辐射供冷空调研究综述

谭跃龙 邓文昊 陈 伟 方俊露 岑伟州

南华大学

0 引言

2020年中国建筑节能协会发布了《中国建筑能耗研究报告（2020）》，其中指出2018 年中国建筑能耗占全国能耗总量的46.5%，碳排放占全国碳排放的51.3%[1］。建筑能耗包括建材生产阶段、建筑施工阶段以及建筑运行阶段，其中，建材生产阶段与建筑运行阶段的能耗和碳排放量最大。由于各种问题的限制，建材生产阶段很难降低能耗和减少碳排放量，而建筑运行阶段则有着很大的潜力。现今，空调的作用不仅是要求满足室内的温湿度，还应该考虑到能耗和人体舒适性。在过去的几十年，空调系统在操作上有了很大的进步，为人类提供了很多便利，但在本质运行原理上空调系统并没有太大变化，仍然采用制冷剂在蒸发器和冷凝器之间循环流动实现热量交换的方式[2］,并依靠对流热交换来加热或冷却整个房间的空气。与传统的对流空调不同，辐射空调主要通过辐射热交换与室内空间进行热交换，具有节省空间和降噪的优点[3］。

近年来，辐射供冷系统因其优秀的热舒适性和节能型，受到越来越多的用户欢迎。研究表明，辐射供冷系统主要通过热辐射进行换热，在舒适条件下，人体按一定比例散发热量，其中辐射散热占45%，蒸发散热占25%，对流散热占30%[4］。相对于使用对流换热的传统空调，辐射供冷系统在能耗和舒适性上都具有优势[5］。辐射供冷系统技术在中国发展基础良好，国内外也有许多专家学者对其进行了研究和讨论。

1 辐射供冷空调系统的优点及其应用价值

相比于传统的空气供冷系统，辐射供冷空调系统具有明显的优势。首先，采用低温热水作为冷源可以节约大量的能源，减少能源消耗和CO2等温室气体的排放。其次，辐射方式传热可以避免空气流动带来的不适感，从而提高空调的舒适性和健康性。

1.1 节能性及其研究

Bayoumi 以沙特阿拉伯的一所大学的教室为框架进行研究，得出使用混合通风方法，可以使辐射空调通风系统更加节能。通过实验证实，当将自然气体和脱湿气体混合使用时，通风过程中的能耗可以显著降低[6］。杨伟对辐射空调系统中可利用的几种节能技术进行了分析，并得出结论：冰蓄冷技术和冷热电联供技术并不一定节能。辐射空调新风系统可以与冰蓄冷技术结合，有利于新风除湿和早晨辐射空调系统的启动。地源热泵系统需要注意热平衡问题，而地表水源热泵系统则需注意水体污染问题[7］。R. Hu 等人基于北京的天气条件，对辐射冷却系统建筑进行了分析，并比较了三种不同运行策略的能源消耗和成本。最终，他们得出了OPON 和OPPN 策 略 比OPCN 策 略 更 节 能[8］。Dorit Aviv 等人提出了一种自然通风结合新型薄膜辅助辐射供冷系统，该系统不仅可以增加新鲜空气的流入量，还可以节省能源[9］。Joaquim Romaní等人对耦合地源热泵的辐射墙体性能进行了测试，并得出结论：该系统不仅可以降低能耗，还可以转移峰值负荷和进行夜间预冷[10］。Víctor Echarri-Iribarren等人通过对地中海住宅的辐射地板和使用陶瓷热板的辐射墙壁进行了年度能源需求和成本效益分析。最终，他们得出结论：辐射地板优于辐射墙壁[11］。Vaibhav Rai Khare 等人的研究表明，PRCS 系统可以有效地满足热舒适性的要求，并且与其他辐射冷却系统结合使用时，可以提供更好的节能效果[12］。Zhengrong Li 等人对辐射冷却末端装置进行了能量使用效率和能耗节约的分析，并得出结论：与风机盘管相比，辐射冷却末端装置的能耗节约更大，并且辐射供冷系统能够提高供水温度，因此，可以利用一些天然可用的热源，具有良好的经济意义[13］。Ji-Su Choi 等人提出了在吊顶辐射板的基础上增加一个机械电风扇的方案。由于风扇成本低廉且增加风扇不会改变建筑的原始结构，这个方案能够提高辐射板的冷却能力，同时降低能耗[14］。Rana Veer Pratap Singh 等人对辐射冷却蓄热系统的不同运行策略进行了分析，并得出结论：不同的运行策略均可以达到节约能源的目的[15］。杜璟等人使用CFD 对局部辐射空调的节能性和热舒适性进行了研究。模拟结果显示，在局部冷辐射空调系统中，与吊顶冷辐射空调系统相比，总换热量显著降低，有助于节省空调能耗并减少碳排放[16］。通过对不同的辐射供冷技术和系统进行研究，分析和实验验证了它们的能耗、节能性、热舒适性和经济意义等方面。这些技术包括改进通风方法、辐射供冷独立新风系统、冰蓄冷技术、自然通风结合新型薄膜辅助辐射供冷系统、耦合地源热泵的辐射墙体、辐射地板和使用陶瓷热板的辐射墙壁等。这些技术在不同情况下具有各自的优缺点，需要根据具体情况选择最适合的方案。同时，这些技术的应用可以有效地降低能耗、提高经济效益，具有重要的应用价值和推广意义。

1.2 舒适性及其研究

Jonathan Grinham 等人提出了一种集成微流体供水回路的辐射板结构，并针对平板、折叠板和之字板三种表面结构进行了实验和模拟。研究结果表明，折叠板和之字板具有更高的冷却速率，能够更快地响应供冷需求，并满足环境要求[17］。Dorit Aviv 等人通过COVID-19，提出了一种完全辐射冷却系统结合自然通风的系统方案。该方案可以最多增加100 天的自然通风时间，有助于提高室内空气质量，减少病毒传播的风险[18］。Jiying Liu 等人通过数值分析研究了一种新型HRC 系统，并得出结论：相较于传统的全空气和CRC 系统，HRC 系统在室内温度高于正常的热舒适温度时，能够实现更好的热舒适水平[19］。S. Y. Qin 等人基于人体热舒适性提出了一个简化的PMV 模型，通过模拟探讨了热舒适特性、设计和操作参数之间的关系。该模型可为基于专用新风系统的辐射制冷板的设计提供参考[20］。Zhen Tian 等人在苏州一座办公楼中，研究了辐射天花板制冷和顶部空气分布系统对居住者热舒适性的影响。研究结果表明，采用辐射制冷技术可以有效地减少局部不舒适感，降低垂直温度差和气流速度，从而使总体不满意度和不可接受率显著降低[21］。Jiying Liu 等人进行了多种不同地板辐射供冷系统的舒适性研究，结果显示脚和小腿部位的等效温度值较低，表明该部位的热舒适度较差。值得注意的是，在所有情况下，整体的等效温度都属于较冷但舒适的热感类别，表明热舒适度处于可接受的水平[22］。赵羽、江宏玲等学者对天棚辐射供冷系统进行了深入的研究，发现该系统能够有效满足建筑物的制冷、供暖需求。实践表明，天棚辐射供冷系统不仅能够为建筑物提供舒适的室内环境，而且能够降低能源消耗，减少对环境的影响，具有重要的经济和环保意义[23-24］。Jasmin Anika Gärtner 等人认为，为了提高办公空间的热舒适性，必须通过设计灵活性来实现这一目标。在此背景下，辐射天花板和地板冷暖系统相较于机械通风更具有前景，成为解决灵活办公空间的热舒适性的有效方案[25］。K.Dharmasastha等人在温暖潮湿地带的一个实验室研究了供水温度和冷却表面对TAGFRG 系统的影响。研究结果显示，该系统可以在供水温度高达18 ℃和20 ℃的情况下，全天保持90%的热舒适性[26］。Omar A. Ismail 等人进行了热舒适实验，评估辐射供冷睡眠舱的性能。研究结果表明，辐射供冷睡眠舱是一项可行的技术。该研究可以进一步扩展，应用于实际中[27］。以上研究成果表明，辐射制冷技术在室内空调领域具有广泛的应用前景，可以大幅度降低能耗，提高热舒适性和空气质量，减少病毒传播风险等。未来的研究可以集中在两个方面，即雾霾等空气污染的净化和减少病毒传播。这些问题对于目前的环境和公共卫生等方面都具有重要的意义。

2 辐射供冷空调系统的缺点及其优化

在辐射供冷空调系统运行期间，辐射冷表面会逐渐降温，直至低于室内空气的露点温度，此时水汽开始在表面上凝结，形成露水。这一过程是由于空气中的水汽在接触到冷表面时失去了热量而发生的[28］。然而，冷辐射板结露的出现将会对供冷效率、材料、室内装修等方面产生不利影响。具体而言，冷辐射板结露将导致供冷效率下降、材料受潮变形腐蚀、室内装修受损，甚至增加能耗等问题[29］。因此，对于辐射供冷空调系统的设计和运行，必须充分考虑冷辐射板结露问题，采取合理有效的措施加以应对。此外，辐射供冷空调系统的散热器散热面积相对较小，而且热传导方式也比较特殊，采用辐射传热的方式，将会导致散热速度较慢，从而影响系统的供冷能力。

2.1 防结露研究

针对辐射板表面结露问题，主要有以下四种处理方法：一是将辐射板表面的露珠去除；二是将辐射板易结露表面空气除湿；三是将辐射板结构优化，改变辐射板换热过程或是将冷表面与室内湿热空气隔开；四是采用运行策略防止结露。

2.1.1 辐射板结露处理

为了应对辐射板结露的问题，可以采取将露珠从冷板表面去除的措施，以减少露珠在表面的停留时间。孔祥雷等人在辐射冷表面上使用高疏水材料，并在表面增设槽道来集中收集露水。通过实验研究，表明该辐射板可以消除结露现象产生的不良影响[30］。殷平等人通过使用相分离技术，将一些商品化的强疏水性材料和强黏性材料，用于对在暖通空调系统中常见的金属表面进行防凝露处理，并进行防结露实验分析。结果表明，该方法具有明显的抗结露效果[31］。Xinghua Wu 等人制备的可喷涂的聚酯-SiO2抗冷凝涂层确实是一种很好的解决方法。这种涂层具有多孔结构，可以抑制冷凝物的形成并促进冷凝物的脱离，从而有效减少冷凝风险[32］。郑晓光基于激光刻蚀法结合热处理方法,使有机物吸附于微纳米复合粗糙结构制备超疏水表面，其防结露效果表现良好[33］。王山林通过改良天花板，使用超疏水纳米涂层在冷表面上防止结露。通过模拟实验分析，得出该方法具有一定的处理结露的能力[34］。该方案对于防止结露问题具有一定的解决效果。Wanhe Chen 等人制备海泡石基湿度控制涂层。这种涂层采用10%的KCl 溶液处理的海泡石制成，具有很好的吸湿/脱湿特性，可以延长辐射制冷板的表面冷凝时间，从而有效地降低结露的风险[35］。Ziwen Zhong 等人通过在典型室内条件下进行的冷凝实验，探究了超疏水铝板表面的抗冷凝能力及其对辐射冷却面板冷却性能的影响。实验结果表明，相比于普通的金属表面，超疏水表面具有更好的抗冷凝能力，可以有效减少表面冷凝水滴的数量和使水滴缩小。在辐射冷却面板的应用中，超疏水表面的抗冷凝能力显著提高了其冷却效率[36］。李逸姝等人通过改变辐射末端结构，将辐射板竖直安装，并增设了一个辐射罩来改变辐射方向。同时，竖直安装的辐射板能够在结露时自动将水珠收集至沟槽内，使得辐射系统能够在结露状态下正常运行，并获得更大的供冷量[37］。在对辐射冷板表面进行疏水处理外，Haida Tang 等人还提出了一种新型的脉宽调制技术，该技术采用开关电磁阀来控制辐射金属板的工作状态，通过在20 min 的恒定通电时间和可调的断电时间组成的调制周期内，形成辐射表面的冷凝-蒸发循环，以确保在通电期间产生的板面冷凝水完全蒸发[38］。为了去除辐射板上露珠，研究人员采取了多种措施。其中包括在辐射冷表面上使用高疏水材料，竖直放置辐射板自动收集露珠和增设槽道来集中收集露水以及采用脉宽调制技术来形成冷凝-蒸发循环。确实，这些方法都是针对已经结露的辐射板进行处理，通过使用毛细力或蒸发等方法来去除凝露。虽然这些方法可以在一定程度上减轻结露带来的影响，但并不能从根本上解决结露问题。因为空调系统仍存在结露阶段，制冷效果肯定会受到一定的影响。

2.1.2 空气除湿处理

杨江涛等人在顶板辐射板基础上加入了机械通风，并模拟了西安市天气下，室内天花板辐射板在0～3 人的情况下的结露现象。通过分析，得出了在不同人数下以防止结露现象需要加入的通风量[39］。赵明桥和Haiwen Shu 等人提出了在毛细管辐射空调扇中增设新风系统和冷凝盘管，在使用一台冷水机为除湿冷凝盘提供冷水源的情况下，通过冷凝除湿来防止结露[40-41］。Aliihsan Koca 等提出了冷凝板与辐射冷却系统串联的冷却除湿策略，并对冷凝板除湿性能进行测量，效果较为明显[42］。Moon Keun Kim 等人通过实验验证了一种新型Airbox 冷却和除湿系统，该系统能够很好地降低结露风险并提供冷却空气[43］。涂敏通过使用溶液除湿的方法来防止辐射板冷表面结露，该方案的效果明显[44］。苏蒙等人对辐射供冷和置换通风系统地板进行了数值模拟，并确定了可以通过增大送风量以及控制送风湿度来应对房间内人数增多引起的结露现象[45］。将室内空气除湿的方法有很多种，包括使用通风、冷凝除湿与溶液除湿以及增大送风量和控制送风湿度等方法。这些方法都能有效地减少结露现象对辐射板的影响，并提高其冷却效率。但由于增加了其他方面的设备，增加了成本以及能耗。或是溶液除湿方法，其在实际中很难得到应用。

2.1.3 辐射空调系统结构优化

Yan Wang 等人提出了一种内部带有翅片换热器的封闭空腔辐射系统。该系统利用制冷剂直接膨胀方式下的翅片式换热器，在大面积、大温差下实现传热。该系统不会产生结露问题[46］。Yifan Wu等人提出了一种将集成换热器和扁平热管耦合的辐射冷却终端。该终端仅使用扁平热管进行显热传递，并使用热交换器进行冷却和除湿[47］。此外，将辐射冷板表面接触的空气与室内湿热空气隔开也是一个防止辐射冷板结露的方法。周根明等人通过耦合贴附式新风系统与墙壁式辐射板，使辐射冷表面形成一个空气湖，将室内湿热空气隔开以防止结露。实验表明，该方法防止结露的效果明显[48］。赵英博等人对不同送风方式下辐射板结露问题进行了研究，并对普通送风和贴附射流进行了模拟实验。研究总结得出，两种送风方式都有防止结露的作用。此外，新风贴附射流送风强化了辐射冷板表面与室内的对流换热，使温度更高，更加远离露点温度。因此，新风贴附射流送风的防结露能力比普通送风更强[49］。Daoming Xing 等人提出了一种红外透明罩的方案并进行理论研究，建立并验证了辐射传热模型。通过对模型进行性能研究，得出了真空层具有极好的防结露能力[50］。Huijun Wu 等人则通过实验，在辐射冷板表面与室内空气间设置多层高透过红外膜将表面与室内空气隔开，辐射冷板表面温度能在低于室内空气露点温度下正常运行[51］。

2.1.4 防结露策略研究

Qiang Si等人对一种感应辐射空调系统的运行和冷凝特性进行研究。分析了质量传递系数、冷凝温度和冷凝速率等指标，并收集达到稳态室内热环境所需的时间。研究发现，在室内热环境稳态时，辐射感应单元的热传递性能主要受空气温度的影响；而在发生冷凝时，空气流量对冷凝速率的影响更大。因此，保持空气温度能更好地保持稳态环境下不结露，而在冷凝条件下，保持主要空气温度并调节主要空气流量，能更快地稳定室内热环境[52］。Zhang 等人的研究主要针对室内湿度的变化规律，提出在运行时提前1 h 开启通风系统来降低结露风险[53］。蒲丁端以深圳市一栋办公建筑作为对象，进行模拟仿真。针对防结露控制滞后的问题，提出了基于露点温度预测的变风量优化控制策略，其效果良好[54］。朱赤提出一种新型诱导送风与辐射复合空调系统，并针对稳态运行性能及影响因素、防结露效果，以及变工况动态运行与室内环境响应特性等展开理论和实验研究。结果表明，增大风机风量可以缩短启动时间，在启动阶段增大风机风量和供水温度可以解决系统冬季供热效果差的问题；通过调节风机风量，可以提高系统供热量与需求量的匹配性,在低负荷工况以纯辐射模式供暖，可以降低系统能耗[55］。辐射板结构的优化和防结露策略都是杜绝结露产生，避免结露现象的发生。但防结露策略为了防止结露而降低了供冷量，在供冷方面不如结构优化。

2.2 供冷量研究

近年来，学者们对于辐射板供冷方面的研究可以分为以下两种类型：首先，研究辐射板供冷量相关因素，包括热源形式、供水温度、供水流速等因素，以探究这些因素对辐射板供冷量的影响。其次，研究如何优化辐射板的供冷量，包括改进辐射板结构、改变辐射板表面换热等方法，以提高辐射板的供冷效率和性能。

2.2.1 供冷量相关研究

Mohammad Hakim Mohd Radzai 等人针对蛇形设计的辐射散热板，使用CFD 方法进行了性能数值分析研究。通过比较一进一出、两进两出和三进三出三种不同管道构型的性能指标，发现两进两出结构具有最高的供冷量[56］。Xiaolei Niu等人探究了内部热源和两种不同的外部热源对辐射空调供冷量的影响，并验证了热源形式对辐射制冷末端的冷却能力具有一定影响[57］。叶立飞等人的研究探究了辐射板中换热盘管的管间距对其换热性能的影响，并发现在固定尺寸下，采用变管间距排列可以提升冷辐射板的换热性能[58］。侯波等人采用Fluent软件对毛细管网顶板进行模拟实验，得出供水温度对毛细管供冷量的影响较大，供水流速变化对供冷量的影响很小，辐射板的材料对供冷量存在一定的影响[59］。辐射供冷系统的设计和优化需要考虑多种因素，包括但不限于热源形式、供水温度、供水流速、换热盘管管间距和辐射板材料等。这些因素会对辐射供冷系统的性能产生重要影响，需要在实际应用中进行充分考虑。

2.2.2 供冷量优化

Janusz Wojtkowiak 等人提出了一种波纹表面的辐射板，通过增加换热面积和提高自然对流能来增强供冷性能[60］。Mi-Su Shin 等人提出了一种开放式结合空气循环器的供冷系统，其制冷量有较大提高[61］。Baisong Ning 等人提出了三种基于带稀薄空气层的辐射板的改造模型，并进行实验及模拟测试性能，结果表明，供冷性能均有所提升[62］。张顺波等人在辐射板内部增加了一个空气夹层，使得辐射冷表面温度更加均匀。在不结露的情况下，辐射表面能够达到更低的平均温度，从而获得更高的供冷量[63］。杨绘乾等人提出了一种填充液式吊顶冷辐射板，该设计使辐射板表面均匀性得到提高，板面温差小，从而提高了供冷量[64］。宗天晴等人提出了一种在辐射空调系统的基础上耦合一个冷源新风系统的设计。该设计在完全满足供冷需求的同时，提供了较高的舒适度和空气质量[65］。Mohamed Mosa 等人在对经典的蛇形流体结构进行改进的基础上，采用枝状结构的设计，为冷却板提供了更大的自由度。在此类结构的支持下，冷却板的性能得到了显著的提高，具有更多的冷却能力和更少的泵送功率。研究还发现，顶篷式设计在这一研究中发挥了非常重要的作用[66］。此外，将板向更紧凑的方向进行演化也是一种提高冷却能力的有效方式，为新型冷却系统的设计和优化提供了重要的思路。

3 结论

目前，国内外学者主要通过以下几种方式对辐射供冷空调系统进行研究：改变辐射板材料和结构，优化供冷的传热过程，并进行实验或模拟以寻找优化策略并验证可行性；耦合新风系统或除湿系统以及增加收集处理露珠装置来解决辐射板冷表面结露问题，从而使辐射空调系统能够在更低的供水温度下正常运行以获得更高的供冷量；利用数值模拟或实验测试研究辐射空调系统中的铺设位置、铺设方式、供水参数、环境变量、不同送风方案等对辐射空调系统的供冷量的影响；研究辐射空调系统的节能性，以进一步满足室内环境的人体热舒适性需求；深入研究一些特定问题，如辐射板对结露速度的影响因素以及在太阳光直射时对辐射的吸收率和供冷能力的研究等。

尽管经过众多学者的研究，人们对辐射空调系统的舒适性和节能性已有了很大的认识，但结露仍是辐射空调系统进入市场的一大阻力。目前，人们对结露现象的应对策略仍处于治标不治本的阶段，主要通过增加除湿策略或控制供水温度和供水方案等方式来解决表面结露问题，但这些策略无法从根本上解决辐射板表面结露，仍存在结露风险。因此，笔者建议更深入地研究辐射板表面结露的本质，以根除结露问题。