辐射空调过冷度与结露延迟时间动态变化特性研究

金梧凤，赵 宁，毕 晨，王志强

（天津市制冷技术重点实验室，天津商业大学，天津 300134）

0 引言

辐射吊顶空调具有舒适度高、节能效果好等优点［1］，然而在夏季供冷时出现的结露问题严重阻碍其广泛应用。以往的研究认为当辐射板表面温度低于周围空气露点温度时，板表面便会出现结露现象［2-3］，因此，一般控制辐射板表面温度比露点温度高2 ℃［4］来避免此现象的发生。然而，在实际工程应用中，结露过程并非瞬间发生，需要辐射板表面温度比空气露点温度低的值超过一定范围，且需要经历一段时间才会出现，原有的防结露方法限制了辐射空调的供冷能力。因此，进行有效的针对辐射板表面结露特性的研究是非常必要的。

目前，国内外众多学者对辐射吊顶空调结露特性及湿空气冷凝进行了研究。Mumma 等［5］研究发现辐射板冷凝过程是一个相对缓慢的过程，从冷凝开始到第一个冷凝液滴从辐射板离开通常需要几个小时。Feustel 等［6］通过试验的方法对辐射板表面的结露特性进行研究，并将辐射板表面温度与室内露点温度的差值定义为过冷度。Tang 等［7］进行了关于第一滴冷凝液滴从辐射板表面脱落所需时间的研究，结果表明，随着过冷度增加，脱落时间逐渐减小。杨江涛等［8］研究发现随着室内人数的增加，辐射空调结露风险增加。隋学敏等［9］研究发现应对辐射板表面的湿度进行监控。冉广鹏等［10］将转轮除湿新风与毛细管辐射供冷联合运行与毛细管辐射空调单独运行的结露现象进行对比。金梧凤等［11］对系统稳定阶段人体散湿强度和人员散湿位置对结露特性的影响进行研究。尹亚领［12］研究发现在辐射空调系统使用过冷度的概念，能够最大限度降低冷水系统的进水温度，使单位面积辐射供冷板的换热性能增加。田永兰［13］对湿空气的冷凝与传热过程进行了研究。李培生等［14］研究发现非均质表面能在一定程度上诱导液滴脱落。费媛媛等［15］研究发现滴状冷凝的生成过程包括液滴的成核、独立生长和合并。

以上研究表明，国内外对于结露特性以及湿空气冷凝的研究大多基于微观的少量液滴，且对于辐射空调的结露特性，仅针对液滴脱落时刻的冷凝时间进行研究，辐射板表面出现露珠时同样具有危害性。为了更加全面地了解辐射空调结露特性，本文将提出延迟时间的概念，并结合过冷度进行研究，通过搭建微型试验台，运用试验研究的方式对结露区域进行研究，并在最易结露区域通过对结露过程的宏观把控，确定结露发生时刻的状态点，进一步分析过冷度、延迟时间随影响因子变化的动态变化特性以及二者关系，为提高辐射空调供冷能力提供依据。

1 过冷度与延迟时间的定义

发生结露时辐射板表面温度与露点温度的差值被称之为过冷度［6］；当辐射板表面温度等于露点温度时到发生结露所需的时间被称之为延迟时间，定义方式如图1 所示，图中N 点为辐射板表面温度等于露点温度的时刻。

图1 过冷度与延迟时间的定义Fig.1 Definition of subcooling degree and delay time

2 试验台及试验内容

2.1 试验台

由于传统的辐射供冷房间吊顶面积较大，不利于对结露现象的观察，因此利用相似原理，设计搭建微型辐射空调试验台，试验模拟的辐射空调房间的尺寸为2.6 m×2.6 m×2.6 m，需要满足物理空间几何相似，并对各项参数进行换算［16］，试验台系统如图2 所示。

图2 试验台系统Fig.2 Schematic diagram of the test bench system

试验台由试验舱、冷水系统、新风系统、控制与信息采集系统组成。试验舱由室内环境模拟舱与室外环境模拟舱组成，内部尺寸均为1 m×1 m ×1 m，隔墙上有规格为60 cm×60 cm 的双层窗户，传热系数K ＜2.5，试验舱除隔墙外均为绝热保温层。室内环境舱中电极式加湿器作为湿源，运用一个可调节功率的热源模拟人体的散热。室外环境舱利用电加热器作为热源，模拟室外环境。水系统与新风系统均为通过冷水机组与电加热的耦合作用控制冷水的温度，保证供给辐射板与新风风管换热器温度准确的冷水。选用横河MX100数据采集器采集试验舱温湿度传感器信号以及辐射板表面热电偶信号，使用摄像机进行定时 拍照。

2.2 测点布置

室内模拟舱测点布置如图3 所示，在对辐射板结露区域进行研究时，由于辐射板表面温度分布通常不均匀，因此在辐射板表面布置5 个测点，用来计算辐射板表面平均温度，贴附层露点温度通过在辐射板正下方0.05 m 处即贴附层空气位置布置温湿度传感器计算得到。

图3 测点布置Fig. 3 Layout of the measuring points

2.3 试验内容

2.3.1 影响因子的确定

确定辐射板表面结露过程的影响因子，需从湿空气中水分子的冷凝原理出发。路诗奎等［17］研究发现，辐射板面粗糙程度、气体与板面的接触角、辐射板表面温度、空气的温湿度是影响辐射板表面结露现象的重要因素。Jin 等［18］研究发现随着湿源扩散速率的增加，冷凝现象提前发生。由于混凝土与石膏板材质易吸收冷凝水开裂和脱落，金属材质种类繁多微观机理复杂，气体与板面的接触角的研究适用于微观的少量液滴研究。因此，结合试验台实际情况，对以下影响因子进行研究：湿源扩散速率、辐射板表面温度、室内温度、室内相对湿度。

根据《辐射供冷供暖技术规范》《实用供热空调设计手册》对微型试验室影响因子进行取值。湿源扩散速率的定义为室内相对湿度的增加速度，根据室内人员散湿量，并结合相似原理进行计算，确定湿源扩散速率取值为0.2，0.3，0.5 g/min。辐射吊顶供冷表面平均温度下限值为17 ℃，故取辐射板表面温度为18～22 ℃。辐射供冷房间设计温度为24～26 ℃，设计湿度为40%～60%，由于辐射板的结露现象通常发生在室内温度以及湿度相对较高的情况下，且辐射供冷给人的感觉比设计温度低约2 ℃，故取室内温度为26～30 ℃，室内相对湿度为60%～80%，各影响因子的取值见表1。

表1 影响因子取值范围Tab.1 Value range of influencing factor

2.3.2 试验方案

由于辐射板表面的结露现象并非整个表面同时发生，为了防止结露，首先需通过结露程度确定辐射板表面最易结露的位置，后续试验均针对该区域进行研究。最易结露区域试验工况见表2。

表2 最易结露区域试验工况Tab.2 Experimental conditions in the area most prone to condensation

在研究湿源扩散速率的影响时，保持空气温度与辐射板表面温度的恒定，通过调节电极式加湿器流量，并用电子分析天平进行称量，确定加湿器的开启程度，且为避免水分子含量过高在空气中均相凝结，按湿源扩散速率的取值增加室内相对湿度至75%后减小加湿器流量使室内相对湿度保持恒定；在研究辐射板表面温度的影响时，不同工况下，辐射板表面温度为变量，而在试验过程中，需保持板温恒定，为出现结露现象，得到对过冷度、延迟时间的影响，采用调节室内相对湿度的方式改变露点温度，调节方式同湿源扩散速率的影响试验；在研究室内温湿度的影响时，不同工况下，室内温湿度为变量，而在试验过程中，需保持室内温湿度的相对恒定，即露点温度需保持恒定，研究采用降低辐射板表面温度的方式。因调节方式不同对试验工况进行分类，见表3，4。辐射空调结露过程试验工况与工况9 相同。

表3 湿源扩散速率、辐射板表面温度变化试验工况Tab.3 Experimental conditions of the diffusion rate of the moisture source and the temperature change of the radiant panel surface

表4 室内温湿度变化试验工况Tab.4 Experimental conditions of indoor temperature and humidity changes

在进行影响因子对过冷度、延迟时间的影响试验时，每隔1 min 对辐射板表面拍照，并对表面状态进行观察。记录当板表面温度等于露点温度时的时刻、根据辐射空调结露试验确定的结露时刻状态记录结露时刻，以及结露时刻露点温度与板表面的温度的值，通过计算得到过冷度与结露延迟时间。

2.3.3 试验结果准确性

在试验过程中，由于过冷度为露点温度与辐射板表面温度的差值，误差来源主要是辐射板表面热电偶、温湿度传感器等仪器设备误差以及工作环境误差，因此在试验开始之前对试验设备进行了检测，并做好校正。除此之外，尽量保证每次试验过程中外界环境的一致性与稳定性。

在试验进行的过程中，为了保证数据的准确性，采用多次测量求平均值的方法，每组试验均进行3 次重复性试验，保证试验结果的非偶然性、可靠性，试验结果相对偏差均在4%以内，能够达到测试精度要求。

3 试验结果及分析

3.1 辐射板表面结露区域及结露过程分析

3.1.1 辐射板表面结露区域分析

按工况1 进行试验，时长为1 h 时辐射板表面的结露情况如图4 所示。由图中可以看出，结露区域在模拟热源正上方呈环状分布，且距离加湿器更近区域结露面积更大。

图4 辐射板表面结露区域Fig.4 Condensation area on the surface of the radiant panel

结露区域呈环状分布的原因是模拟热源存在加热上方空气，通过对流和辐射的方式使得模拟热源正上方辐射板区域温度相较于辐射板表面其他区域温度更高，在该区域辐射板表面水蒸气的凝结速率小于水滴气化速率。由于辐射空调系统盘管并非满布，在辐射板边缘处，盘管分布较为稀疏，辐射板未能和盘管充分换热，表面温度较高，所以导致辐射板表面的凝结速率降低，未出现结露现象。靠近加湿器的区域，由于空气中湿度较大，增大了水蒸气转变为水滴的速率，因此距离加湿器更近区域结露面积更大。

最易结露区域如图5 所示，在试验进行1 h时出现了明显的露珠，该区域位于靠近窗户中心位置，分析其原因，这是由于室外光照的影响，使得该区域空气温度升高。

图5 最易结露区域结露情况Fig.5 Condensation in the area most prone to condensation

3.1.2 结露过程分析

为全面了解结露过程，确定结露发生时刻的状态点，以作为后续试验出现露点的状态依据，按工况9 进行试验，试验结果如图6 所示。

图6 辐射板表面结露过程Fig.6 Condensation process on the surface of the radiant panel

在试验进行的前30 min，辐射板表面并未出现可见的颗粒状露珠，而是在干燥的辐射板表面逐渐出现雾气，遮挡住原来的反光镜面。在试验进行到50 min 时，板表面出现清晰可见的颗粒状露珠，通过观察发现，露珠分布较为均匀且密集，形状大小较为相似，直径约为1 mm，形状为椭球状。随着试验的进行，露珠体积继续增大，在试验进行到110 min 时，露珠之间开始合成，在试验进行240 min 后，露珠开始从辐射板表面脱落。

由于辐射空调在实际运用中缺少精密度高的测试结露程度的工具，因此通过分析照相机拍摄的照片，将板表面出现肉眼可见的颗粒状露珠，即出现直径约为1 mm 的颗粒状露珠，作为出现露点的状态依据。

3.2 湿源扩散速率、辐射板表面温度变化时过冷度、延迟时间的变化规律

为得到湿源扩散速率、辐射板表面温度变化时过冷度、延迟时间的变化规律，根据工况2-4、5-9 分别进行试验，试验结果如图7，8 所示。

图7 湿源扩散速率变化下的过冷度与延迟时间Fig.7 Subcooling degree and delay time during the change of the diffusion rate of the moisture source

图8 辐射板表面温度变化下的过冷度与延迟时间Fig.8 Subcooling degree and delay time during the change of surface temperature of the radiant panel

由图7 可看出，湿源扩散速率每上升0.1 g/min， 过冷度约上升0.07 ℃，延迟时间约下降2.3 min。这是由于湿源扩散速率增加时，相同时间对应的室内露点温度上升，过冷度逐渐上升。在板表面温度保持不变的情况下，由于空气中的水分子量增加，从而使水分子凝结速率加快，结露延长时间缩短。

由图8 可看出，辐射板表面温度每增加1 ℃，过冷度约下降0.66 ℃，延迟时间约上升5 min。这是由于过冷度为露点温度与板表面温度的差值，室内温湿度一定时，随着板表面温度的上升，与露点温度的差值减小，所以过冷度减小。空气温度与辐射板表面温差减小，使得凝结水析出速率减小，湿空气中水分子的相变速度减慢，导致延迟时间增长。

综上所述，随着湿源扩散速率的增加，过冷度逐渐上升，延迟时间逐渐缩短；随着辐射板表面温度的增加，过冷度逐渐下降，延迟时间逐渐延长。过冷度与延迟时间呈负相关关系。

3.3 室内温湿度变化时过冷度、延迟时间的变化规律

为得到室内温湿度变化时过冷度、延迟时间的变化规律，根据工况10-14、15-19 分别进行试验，试验结果如图9，10 所示。

图9 室内温度变化下的过冷度与延迟时间Fig.9 Subcooling degree and delay time during the indoor temperature changes

图10 室内相对湿度变化下的过冷度与延迟时间Fig.10 Subcooling and delay time during the change of indoor relative humidity

由图9 可以看出，室内温度每上升1 ℃，过冷度下降约0.10 ℃，延迟时间下降约1 min。这是由于当室内温度升高时，辐射板表面温度与贴附层空气露点温度均升高，板表面温度上升速率比露点温度上升速率大，所以，过冷度逐渐减小。然而随着空气温度的升高增加了空气中水分子的动能，使得水分子更易穿过汽液边界在辐射板表面冷凝为液态水，因此，水分子凝结为水蒸气的速率增大。

由图10 可以看出，室内相对湿度每增加5%，过冷度下降约0.15 ℃，延迟时间约下降1.5 min。这是由于湿空气中水分子含量逐渐增加，导致水蒸气的分压力逐渐增大，更易从气态转变为液态，增加了水蒸气转化为液滴的速率，因此结露延迟时间呈下降趋势，同时，过冷度逐渐下降。

综上所述，随着室内温湿度的增加，过冷度与延迟时间均逐渐降低，与湿源扩散速率、辐射板表面温度的影响不同，过冷度与延迟时间不呈负相关关系。

4 结论

（1）辐射板表面结露区域的范围受热源、湿源及辐射板盘管分布情况的影响。热源上方、辐射板边缘区域均由于板面温度较高不易结露，距离湿源较近的区域空气中水分子含量上升增加了结露的风险。辐射板表面的结露是一个缓慢的过程，干燥的辐射板表面先逐渐出现雾气，经过一段时间后，出现可见的颗粒状露珠，颗粒状露珠逐渐增大合成，最终从辐射板表面脱落。在室内温度28 ℃，板表面温度22 ℃，湿源扩散速率 0.5 g/min 时，约经历240 min，露珠开始从辐射板表面脱落。

（2）仅单纯分析过冷度与延迟时间的关系时，过冷度与延迟时间呈负相关关系，更高的过冷度能够增加水蒸气的相变速率使延迟时间缩短。当因室内温湿度增加时，改变了分子动能，增加了水分子含量，过冷度并不能直接决定延迟时间的长短。

（3）随湿源扩散速率的增加，过冷度逐渐上升，延迟时间逐渐缩短；随辐射板表面温度的上升，过冷度逐渐下降，延迟时间逐渐增长。湿源扩散速率每上升0.1 g/min，过冷度约上升0.07 ℃，延迟时间约下降2.3 min；辐射板表面温度每增加1 ℃，过冷度约下降0.66 ℃，延迟时间约上升 5 min。

（4）随室内温度、相对湿度的上升，过冷度、延迟时间均逐渐降低。室内温度每上升1 ℃，过冷度下降约0.10 ℃，延迟时间下降约1 min；室内相对湿度每增加5%，过冷度下降约0.15 ℃，延迟时间约下降1.5 min。