輻射冷板研究綜述

譚躍龍

南華大學(xué)

0 引言

輻射制冷是利用物體向周圍環(huán)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(tǒng)逐漸步入市場。輻射供冷系統(tǒng)有著節(jié)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(yōu)化輻射供冷系統(tǒng)，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(nèi)外也有許多專家學(xué)者對其進行了研究和討論。

1 輻射板的種類

暖通空調(diào)系統(tǒng)中的輻射板根據(jù)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(wǎng)鋪設(shè)于墻內(nèi)部，后期維護困難，供冷性能一般且毛細管網(wǎng)容易堵塞，墻內(nèi)部易受到結(jié)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(guān)于結(jié)露

2.1 結(jié)露現(xiàn)象研究

在輻射供冷空調(diào)系統(tǒng)運行期間，輻射冷板表面會逐漸降溫，直至低于室內(nèi)空氣的露點溫度，此時水汽開始在表面上凝結(jié)，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(fā)生的[5］。然而，冷輻射板結(jié)露的出現(xiàn)將會產(chǎn)生供冷效率不佳、材料損壞、室內(nèi)裝修受損等方面的不利影響。具體而言，冷輻射板結(jié)露將導(dǎo)致供冷效率下降、材料受潮變形腐蝕、室內(nèi)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(jié)露現(xiàn)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(jié)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(yīng)用于結(jié)露問題的研究中。這項研究為后續(xù)關(guān)于結(jié)露問題的研究提供了一定的指導(dǎo)，通過對過冷度的研究，可以更好地理解和預(yù)測結(jié)露的發(fā)生和發(fā)展過程[7-8］。金梧鳳等人根據(jù)過冷度概念進一步研究過冷度與結(jié)露延遲時間的關(guān)系，為后續(xù)研究提供一定基礎(chǔ)[9］。崔琛和金梧鳳等人的研究探索了濕度對輻射板結(jié)露的影響。崔琛的研究主要關(guān)注開關(guān)門和窗下改變室內(nèi)濕度分布對輻射板結(jié)露的影響[10］。金梧鳳等人的研究則關(guān)注不同人數(shù)下散濕量不同對輻射板結(jié)露的影響[11］。他發(fā)現(xiàn)，人數(shù)的增加會增加室內(nèi)濕度的散發(fā)量，導(dǎo)致輻射板更容易結(jié)露。他們均得出一定的防結(jié)露措施。結(jié)露問題對于中國濕熱地區(qū)城市的輻射空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展構(gòu)成了相當?shù)淖璧K。為了解決這個問題，深入研究結(jié)露機理并探索結(jié)露與環(huán)境條件之間的關(guān)系非常重要。此外，還需要評估結(jié)露對輻射板性能的影響，并開發(fā)相應(yīng)的防治措施。這些研究工作將為解決結(jié)露問題提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，推動輻射空調(diào)系統(tǒng)在濕熱地區(qū)的發(fā)展。

2.2 輻射板表面超疏水處理

為了應(yīng)對輻射板結(jié)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?？紫槔?，殷平，Ziwen Zhong，鄭曉光，王山林，Xinghua Wu 等人使用疏水材料來防止結(jié)露的方式是一種有效的方法?？紫槔椎仍谳椛淅浔砻嫔鲜褂酶呤杷牧?，并在表面增設(shè)槽道來集中收集露水[12］。殷平等通過使用相分離技術(shù)，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(diào)系統(tǒng)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(nèi)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(jié)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(shù)量和大小[14］。鄭曉光基于激光刻蝕法結(jié)合熱處理方法,使有機物吸附于微納米復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)制備超疏水表面，其防結(jié)露效果表現(xiàn)良好[15］。王山林使用超疏水納米涂層在冷表面上防止結(jié)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(jié)構(gòu)，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(yīng)對結(jié)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(jié)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(jié)露帶來的影響，但并不能從根本上解決結(jié)露問題，這是因為輻射板表面仍然存在結(jié)露階段，從而影響了制冷效果。因此，對于結(jié)露問題，仍然需要從杜絕結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生上進行研究。這可能包括改進材料的表面性質(zhì)、設(shè)計更有效的熱交換系統(tǒng)或者采用其他預(yù)防結(jié)露的措施。進一步的研究和探索將有助于解決結(jié)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(nèi)濕熱空氣隔開也是一個防止輻射冷板結(jié)露的方法。周根明等人通過耦合貼附式新風系統(tǒng)與墻壁式輻射板，使輻射冷表面形成一個空氣湖，將室內(nèi)濕熱空氣隔開以防止結(jié)露。實驗表明，該方法防止結(jié)露的效果明顯[19］。趙英博等人對不同送風方式下輻射板結(jié)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(jié)得出，兩種送風方式都有防止結(jié)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(jié)露現(xiàn)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(jié)露問題提供了一種可行的方案，進一步研究和應(yīng)用該技術(shù)有望提高制冷效果并提升設(shè)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(jié)露能力[21］。Huijun Wu 等則通過實驗，在輻射冷板表面與室內(nèi)空氣設(shè)置多層高透過紅外膜將表面與室內(nèi)空氣隔開，輻射冷板表面溫度能在低于室內(nèi)空氣露點溫度下正常運行[22］。在輻射供冷技術(shù)中，通過在輻射冷板與室內(nèi)環(huán)境之間增加一個隔層，可以顯著降低結(jié)露風險。然而，在實際應(yīng)用中，樓層的層高等因素可能會對隔層的應(yīng)用產(chǎn)生影響。為了在實際場景中能夠長期穩(wěn)定地使用并推廣輻射供冷技術(shù)，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(shù)的適用性。這樣一來，輻射供冷技術(shù)可以更廣泛地應(yīng)用于市場。由于該技術(shù)是通過提高隔層內(nèi)空氣溫度來防止結(jié)露，可以考慮使用良好隔熱的材料。

3 輻射板性能相關(guān)因素研究

受到結(jié)露現(xiàn)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(guān)注影響輻射板供冷性能的相關(guān)因素。

3.1 冷凍水相關(guān)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(nèi)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(jié)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(wǎng)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(guān)因素的研究，可以為后續(xù)的研究提供重要的參考和基礎(chǔ)，避免不必要的重復(fù)工作。

3.2 熱源研究

除輻射板內(nèi)冷凍水參數(shù)影響外，熱源本身也值得研究。Xiaolei Niu 等人探究了內(nèi)部熱源和兩種不同的外部熱源對輻射空調(diào)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(yīng)用深入研究，得出了部分最優(yōu)參數(shù)，并為后續(xù)相關(guān)研究提供了新的思路和參考[28］。章文杰等人根據(jù)熱電制冷輻射，將其應(yīng)用于窗戶的研究，通過光伏發(fā)電滿足用電需求，實現(xiàn)了窗戶的制冷功能，并且取得了較大的性能提升[29］。這種創(chuàng)新的應(yīng)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(fā)電來滿足制冷系統(tǒng)的電力需求，提高了系統(tǒng)的能源效率。熱源的選取對輻射供冷技術(shù)來說非常重要，不僅影響其供冷性能，還直接關(guān)系到節(jié)能效果。選擇適合的熱源可以大大降低輻射供冷空調(diào)的運行成本，并使其更加節(jié)能。熱源的研究應(yīng)該不僅考慮供冷性能，還需要考慮節(jié)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(fā)現(xiàn)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(jīng)典的蛇形流體結(jié)構(gòu)進行改進的基礎(chǔ)上，采用枝狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為冷卻板提供了更大的自由度。在這種結(jié)構(gòu)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(shè)計的輻射散熱板，使用CFD 數(shù)值模擬方法進行了性能數(shù)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(gòu)型的性能指標，發(fā)現(xiàn)兩進兩出結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，并針對平板、折疊板和之字板三種表面結(jié)構(gòu)進行了實驗和模擬。研究結(jié)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(yīng)供冷需求，并滿足環(huán)境要求[33］。 Mohamed Mosa 等人對吊頂輻射板的換熱盤管結(jié)構(gòu)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(jié)果表明，輻射板表面平均溫度主要取決于雷諾數(shù)，而不是盤管結(jié)構(gòu)[34］。提高雷諾數(shù)是獲取更高供冷量的關(guān)鍵方向。這項研究的結(jié)果對于優(yōu)化吊頂輻射板的設(shè)計和性能提升具有重要意義。通過理解雷諾數(shù)對輻射板的影響，我們可以更好地調(diào)整操作參數(shù)，以實現(xiàn)更高的供冷效果。

4 輻射板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Guoquan Lv 等人的研究中，在傳統(tǒng)吊頂輻射板的結(jié)構(gòu)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(shè)計可以實現(xiàn)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(jù)不同的供冷需求更換傳熱液體。這種設(shè)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(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)填充液體可以很好地儲存熱能，并且抵抗室內(nèi)溫度的擾動，從而保持室溫的穩(wěn)定[37］。綜上所述，Guoquan Lv 和肖凱天等人的研究在傳統(tǒng)吊頂輻射板的結(jié)構(gòu)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(zhì)量，導(dǎo)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(zhì)量過大的問題。這些研究為輻射板的設(shè)計和應(yīng)用提供了新的思路和方法，但仍需進一步研究和優(yōu)化以解決存在的問題。李逸姝等人通過改變輻射末端結(jié)構(gòu)，將輻射板豎直安裝，并增設(shè)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(jié)露時自動將水珠收集至溝槽內(nèi)，使得輻射系統(tǒng)能夠在結(jié)露狀態(tài)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(jié)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(xué)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(xù)研究提供了一定參考。張順波等人在輻射板內(nèi)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(jié)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(yōu)越[43］。輻射空調(diào)供冷量優(yōu)化是一個有待進一步探討的領(lǐng)域。目前的研究中對于增大輻射板發(fā)射率的內(nèi)容相對較少，然而增大發(fā)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(shù)也可以增加輻射板的輻射換熱量，為新型冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的思路。通過優(yōu)化輻射板的材料和結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)更高的輻射換熱效果，從而提高輻射空調(diào)的供冷量和效能。這些改進措施為未來的研究和技術(shù)開發(fā)提供了重要的方向。

5 相變材料應(yīng)用

將相變材料應(yīng)用于輻射板的夾層位置是一種新的發(fā)現(xiàn)，可以進一步改善輻射板的性能和解決結(jié)露問題。相變材料具有特殊的熱物性，能在特定溫度范圍內(nèi)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(yīng)來調(diào)節(jié)輻射板表面的溫度，從而降低結(jié)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(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)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(shù)值模擬的方法分析了相變材料厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、相變溫度、相變潛熱對室內(nèi)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(xù)輻射板研究提供了一定的指導(dǎo)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(jié)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(xiàn)房間的持續(xù)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(xiàn)全天的供冷需求。轉(zhuǎn)移了白天的用電峰值，減輕用電負荷，為后續(xù)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(yōu)化、材料選擇、系統(tǒng)設(shè)計等方面，此外，還可以考慮相變材料與其他換熱技術(shù)的結(jié)合，以進一步提升輻射板的供冷效果，并探索其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛力?；谙嘧儾牧吓c熱電輻射技術(shù)，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(tǒng)設(shè)計探討[48］。根據(jù)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(shè)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(xù)的研究提供了一定的指導(dǎo)。相變材料的研究具有巨大的潛力，首先它有助于轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)輻射板表面的溫度，降低結(jié)露的可能性。因此，將相變材料應(yīng)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(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)更多應(yīng)用。

6 結(jié)論

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過以下幾種方式對輻射冷板進行研究：

1）研究結(jié)露現(xiàn)象，從根本上尋找解決結(jié)露問題的方法。

2）將疏水類材料應(yīng)用于輻射冷板表面以及增加收集處理露珠裝置來降低結(jié)露風險。

3）耦合新風系統(tǒng)或除濕系統(tǒng)來解決輻射板冷表面結(jié)露問題，從而使輻射空調(diào)系統(tǒng)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(huán)境來降低結(jié)露風險。

5）對冷凍水參數(shù)研究尋找對輻射冷板性能的影響關(guān)系。

6）通過更改熱源研究對輻射冷板的影響。

7）利用數(shù)值模擬或?qū)嶒灉y試研究換熱盤管的布置。

8）改變輻射板材料和結(jié)構(gòu)，優(yōu)化供冷的傳熱過程，并進行實驗或模擬以尋找優(yōu)化策略并驗證可行性。

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

通過閱讀眾多學(xué)者的研究，筆者認為在輻射板表面進行的防結(jié)露技術(shù)很大程度上治標不治本。針對改善室內(nèi)空氣品質(zhì)問題，可以增加除濕處理。未來的輻射板研究應(yīng)當傾向于對輻射板結(jié)構(gòu)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(yīng)當局限于制冷效果，需要同時考慮其節(jié)能方面的優(yōu)勢。