辐射供冷空调系统防结露研究综述

陈宏刚 曹小杰 郝梦丽 陈九法

1 中铁十二局集团建筑安装工程有限公司

2 东南大学能源与环境学院

相比于传统的空调系统，辐射供冷空调系统以其更舒适、节能且运行安静美观等优点逐渐受到人们的青睐[1-3]，但系统易结露以及单位面积换热量不足等问题阻碍其进一步的推广和应用[4-6]。因此，防止辐射供冷空调末端结露的研究对于该系统的推广应用具有重要意义。本文将以辐射供冷空调系统的防结露研究为出发点，对影响系统结露的因素与现有防结露技术的研究进行总结，并对现有防结露技术进行评价，根据综述结果，提出目前研究中亟待解决的问题，为辐射供冷空调系统防结露的进一步研究提供参考方向。

1 结露机理

结露是湿空气中的水蒸气液化析出的过程。理论上在一定温度下，水蒸气分压力达到了当前空气温度下水蒸气饱和分压力是，水蒸气就会凝结成液态水滴，在辐射末端上的表现就是结露现象。结露的原因有以下两种[7]：

1）水蒸气分压力不变时，不饱和湿空气受到冷却，温度降低，此时湿空气中的水蒸气饱和分压力降低，直至达到水蒸气饱和时的温度即湿空气的露点温度，此时湿空气中的水蒸气开始析出。在辐射供冷空调系统中这种情况出现的原因是室内热环境不变时辐射板温度降低，多发生在辐射供冷空调系统刚启用阶段。

2）室内温度不变时，空气中的水蒸气含量增加，水蒸气分压力升高直至到饱和，即相对湿度达到 100%时，湿空气中的水蒸气开始液化。在辐射供冷空调系统中这种情况出现的原因是空调参数运行稳定的室内湿源强度突然增大，例如室内人员数量增加、开启门窗等情况。

2 防结露技术研究

2.1 供水控制

在辐射供冷空调系统设计时，选用适宜的供水温度或供回水温差，使得辐射板表面的温度高于相应空调房间的露点温度，来达到避免结露的目的。但当室内湿负荷较高时，要求的供水温度就较高，此控制方法的缺点是限制了辐射板的供冷量。L im J.H 等[8]对居住建筑的地板辐射供冷系统的运行控制方式进行模拟与实验研究，指出水温控制优于流量控制，为了防止结露，可通过露点温度控制水温。

毛磊等[9]研究了顶板辐射供冷与新风联合系统的辐射顶板的热力学性质，结果表明，将供水温度控制在适当范围内就可以有效控制辐射板不发生结露。

赵羽等[10]采用 TRNSYS 软件对辐射板加独立新风系统进行了模拟研究，探讨定水温和变水温控制对结露现象的发生频率的影响，结果表明，变水温控制方式可有效降低结露风险。

袁玉洁[11]等人从控制机理的角度研究了辐射供冷空调系统的防结露措施，并研究了新风对系统防结露控制的作用和效果，最后提出辐射供冷加新风符合系统中提高供水温度是防止辐射供冷空调系统结露的有利措施。

Mumma[12]在研究中指出即使工程设计时考虑了结露可能性，但当室内湿负荷突然增加时，冷却顶板仍可能结露，提出可以通过安装传感器监测露点温度值控制辐射板进水温度高于室内空气露点温度的方式防止结露发生。

Simmonds[13]在研究中指出应该优先采用控制冷却顶板进水温度的方法控制辐射顶板表面温度。

Lim Jae-Han[14]研究了混凝土地板辐射供冷的防结露控制，通过不同的防结露控制方式对比分析，结果表明：供水温度的调节方式比供水流量的调节方式能更好的控制室内温度。研究还提出防结露控制的主要方式为根据室内空气的露点温度调节系统的供水温度，在房间末端可以通过供水开关调节防止结露。

2.2 独立送风除湿

1）地板送风

地板送风是利用地板送风口送出的具有一定速度的射流去卷吸房间下部污浊空气，混合后的气流从房间上部的排风口排出[15]。送风温度可以低于置换通风，因此系统所承担的冷负荷大于置换通风。

王亮等[16]研究了辐射供冷与下送风复合空调系统的使用性能，结果表明，在风速，送风温度和风口尺寸等参数设置相同时，地面送风使工作区的风速达到了0.4 m/s，容易造成人体的不适。

2）贴附射流

贴附射流的送风口位于房间上部，由于房间上部的射流区和下部的回流区之间的静压差的作用射流只能贴附于天花板表面流动，并在近墙处下降，在射流区下部不断卷吸室内污浊空气，再由对面墙壁上接近顶板的回风口排出[15]。

李念平等[17]通过实验小室进行对比实验，研究贴附射流与辐射冷顶板空调系统复合后防止辐射冷顶板结露的效果，结果表明复合系统可由有效降低辐射冷板附近空气的露点温度，防止辐射冷顶板结露，且不影响制冷性能。

Corgnati[18]运用模拟的方法研究辐射供冷空调系统配合不同送风方式使用进行研究，结果表明辐射吊顶供冷空调在与贴服射流送风方式组合使用时能在辐射板周围形成一层空气层，由于该空气层温度和湿度都较低从而可以有效降低结露的风险。

雷会玉等[19]研究发现当辐射供冷空调系统配合贴服射流的送风方式时，在房间顶板下方贴附空气层，该空气层温度和湿度均相对较低，有效隔开了室内湿空气与辐射顶板的接触，可以有效的防止结露的发生。

于志浩等[20]通过对毛细管辐射吊顶与置换通风、贴附射流两种送风方式耦合的供冷性能研究，结果表明，两种负荷空调系统都满足舒适性要求，但辐射顶板与贴附射流耦合的供冷能力相对较高。

3）置换送风

置换通风的新风从房间的下部以较低的速度送出并沿地面扩散开来，在地面上形成洁净空气湖，当接触到热源后卷吸污浊空气上升，由房间上部的排风口排出[15]。置换通风由于其送风温度和送风速度的限制，室内的垂直温差较大，置换通风的最大制冷能力为30～40 W/m2。在置换通风与辐射供冷复合系统中，送风可以承担一部分室内的冷负荷，从而提高了该系统的供冷能力。室外高湿的空气经过除湿冷却处理后，被送入房间，可以解决人员的卫生需求，同时降低室内的湿度，降低辐射板结露的危险性。

康志强等[21]分析了冷辐射表面的结露原因，研究了置换通风对辐射供冷空调的影响，结果表明置换通风与辐射供冷相结合不仅可优化空气品质，更能解决结露问题。

钱佳玮等[22]采用数值分析方法，分别对单独采用置换通风，顶板辐射供冷和两者复合情况下的室内热环境进行了研究，结果表明采用置换通风加顶板辐射供冷复合系统的舒适性最好，冷板表面结露的可能性更小。

吴长风等[23]人以衡阳某办公楼辐射吊顶加独立新风空调系统为对象，建立模型对系统启动过程进行了研究，研究结果表明同时开启新风系统和辐射板系统会使吊顶发生结露，因此系统需要提前进行除湿，通过长期运行模拟，得到夏季最佳预除湿时间为 50 min左右。

采用预先通风除湿的方案虽然能解决系统启动初期的结露问题，但预先通风除湿的时间缺少具体有效的数值参考。室内空气预先通风除湿的时间与供冷房间的启动湿负荷有关，辐射板表面设计温度的提高，有利于减小启动湿负荷，但相应也会降低辐射供冷的能力。而且地板/吊顶辐射供冷的能力本身就较小，辐射板表面设计温度的提高只会加剧供冷量不足的问题。

2.3 优化辐射板参数

Anna Werner[24]是通过对具有不同表面特性的小型玻璃样本的凝聚样品初步对比进行研究。实验是在瑞典乌普萨拉城市的一个晴朗的夜晚，观察水在三种商品玻璃样本（无涂层的，涂有 TiO2的和涂有 SnO2的）表面上的凝结情况。结果表明，具有低辐射涂层的玻璃片上的抗凝结效果比其它两种要好。在早上，能够透过涂有 TiO2涂层的玻璃片上的水层看到玻璃片的另一面，而另外两种仍然很模糊。涂有 TiO2涂层的玻璃片不能防止结露，但视线透过水层较容易。这些简单实验显示不同材料表面的明显区别。

西安建筑科技大学的刘艳峰针对冷暖两用辐射地面的结露问题，通过分析室内露点温度与地板表面温度、埋地盘管外壁面温度之间的关系，指出了冷暖两用辐射地面的结露机理，并对不同室内、外界环境和地板结构条件计算后，得出此类地板表面及内部不结露条件指出采用密排盘管、薄填充层的地板结构，利于防止地板内部结露，当地板盘管管径为 20 mm，管间距为 200 mm，冷热负荷比为 1.5 时，不同室内露点温度和填充层厚度条件下，地板内部结露曲线如图1 所示[25]。当地板盘管管径为 20 mm，填充层厚度为50 mm，冷热负荷比为 1.5 时，不同室内露点温度和盘管间距条件下，地板内部结露曲线如图2 所示。

图1 不同室内露点温度和填充层厚度地板内部结露曲线

图2 不同室内露点温度和盘管间距地板内部结露曲线

Yin 等[26]人通过实验，对辐射板结构的传热进行了研究，研究了不同过冷度下不同材料和结构的辐射供冷空调系统辐射板表面的结露情况。

Tang 等[27]人研究了辐射供冷空调系统采用金属表面时结露的形成过程，对比了没有经过处理的表面和疏水表面的结露特性差异。

Fauchoux [28]研究一种新型辐射板对辐射供冷空调防结露的作用，这类辐射板不仅能进行热量传递还能进行湿量传递，结果表明这类新型辐射板能够有效防止辐射供冷空调系统结露的发生。

2.4 自控方式

张东亮等 [29]将预测控制应用于顶棚辐射结合下送风供冷系统，以室内空气温度，湿度和作用温度为被控量，以系统能耗指标EI 与热舒适指标 PMV-PPD 作为控制目标，以顶棚表面防结露为控制约束，基于顶棚辐射结合下送风供冷系统热湿传递模型，进行模型预测控制器开发与应用，并将其控制性能与 PID 控制性能进行试验比较，结果表明，与 PID 控制相比，模型预测控制的热舒适指标PMV-PPD 降至热舒适范围所需时间更少，对设定值的响应更快，控制更稳定，实验期间，模型预测控制的系统能耗指标EI 比PID 控制降低了13.93%。因此，模型预测控制在保证热舒适的同时提升了系统的节能性，具有更大的优越性。

3 结论

制约辐射空调系统推广的主要原因就是结露问题。传统的研究认为，当辐射板表面的温度比室内空气露点温度低时就会发生结露，因此实际工程中辐射板表面温度设定始终比室内露点温度高，但同时也严重限制了辐射空调的制冷能力，尤其是实际应用过程中，结露并非瞬间产生，需要辐射板温度比室内露点温度低的超过一定范围，且热量传递需要一段时间，因此对辐射空调系统防结露的优化对于辐射空调系统的推广具有重要意义[30]。

通过对辐射制冷系统防结露研究综述发现，可以得出结论：优化辐射制冷系统防结露问题可以从空气预除湿，温度控制，优化气流组织和优化辐射板参数等方面着手，同时对以后的研究方向提出了展望：

1）控制末端供水温度方式更优于控制供水流量，但是会限制辐射板的供冷能力，且对控制系统要求较高，加大维护难度。其中通过温湿度传感器的反馈调节供水温度在一定上可以缓解结露问题，但是人员进出及开关门等不可因素较多，反馈不及时，影响系统稳定性。学者可以从人员数量增加和开启门窗两方面着手研究响应的防结露控制策略。

2）通过与新风系统复合可以有效解决辐射板结露问题，但是会增加辐射空调系统整体的设计难度，而且会增加新风系统承担的冷负荷，相对减少了辐射供冷负荷，体现不出辐射供冷系统节能效益，因此辐射板空调系统与新风系统的运行控制策略也具有一定的研究价值。

3）辐射板表面温度低于贴附层空气露点温度时结露不会立即发生，而是需要一定的过冷度和延迟时间结露才会发生，目前相关的研究匮乏，因此对过冷度和延迟时间研究对推广辐射制冷空调系统也具有重大意义。