輻射空調過冷度與結露延遲時間動態變化特性研究

金梧鳳，趙 寧，畢 晨，王志強

（天津市制冷技術重點實驗室，天津商業大學，天津 300134）

0 引言

輻射吊頂空調具有舒適度高、節能效果好等優點［1］，然而在夏季供冷時出現的結露問題嚴重阻礙其廣泛應用。以往的研究認為當輻射板表面溫度低于周圍空氣露點溫度時，板表面便會出現結露現象［2-3］，因此，一般控制輻射板表面溫度比露點溫度高2 ℃［4］來避免此現象的發生。然而，在實際工程應用中，結露過程并非瞬間發生，需要輻射板表面溫度比空氣露點溫度低的值超過一定范圍，且需要經歷一段時間才會出現，原有的防結露方法限制了輻射空調的供冷能力。因此，進行有效的針對輻射板表面結露特性的研究是非常必要的。

目前，國內外眾多學者對輻射吊頂空調結露特性及濕空氣冷凝進行了研究。Mumma 等［5］研究發現輻射板冷凝過程是一個相對緩慢的過程，從冷凝開始到第一個冷凝液滴從輻射板離開通常需要幾個小時。Feustel 等［6］通過試驗的方法對輻射板表面的結露特性進行研究，并將輻射板表面溫度與室內露點溫度的差值定義為過冷度。Tang 等［7］進行了關于第一滴冷凝液滴從輻射板表面脫落所需時間的研究，結果表明，隨著過冷度增加，脫落時間逐漸減小。楊江濤等［8］研究發現隨著室內人數的增加，輻射空調結露風險增加。隋學敏等［9］研究發現應對輻射板表面的濕度進行監控。冉廣鵬等［10］將轉輪除濕新風與毛細管輻射供冷聯合運行與毛細管輻射空調單獨運行的結露現象進行對比。金梧鳳等［11］對系統穩定階段人體散濕強度和人員散濕位置對結露特性的影響進行研究。尹亞領［12］研究發現在輻射空調系統使用過冷度的概念，能夠最大限度降低冷水系統的進水溫度，使單位面積輻射供冷板的換熱性能增加。田永蘭［13］對濕空氣的冷凝與傳熱過程進行了研究。李培生等［14］研究發現非均質表面能在一定程度上誘導液滴脫落。費媛媛等［15］研究發現滴狀冷凝的生成過程包括液滴的成核、獨立生長和合并。

以上研究表明，國內外對于結露特性以及濕空氣冷凝的研究大多基于微觀的少量液滴，且對于輻射空調的結露特性，僅針對液滴脫落時刻的冷凝時間進行研究，輻射板表面出現露珠時同樣具有危害性。為了更加全面地了解輻射空調結露特性，本文將提出延遲時間的概念，并結合過冷度進行研究，通過搭建微型試驗臺，運用試驗研究的方式對結露區域進行研究，并在最易結露區域通過對結露過程的宏觀把控，確定結露發生時刻的狀態點，進一步分析過冷度、延遲時間隨影響因子變化的動態變化特性以及二者關系，為提高輻射空調供冷能力提供依據。

1 過冷度與延遲時間的定義

發生結露時輻射板表面溫度與露點溫度的差值被稱之為過冷度［6］；當輻射板表面溫度等于露點溫度時到發生結露所需的時間被稱之為延遲時間，定義方式如圖1 所示，圖中N 點為輻射板表面溫度等于露點溫度的時刻。

圖1 過冷度與延遲時間的定義Fig.1 Definition of subcooling degree and delay time

2 試驗臺及試驗內容

2.1 試驗臺

由于傳統的輻射供冷房間吊頂面積較大，不利于對結露現象的觀察，因此利用相似原理，設計搭建微型輻射空調試驗臺，試驗模擬的輻射空調房間的尺寸為2.6 m×2.6 m×2.6 m，需要滿足物理空間幾何相似，并對各項參數進行換算［16］，試驗臺系統如圖2 所示。

圖2 試驗臺系統Fig.2 Schematic diagram of the test bench system

試驗臺由試驗艙、冷水系統、新風系統、控制與信息采集系統組成。試驗艙由室內環境模擬艙與室外環境模擬艙組成，內部尺寸均為1 m×1 m ×1 m，隔墻上有規格為60 cm×60 cm 的雙層窗戶，傳熱系數K ＜2.5，試驗艙除隔墻外均為絕熱保溫層。室內環境艙中電極式加濕器作為濕源，運用一個可調節功率的熱源模擬人體的散熱。室外環境艙利用電加熱器作為熱源，模擬室外環境。水系統與新風系統均為通過冷水機組與電加熱的耦合作用控制冷水的溫度，保證供給輻射板與新風風管換熱器溫度準確的冷水。選用橫河MX100數據采集器采集試驗艙溫濕度傳感器信號以及輻射板表面熱電偶信號，使用攝像機進行定時 拍照。

2.2 測點布置

室內模擬艙測點布置如圖3 所示，在對輻射板結露區域進行研究時，由于輻射板表面溫度分布通常不均勻，因此在輻射板表面布置5 個測點，用來計算輻射板表面平均溫度，貼附層露點溫度通過在輻射板正下方0.05 m 處即貼附層空氣位置布置溫濕度傳感器計算得到。

圖3 測點布置Fig. 3 Layout of the measuring points

2.3 試驗內容

2.3.1 影響因子的確定

確定輻射板表面結露過程的影響因子，需從濕空氣中水分子的冷凝原理出發。路詩奎等［17］研究發現，輻射板面粗糙程度、氣體與板面的接觸角、輻射板表面溫度、空氣的溫濕度是影響輻射板表面結露現象的重要因素。Jin 等［18］研究發現隨著濕源擴散速率的增加，冷凝現象提前發生。由于混凝土與石膏板材質易吸收冷凝水開裂和脫落，金屬材質種類繁多微觀機理復雜，氣體與板面的接觸角的研究適用于微觀的少量液滴研究。因此，結合試驗臺實際情況，對以下影響因子進行研究：濕源擴散速率、輻射板表面溫度、室內溫度、室內相對濕度。

根據《輻射供冷供暖技術規范》《實用供熱空調設計手冊》對微型試驗室影響因子進行取值。濕源擴散速率的定義為室內相對濕度的增加速度，根據室內人員散濕量，并結合相似原理進行計算，確定濕源擴散速率取值為0.2，0.3，0.5 g/min。輻射吊頂供冷表面平均溫度下限值為17 ℃，故取輻射板表面溫度為18～22 ℃。輻射供冷房間設計溫度為24～26 ℃，設計濕度為40%～60%，由于輻射板的結露現象通常發生在室內溫度以及濕度相對較高的情況下，且輻射供冷給人的感覺比設計溫度低約2 ℃，故取室內溫度為26～30 ℃，室內相對濕度為60%～80%，各影響因子的取值見表1。

表1 影響因子取值范圍Tab.1 Value range of influencing factor

2.3.2 試驗方案

由于輻射板表面的結露現象并非整個表面同時發生，為了防止結露，首先需通過結露程度確定輻射板表面最易結露的位置，后續試驗均針對該區域進行研究。最易結露區域試驗工況見表2。

表2 最易結露區域試驗工況Tab.2 Experimental conditions in the area most prone to condensation

在研究濕源擴散速率的影響時，保持空氣溫度與輻射板表面溫度的恒定，通過調節電極式加濕器流量，并用電子分析天平進行稱量，確定加濕器的開啟程度，且為避免水分子含量過高在空氣中均相凝結，按濕源擴散速率的取值增加室內相對濕度至75%后減小加濕器流量使室內相對濕度保持恒定；在研究輻射板表面溫度的影響時，不同工況下，輻射板表面溫度為變量，而在試驗過程中，需保持板溫恒定，為出現結露現象，得到對過冷度、延遲時間的影響，采用調節室內相對濕度的方式改變露點溫度，調節方式同濕源擴散速率的影響試驗；在研究室內溫濕度的影響時，不同工況下，室內溫濕度為變量，而在試驗過程中，需保持室內溫濕度的相對恒定，即露點溫度需保持恒定，研究采用降低輻射板表面溫度的方式。因調節方式不同對試驗工況進行分類，見表3，4。輻射空調結露過程試驗工況與工況9 相同。

表3 濕源擴散速率、輻射板表面溫度變化試驗工況Tab.3 Experimental conditions of the diffusion rate of the moisture source and the temperature change of the radiant panel surface

表4 室內溫濕度變化試驗工況Tab.4 Experimental conditions of indoor temperature and humidity changes

在進行影響因子對過冷度、延遲時間的影響試驗時，每隔1 min 對輻射板表面拍照，并對表面狀態進行觀察。記錄當板表面溫度等于露點溫度時的時刻、根據輻射空調結露試驗確定的結露時刻狀態記錄結露時刻，以及結露時刻露點溫度與板表面的溫度的值，通過計算得到過冷度與結露延遲時間。

2.3.3 試驗結果準確性

在試驗過程中，由于過冷度為露點溫度與輻射板表面溫度的差值，誤差來源主要是輻射板表面熱電偶、溫濕度傳感器等儀器設備誤差以及工作環境誤差，因此在試驗開始之前對試驗設備進行了檢測，并做好校正。除此之外，盡量保證每次試驗過程中外界環境的一致性與穩定性。

在試驗進行的過程中，為了保證數據的準確性，采用多次測量求平均值的方法，每組試驗均進行3 次重復性試驗，保證試驗結果的非偶然性、可靠性，試驗結果相對偏差均在4%以內，能夠達到測試精度要求。

3 試驗結果及分析

3.1 輻射板表面結露區域及結露過程分析

3.1.1 輻射板表面結露區域分析

按工況1 進行試驗，時長為1 h 時輻射板表面的結露情況如圖4 所示。由圖中可以看出，結露區域在模擬熱源正上方呈環狀分布，且距離加濕器更近區域結露面積更大。

圖4 輻射板表面結露區域Fig.4 Condensation area on the surface of the radiant panel

結露區域呈環狀分布的原因是模擬熱源存在加熱上方空氣，通過對流和輻射的方式使得模擬熱源正上方輻射板區域溫度相較于輻射板表面其他區域溫度更高，在該區域輻射板表面水蒸氣的凝結速率小于水滴氣化速率。由于輻射空調系統盤管并非滿布，在輻射板邊緣處，盤管分布較為稀疏，輻射板未能和盤管充分換熱，表面溫度較高，所以導致輻射板表面的凝結速率降低，未出現結露現象。靠近加濕器的區域，由于空氣中濕度較大，增大了水蒸氣轉變為水滴的速率，因此距離加濕器更近區域結露面積更大。

最易結露區域如圖5 所示，在試驗進行1 h時出現了明顯的露珠，該區域位于靠近窗戶中心位置，分析其原因，這是由于室外光照的影響，使得該區域空氣溫度升高。

圖5 最易結露區域結露情況Fig.5 Condensation in the area most prone to condensation

3.1.2 結露過程分析

為全面了解結露過程，確定結露發生時刻的狀態點，以作為后續試驗出現露點的狀態依據，按工況9 進行試驗，試驗結果如圖6 所示。

圖6 輻射板表面結露過程Fig.6 Condensation process on the surface of the radiant panel

在試驗進行的前30 min，輻射板表面并未出現可見的顆粒狀露珠，而是在干燥的輻射板表面逐漸出現霧氣，遮擋住原來的反光鏡面。在試驗進行到50 min 時，板表面出現清晰可見的顆粒狀露珠，通過觀察發現，露珠分布較為均勻且密集，形狀大小較為相似，直徑約為1 mm，形狀為橢球狀。隨著試驗的進行，露珠體積繼續增大，在試驗進行到110 min 時，露珠之間開始合成，在試驗進行240 min 后，露珠開始從輻射板表面脫落。

由于輻射空調在實際運用中缺少精密度高的測試結露程度的工具，因此通過分析照相機拍攝的照片，將板表面出現肉眼可見的顆粒狀露珠，即出現直徑約為1 mm 的顆粒狀露珠，作為出現露點的狀態依據。

3.2 濕源擴散速率、輻射板表面溫度變化時過冷度、延遲時間的變化規律

為得到濕源擴散速率、輻射板表面溫度變化時過冷度、延遲時間的變化規律，根據工況2-4、5-9 分別進行試驗，試驗結果如圖7，8 所示。

圖7 濕源擴散速率變化下的過冷度與延遲時間Fig.7 Subcooling degree and delay time during the change of the diffusion rate of the moisture source

圖8 輻射板表面溫度變化下的過冷度與延遲時間Fig.8 Subcooling degree and delay time during the change of surface temperature of the radiant panel

由圖7 可看出，濕源擴散速率每上升0.1 g/min， 過冷度約上升0.07 ℃，延遲時間約下降2.3 min。這是由于濕源擴散速率增加時，相同時間對應的室內露點溫度上升，過冷度逐漸上升。在板表面溫度保持不變的情況下，由于空氣中的水分子量增加，從而使水分子凝結速率加快，結露延長時間縮短。

由圖8 可看出，輻射板表面溫度每增加1 ℃，過冷度約下降0.66 ℃，延遲時間約上升5 min。這是由于過冷度為露點溫度與板表面溫度的差值，室內溫濕度一定時，隨著板表面溫度的上升，與露點溫度的差值減小，所以過冷度減小。空氣溫度與輻射板表面溫差減小，使得凝結水析出速率減小，濕空氣中水分子的相變速度減慢，導致延遲時間增長。

綜上所述，隨著濕源擴散速率的增加，過冷度逐漸上升，延遲時間逐漸縮短；隨著輻射板表面溫度的增加，過冷度逐漸下降，延遲時間逐漸延長。過冷度與延遲時間呈負相關關系。

3.3 室內溫濕度變化時過冷度、延遲時間的變化規律

為得到室內溫濕度變化時過冷度、延遲時間的變化規律，根據工況10-14、15-19 分別進行試驗，試驗結果如圖9，10 所示。

圖9 室內溫度變化下的過冷度與延遲時間Fig.9 Subcooling degree and delay time during the indoor temperature changes

圖10 室內相對濕度變化下的過冷度與延遲時間Fig.10 Subcooling and delay time during the change of indoor relative humidity

由圖9 可以看出，室內溫度每上升1 ℃，過冷度下降約0.10 ℃，延遲時間下降約1 min。這是由于當室內溫度升高時，輻射板表面溫度與貼附層空氣露點溫度均升高，板表面溫度上升速率比露點溫度上升速率大，所以，過冷度逐漸減小。然而隨著空氣溫度的升高增加了空氣中水分子的動能，使得水分子更易穿過汽液邊界在輻射板表面冷凝為液態水，因此，水分子凝結為水蒸氣的速率增大。

由圖10 可以看出，室內相對濕度每增加5%，過冷度下降約0.15 ℃，延遲時間約下降1.5 min。這是由于濕空氣中水分子含量逐漸增加，導致水蒸氣的分壓力逐漸增大，更易從氣態轉變為液態，增加了水蒸氣轉化為液滴的速率，因此結露延遲時間呈下降趨勢，同時，過冷度逐漸下降。

綜上所述，隨著室內溫濕度的增加，過冷度與延遲時間均逐漸降低，與濕源擴散速率、輻射板表面溫度的影響不同，過冷度與延遲時間不呈負相關關系。

4 結論

（1）輻射板表面結露區域的范圍受熱源、濕源及輻射板盤管分布情況的影響。熱源上方、輻射板邊緣區域均由于板面溫度較高不易結露，距離濕源較近的區域空氣中水分子含量上升增加了結露的風險。輻射板表面的結露是一個緩慢的過程，干燥的輻射板表面先逐漸出現霧氣，經過一段時間后，出現可見的顆粒狀露珠，顆粒狀露珠逐漸增大合成，最終從輻射板表面脫落。在室內溫度28 ℃，板表面溫度22 ℃，濕源擴散速率 0.5 g/min 時，約經歷240 min，露珠開始從輻射板表面脫落。

（2）僅單純分析過冷度與延遲時間的關系時，過冷度與延遲時間呈負相關關系，更高的過冷度能夠增加水蒸氣的相變速率使延遲時間縮短。當因室內溫濕度增加時，改變了分子動能，增加了水分子含量，過冷度并不能直接決定延遲時間的長短。

（3）隨濕源擴散速率的增加，過冷度逐漸上升，延遲時間逐漸縮短；隨輻射板表面溫度的上升，過冷度逐漸下降，延遲時間逐漸增長。濕源擴散速率每上升0.1 g/min，過冷度約上升0.07 ℃，延遲時間約下降2.3 min；輻射板表面溫度每增加1 ℃，過冷度約下降0.66 ℃，延遲時間約上升 5 min。

（4）隨室內溫度、相對濕度的上升，過冷度、延遲時間均逐漸降低。室內溫度每上升1 ℃，過冷度下降約0.10 ℃，延遲時間下降約1 min；室內相對濕度每增加5%，過冷度下降約0.15 ℃，延遲時間約下降1.5 min。