新型輻射板對(duì)輻射供冷空調(diào)防結(jié)露的作用，這類(lèi)輻射板不僅能進(jìn)行熱量傳遞還能進(jìn)行濕量傳遞，結(jié)果表明這類(lèi)新型輻射板能夠有效防止輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)結(jié)露的發(fā)生。

2.4 自控方式

張東亮等 [29]將預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)供冷系統(tǒng)，以室內(nèi)空氣溫度，濕度和作用溫度為被控量，以系統(tǒng)能耗指標(biāo)EI 與熱舒適指標(biāo) PMV-PPD 作為控制目標(biāo)，以頂棚表面防結(jié)露為控制約束，基于頂棚輻射結(jié)合下送風(fēng)供冷系統(tǒng)熱濕傳遞模型，進(jìn)行模型預(yù)測(cè)控制器開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，并將其控制性能與 PID 控制性能進(jìn)行試驗(yàn)比較，結(jié)果表明，與 PID 控制相比，模型預(yù)測(cè)控制的熱舒適指標(biāo)PMV-PPD 降至熱舒適范圍所需時(shí)間更少，對(duì)設(shè)定值的響應(yīng)更快，控制更穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)期間，模型預(yù)測(cè)控制的系統(tǒng)能耗指標(biāo)EI 比PID 控制降低了13.93%。因此，模型預(yù)測(cè)控制在保證熱舒適的同時(shí)提升了系統(tǒng)的節(jié)能性，具有更大的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

制約輻射空調(diào)系統(tǒng)推廣的主要原因就是結(jié)露問(wèn)題。傳統(tǒng)的研究認(rèn)為，當(dāng)輻射板表面的溫度比室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度低時(shí)就會(huì)發(fā)生結(jié)露，因此實(shí)際工程中輻射板表面溫度設(shè)定始終比室內(nèi)露點(diǎn)溫度高，但同時(shí)也嚴(yán)重限制了輻射空調(diào)的制冷能力，尤其是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，結(jié)露并非瞬間產(chǎn)生，需要輻射板溫度比室內(nèi)露點(diǎn)溫度低的超過(guò)一定范圍，且熱量傳遞需要一段時(shí)間，因此對(duì)輻射空調(diào)系統(tǒng)防結(jié)露的優(yōu)化對(duì)于輻射空調(diào)系統(tǒng)的推廣具有重要意義[30]。

通過(guò)對(duì)輻射制冷系統(tǒng)防結(jié)露研究綜述發(fā)現(xiàn)，可以得出結(jié)論：優(yōu)化輻射制冷系統(tǒng)防結(jié)露問(wèn)題可以從空氣預(yù)除濕，溫度控制，優(yōu)化氣流組織和優(yōu)化輻射板參數(shù)等方面著手，同時(shí)對(duì)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(yōu)于控制供水流量，但是會(huì)限制輻射板的供冷能力，且對(duì)控制系統(tǒng)要求較高，加大維護(hù)難度。其中通過(guò)溫濕度傳感器的反饋調(diào)節(jié)供水溫度在一定上可以緩解結(jié)露問(wèn)題，但是人員進(jìn)出及開(kāi)關(guān)門(mén)等不可因素較多，反饋不及時(shí)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。學(xué)者可以從人員數(shù)量增加和開(kāi)啟門(mén)窗兩方面著手研究響應(yīng)的防結(jié)露控制策略。

2）通過(guò)與新風(fēng)系統(tǒng)復(fù)合可以有效解決輻射板結(jié)露問(wèn)題，但是會(huì)增加輻射空調(diào)系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)難度，而且會(huì)增加新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)的冷負(fù)荷，相對(duì)減少了輻射供冷負(fù)荷，體現(xiàn)不出輻射供冷系統(tǒng)節(jié)能效益，因此輻射板空調(diào)系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略也具有一定的研究?jī)r(jià)值。

3）輻射板表面溫度低于貼附層空氣露點(diǎn)溫度時(shí)結(jié)露不會(huì)立即發(fā)生，而是需要一定的過(guò)冷度和延遲時(shí)間結(jié)露才會(huì)發(fā)生，目前相關(guān)的研究匱乏，因此對(duì)過(guò)冷度和延遲時(shí)間研究對(duì)推廣輻射制冷空調(diào)系統(tǒng)也具有重大意義。