陈 伟 涂 敏 谭跃龙 张 伟
南华大学土木工程学院
随着我国社会经济的发展，我国建筑能耗呈逐年上升的趋势，而在建筑能耗总量中暖通空调系统能耗约占40%~50%［1］。为了实现建筑节能［2-3］，可再生能源在建筑业中运用愈加广泛。在追求降低能耗的同时，人们对建筑室内环境的舒适性要求也在不断提升，建筑室内环境品质直接影响人员的身心健康及心情状态［4］。传统空调噪声大，风机耗能大，有明显的吹风感且风机盘管处易滋生大量细菌，不能保证室内环境品质。辐射空调系统在保证节能性与舒适性的前提下，再与新风系统相结合，可以营造洁净度较高的室内环境［5］。但是，辐射末端结露、供冷不足及造价昂贵等问题阻碍了辐射空调系统的普及与应用。
辐射末端结构形式主要有辐射顶板、辐射地板及辐射墙面板。本文对国内外学者关于辐射板的研究进行调研分析，对现行的改善冷辐射板性能措施进行优缺点分析，总结相对优异的优化措施，为辐射供冷技术在我国进一步推广提供一定的理论支持。
根据安装位置的不同，辐射板大致可分为辐射顶板、辐射墙体、辐射地板三类。辐射顶板一般以金属制辐射吊顶板为主，辐射板的面板通常为铝板，板背面为保温层。辐射墙体以毛细管状水管组成冷却格栅或金属辐射板作为辐射末端。辐射地板一般是在混凝土板内布置金属管、塑料或橡胶管。
1.1 舒适性
在舒适环境下，人体散热比例为蒸发换热25%，对流换热30%，辐射换热45%［6］。辐射空调系统中辐射换热可达60%以上，辐射换热占比提高意味着降低了人体对流与蒸发的散热量，有效地减少了吹风感引起的人体不适［7］。Zhen等［8］和徐照南［9］分别通过问卷及现场实验证实辐射空调具有较高的热舒适性。Mohammad［10］和路诗奎等［11］分别通过辐射加热的综合空间-人体热反应仿真模型与TRNSYS软件模拟，表明辐射系统相对于标准对流系统可以更快也更容易达到舒适性要求。李严等［12］对辐射冷顶板进行实验测试，测得在地面0.1~1.1 m之间垂直温差最大为1.42℃，表明在辐射空调下人体的热舒适度较高。大量实验和模拟表明在舒适性方面，辐射空调系统营造的室内环境是优于传统对流空调系统的，也为辐射空调系统的推广提供了理论的支持。
1.2 节能性
辐射空调被大力推广的另一主要原因便是其节能性。辐射空调供冷/热时，可以以较高/低的供水温度达到系统要求，从而营造出舒适的室内环境，对于供水温度要求的降低，极大地节约了能源消耗［13］。当辐射板空调与新风系统相结合时，可以利用高温冷水降温、干燥新风除湿，节约运行能耗可达30%［14］。辐射板通常以水或者制冷剂作为冷媒，相较于空气对流换热，可以有效节约换热过程中的能量损耗，进而达到节能性目的［15-17］。辐射空调系统还可以与高温冷水机组或冰蓄冷技术相结合，可利用电价的峰谷差、大温差技术(冷水大温差、送风大温差)以降低水泵、风机能耗，实现系统节能性［18］。Aviv等［19］发现当耦合自然通风和辐射系统时，在保证室内空气新鲜度的同时可降低能源成本10%~45%。
上述优势使辐射空调系统近年来得到发展，但辐射空调系统初投资昂贵、单位面积换量不足以及辐射板表面可能存在的结露问题成为其进一步推广的阻碍。
1.3 初投资昂贵
辐射顶板的价格为1 000元/m2左右，毛细管顶板空调一般在300~400元/m2，其昂贵的初投资使辐射空调系统很难走进每家每户［20］。辐射地板因为其后续检修困难，所以在设计时一般采用价格较贵质量较好的PE-X管，且一旦损坏只能整管替换［21］。国内空调设计规范中没有对其作出详细规定，究其原因首先国内对辐射空调系统的研究大多停留在理论层面，实际的工程实例很少，也就导致广大群众对其了解很少，从而对辐射空调的接受度也就较低。
目前，对于初投资昂贵这一问题并无有效的解决措施，这与我国在辐射空调系统发展起步较晚也有很大关系。在欧美地区辐射空调系统已经成功运用30年之久，并发展成为一项较为成熟的技术，可以进行工业化的生产，进而能进一步降低生产成本。我国在这一方面发展起步较晚，技术还不是很成熟，专门从事辐射板生产的厂家很少，且不能做到规范统一，导致辐射板需要特地定制，进一步加大了初投资。随着辐射空调系统在我国的不断发展与推广，其初投资昂贵问题一定会得到有效解决。
1.4 结露问题
冷辐射板表面易结露是阻碍辐射板进一步推广和应用的主要问题。结露不仅会削弱辐射供冷能力而且会导致细菌滋生，降低室内环境品质。结露是空气中水蒸气液化现象，当辐射板表面温度低于周围空气露点温度时，水蒸气分压力达到当前空气温度下水蒸气饱和分压力时，水蒸气在辐射板表面凝结成液态水滴，这便是结露现象。
对于辐射板表面结露特性不同学者做了一系列研究，Mumma［22］指出结露是一个缓慢的过程，通常需要几个小时。吴晓敏［23］和赵伟［24］等分别对结露初期的液滴进行研究，发现冷凝传热温差随冷面温度降低而增大，即冷面温度越低，液滴生长越快。Feustel等［25］将辐射板表面温度与室内露点温度的差值定义为过冷度。梁绮祯等［26］结合传热学和分子动力学建立结露初期液滴生长模型，也证实了冷辐射板基底温度对结露影响最大。金梧凤等［27］从宏观层面对结露全过程进行实验分析，发现室内湿度越高，辐射板冷面温度越低，辐射板越易结露。费媛媛等［28］分析了微方孔结构梯度能表面的冷凝液滴生长的动态过程，试验从微观层面研究了冷凝液滴形成的详细过程。
针对辐射板上述缺点，国内外学者已经做了大量的模拟及实验，提出一系列改进措施。本文主要从三个方面阐述已有的辐射空调系统优化措施，分别为结构优化、系统流程优化和控制策略优化。
2.1 辐射末端结构优化
2.1.1 换热性能结构优化
增大辐射板供冷一般从增大换热面积和减少接触热阻入手。Wojtkowiak等［29］提出一种新型波纹冷却顶板，增加了换热面积使冷却能力提升26%~55%。Jonathan等［30］提出一种集成微流体供水回路的辐射板结构，分别对平板、折叠板、之字形板的表面结构进行模拟试验，折叠板与之字形板的冷却速度较平板分别提高55%和67%。Lun等［31］通过实验研究了一种新型倾斜铝翅片金属吊顶辐射板，发现在典型的办公室里，带有倾斜散热片的CRP的制冷量比悬挂式面板大19%左右。林俊等［32］将辐射模块和新风系统并联改为串联，新风模块的除湿和过滤效率提高5%，系统能耗降低12%。瑞士生产了一种新型辐射板［33］，吊顶不设冷媒管，冷媒水直接与辐射板接触换热，接触面积达98%，提高了传热效率。西南科技大学马立副教授课题组沿用同样思路［34］，通过焊接使水管覆盖在辐射板后背，水直接和金属板接触，增大了水与板的换热效率。
2.1.2 防结露结构优化
提高其防结露能力一般从处理表面冷凝水、改进冷却表面及隔绝空气入手。孔祥雷等［35］提出一种“疏导结露型”辐射板，在辐射板表面开设密集的微槽道，利用毛细力和重力作用，将辐射板表面产生的结露疏导到辐射板的边缘处，进行集中回收，但表面处理工艺难度大，增加了成本，不利于进一步推广。李逸姝等［36］将辐射板竖直放置利用重力作用将辐射板表面产生的冷凝液滴收集到底部集水槽中，避免结露产生，但人体舒适度需要进一步探究。张伦等［37］提出一种可强化对流换热的倾斜式辐射板，可减少结露风险，但未对后续冷凝水如何处理提出解决方案。Lv等［38］研究的填充传热液体的三角形沟槽辐射板，填充液的加入使面板温度分布更加均匀，利于冷凝控制，但增大了接触热阻以及辐射板自身重量较大不便于安装，需要进一步优化。处理表面冷凝水虽然能在一定程度上解决辐射板表面结露问题，但并不能从根本上解决辐射板表面结露问题，且也仅处于实验研究阶段，其工艺复杂，制得的辐射板因为其造价及安装问题导致其很难进行大规模商业化生产，如何进一步优化还需大量的实验研究。
改进辐射板冷却表面，科学家们从自然界中许多现象得到启示，例如荷叶、蝴蝶的翅膀、水黾的脚、鸟的羽毛等，从而改变了起初只能采取被动的方法去除表面结露的现状，通过设计一种类荷叶的粗糙微结构来制备具有较好防结露性能的材料。这种技术手段近年来在辐射板防结露上也进行了大量的试验及模拟。李艳峰等［39］用化学刻蚀的方法制备出多晶铝合金基体上的超疏水表面，水滴与表面的接触角达到156°。余春浩等［40］用这种方法对辐射板冷却面板进行处理，后在温度为10℃，湿度为80%工况下进行试验，发现与未经处理的铝板相比其抗凝露能力大幅提高。武卫东等［41］对铝基超疏水表面凝露初期进行进一步详细研究，研究结果表明较低或较高的基底温度下超疏水表面都能保持良好的疏水性能。殷平等［42］采用相分离法制备超疏水表面，分别对散流器和辐射板的一半进行超疏水处理，结果显示，经过处理的部分均未发生冷凝现象。虽然国内外在超疏水表面的研制工作上投入了大量的精力，但是目前仍处于基础性研发阶段，且材料局限于硅片、铝片、玻璃以及高分子(如聚苯乙烯)模板等实验性基材。所获得的一些超疏水性材料虽然具有较大的表面接触角，但在实际应用时还存在许多缺陷，例如，材料表面抗磨损性较差、对基体的黏附性较差、制备技术条件苛刻、原材料较贵、模板难以循环使用、工艺过程复杂等，导致很难进行大批量的工业化生产。虽然国际上已有几种建筑墙体和玻璃表面超疏水涂料进入了市场，但是其性能、寿命、工艺性、价格仍然不尽如人意，因此超疏水表面在辐射空调系统的实际运用道阻且长。
隔绝室内空气也是解决辐射板表面结露的一种非常有效的手段，避免冷却面板与室内温湿气体直接接触，进而一定程度上提高辐射板防结露性能。1963年R.N.Morse提出将红外高透薄膜与辐射板结合的模型，将红外高透薄膜作盖板状覆盖于辐射板上，留有一空气夹层并密封以防止室内空气与辐射板接触，该方法的提出为辐射板防结露提供新的研究方向。王晋生［43］用对长波具有高透过性的薄膜包裹冷却顶板，并在冷却顶板下表面和薄膜之间保留一真空或空气夹层。真空或空气夹层具有较高的热阻，所以薄膜温度将明显高于冷却项板下表面温度而接近其周围室内空气温度，进而避免结露发生且薄膜的长波透过率很高，薄膜对冷却顶板和室内热源或壁面之间的辐射换热几乎没有影响，冷却顶板的制冷能力几乎不受影响。Teitelbaum等［44］通过实验研究红外透明膜对结露的影响，加膜后，膜外表面温度始终维持在室内露点温度以上，而冷辐射板温度比室内露点温度低约14℃，这表明冷辐射板可在低于室内露点温度下运行，大大提高了冷辐射板供冷能力。Xing等［45］建立了包含透明表面的不透明封闭系统的辐射传热模型，然后基于辐射传热模型，建立稳定的室内热模型，详细讨论了影响红外透明罩抗冷凝性能的关键因素，为空调系统的冷凝控制提供有价值的参考，但是在结构设计时缺乏可以帮助分析红外辐射透膜的光学、物理和热性能影响的传热模型，只能靠经验法和试错法确定合适的材料。Zhang等［46］考虑了膜内的传热，使用双通量方法建立传热模型，详细分析膜内传热过程，为如何选择红外透膜材料提供理论依据。
传统的金属辐射板，铜管与辐射板冷却面板直接接触，会在接触位置形成低温带，造成辐射板表面温度不均匀，水珠容易在低温带凝结聚集造成结露。因此，有学者提出含封闭空气层的冷辐射板［47］，进而避免管材与辐射面板直接接触形成低温带，之后大量学者对含空气层辐射板进行模拟与试验。Ning等［48］提出含薄封闭空气层的冷辐射板，天花板与冷辐射板间形成薄空气层，与室内接触的天花板表面温度均匀，但是因为空气的传热系数较低会影响辐射板的供冷性能。张顺波［49］改进含空气层冷辐射板，减小空气层厚度为超薄空气层，降低空气层热阻，提升了供冷能力，且冷辐射板表面温度分布均匀，具有很好的抗结露能力。刘慧等［50］建立了一种含空气层的新型模块化吊顶辐射板传热模型，并对该模型进行了优化设计，结果表明，在塑料网格高度1 mm，铜管外径8 mm，管间距5 cm，辐射发射率0.95，流速0.8 m/s以及水温10℃时，该辐射板供冷性能最好。含密闭空气层辐射板可以提高辐射板面的温度均匀性，避免在表面形成低温带，进而提高其抗结露性能。目前，对空气层间传热特性还未作出详细分析,但是空气层的存在也阻碍了热量的传递，随着厚度的减小，辐射板的供冷能力增大，如何确定最优空气层厚度还需与管径、管间距及供水温度等一系列因素综合考虑，后续还需进一步探究。
2.2 系统流程优化
辐射供冷的结露位置是辐射板表面，此时室内空气的温度较高，空气湿度未达到饱和状态。如果能向辐射板表面进行置换送风，不断输送低露点空气，使辐射板表面附近空气露点低于辐射板表面温度，则辐射板表面的结露问题也可解决。因此，将置换通风应用于辐射供冷系统除湿应该能获得较好的效果，且相对于将整个房间空气露点降低来说显然能耗将大大降低。Zhang等［51］研究了室内湿度的变化规律，指出运行时应提前1 h开启通风系统把室内空气露点温度降低，然后再开启冷却顶板，并严格控制吊顶进水温度高于室内空气露点温度。郭少朋等［52］通过对置换通风与冷却顶板房间动态仿真研究也证实了置换通风系统与冷辐射板联合运用时，先运行置换通风系统将辐射板附近空气露点温度降到低于顶板设计温度，这样既保证舒适度又能有效防止结露产生，且置换通风系统可以承担一部分冷负荷。Kang等［53］研究指出可以适当提高进水温度进一步防止结露产生，独立新风系统送风形式影响室内气流组织分布，进而影响室内湿度分布。优化送风形式，降低与冷板接触空气层的相对湿度能抑制结露问题的产生。徐来福等［54］提出采用侧送或顶送风的形式，在冷却顶板表面形成一层干燥的空气保护层，将冷却顶板与下部气流隔开以避免结露。吴洁［55］则通过模拟研究得出上置送风口的送风方式可使空调房间气流更均匀，能更好地避免结露现象。周根明等［56］通过CFD模拟贴附射流降低冷辐射表面结露的可能性，贴附射流送风形成干燥的冷空气层将辐射板与室内空气隔绝，使辐射板平均温度高于贴附射流送风露点温度以防止结露。这些措施虽然一定程度上解决了结露问题，但是进一步增大了辐射供冷本身初投资昂贵的问题，且额外的系统增加了能耗，这与辐射供冷技术的节约能耗初衷相违背。
2.3 控制策略优化
2.3.1 控制器
Mumma等［57］指出，尽管设计时考虑了防结露，但室内湿负荷骤增时，冷却顶板仍可能结露，可安装露点传感器控制顶板进水温度使其不低于室内空气露点温度。唐华等［58］通过设置房间内的湿度传感器控制水阀来实现防结露控制，当湿度传感器阻值在周围环境湿度达到90%，当湿度继续升至设定值时，通过自控系统关闭分水器上的电动水阀，从而达到防结露效果。
目前，控制器主要来源于国外进口产品，价格因素的制约使其仅在个别防结露薄弱的房间使用，使得系统的防结露措施力度不足，处处存在隐患。加大控制系统的国产化研发是解决防结露控制系统一次性投资大的根本措施。
2.3.2 调节供水参数
现有方法对供水流量及供水温度进行调节以降低结露风险。Jin等［59］通过研究指出，调节水温和调节供水流量均可以对辐射板表面温度产生影响进而起到防结露的作用。Jin等［60-61］通过实验研究不同供水温度及不同供水流量对吊顶辐射冷板的影响，显示当存在结露风险时，调高水温和关闭水路可有效防止结露，但是并未对不同冷运行条件进行研究，后续有必要进一步研究获得采取冷凝措施的最佳方法和运行时间。赵羽等［62］对天棚辐射供冷系统供冷性能进行研究，比较定水温及变水温两种调节方式，通过采用PID调节三通阀中回水的混合比例进而调节供水温度保持在室内露点温度+0.5℃以实现变水温控制，结果显示，变水温控制可避免结露。
相比于控制供水流量，调节供水温度效果更优，对供冷参数的调节往往对控制系统要求较高，且提高水温会促使辐射板表面温度升高，不可避免地造成供冷能力的下降。
本文主要从冷辐射末端供冷能力不足及结露问题着手，对近年来冷辐射末端的发展进行文献研究，多年来，有众多研究为改善辐射供冷的局限性。针对供冷能力不足的问题，大部分的研究通过增大换热面积强化换热以提高供冷能力，而针对结露问题，或通过附加送风系统对室内除湿以防结露，或通过改善面板结构及管道布局以防结露，此外，超疏水材料的使用也已成为一个研究热点，而含内置气隙的冷辐射板也是一种较为有效的办法，显示出了极大的潜力。对于未来辐射供冷的研究，提出以下建议：
1）冷辐射末端供冷能力不足的问题依旧存在，在增大换热面积以强化换热的同时，可使用较高发射率的材料制作辐射板或者在辐射表面涂较高发射率的涂层以强化辐射换热。
2）在对金属辐射板传热模型的建立中，对于蛇形布局管道的辐射板传热模型构建往往采用绝热对称模型，这在平行布局管道中适用，但在蛇形布局管道中是不准确的，需要进一步对其建模方式进行考量，以使结果更加准确。
3）结露问题至今尚未得到较好的解决，目前防结露措施往往需要添加额外的系统，增加了初投资，将来的研究中希望从辐射板本身结构优化入手解决防结露问题。
4）对于超疏水材料需要进一步研究其耐久性与经济性，此外，材料的发射率需要在供冷末端的设计中确定。
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