輻射制冷系統(tǒng)防結(jié)露措施研究

粟燁嶺，張燦

安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥230601；中能建城市投資發(fā)展有限公司合肥事業(yè)部，安徽 合肥230601

傳統(tǒng)的分體式空調(diào)由于吹風(fēng)感、空調(diào)機運行噪聲及溫度場不均勻會導(dǎo)致舒適度降低，輻射空調(diào)在舒適度和節(jié)能性方面具有明顯的優(yōu)勢。輻射空調(diào)的冷水溫度較高，可以使用高溫冷水或自然低溫水直接供冷，大大提高設(shè)備的COP，降低設(shè)備的能源消耗，且房間的熱舒適度較高。輻射空調(diào)系統(tǒng)在使用過程中，容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，造成墻面發(fā)霉、涂料脫落等。另外，凝結(jié)水會在輻射板上形成一層薄薄的水膜，影響制冷系統(tǒng)的正常制冷，長時間還會造成輻射板的腐蝕和霉變。同時，結(jié)露也會導(dǎo)致細菌、真菌等微生物的繁殖，對室內(nèi)環(huán)境造成一定的影響，嚴重時還會形成“辦公室雨”。輻射空調(diào)系統(tǒng)在夏天供冷時產(chǎn)生的結(jié)露是制約該系統(tǒng)推廣使用的最大障礙，因此研究輻射制冷系統(tǒng)的防結(jié)露措施至關(guān)重要。

1 項目來源

合肥某住宅小區(qū)按照綠色三星級建筑標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，在運行期推行綠色物業(yè)管理和節(jié)能運行體系，實現(xiàn)對綠色建筑從設(shè)計到施工到運行的全程控制。

項目所有住宅均為精裝修，有效實現(xiàn)了土建和裝修一體化的設(shè)計與施工，避免了裝修時對已有建筑構(gòu)件的破壞，提高了施工質(zhì)量，減少了材料浪費，同時保證了戶（間）內(nèi)隔墻、樓板的良好隔聲性能。項目均采用“地源熱泵系統(tǒng)集中空調(diào)+置換新風(fēng)系統(tǒng)+天棚輻射末端+排放熱回收”空調(diào)供暖系統(tǒng)，保證室內(nèi)的高舒適度；采用空氣源熱水系統(tǒng)，充分利用可再生能源；采用2 級以上高效節(jié)水器具，在提高品質(zhì)的同時，降低運營階段的水資源消耗；采用電動調(diào)節(jié)外遮陽系統(tǒng)，節(jié)能降耗的同時提升戶內(nèi)采光舒適性。同時，在場地內(nèi)設(shè)置雨水收集裝置，將雨水經(jīng)過濾消毒處理后用于綠化澆灑、道路沖洗、洗車等，有效提高水資源利用率并順應(yīng)海綿城市建設(shè)要求；地庫設(shè)計CO 濃度監(jiān)控系統(tǒng)，提升地庫空氣品質(zhì)。并且，項目采用了BIM 技術(shù)，提升設(shè)計和施工效率。該項目因地制宜地采用多項綠色建筑技術(shù)措施，在行業(yè)內(nèi)樹立了綠色建筑的新標(biāo)桿。

由于采用天棚輻射系統(tǒng)，受合肥地區(qū)氣候特點和住戶使用習(xí)慣影響，項目不可避免地會產(chǎn)生結(jié)露問題，故必須進行輻射制冷系統(tǒng)防結(jié)露措施研究，若能妥善解決結(jié)露問題，則可以更有效地發(fā)揮綠色科技住宅的優(yōu)勢。

2 輻射系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 輻射空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)是對溫濕度進行統(tǒng)一處理，“吹風(fēng)感”大，噪聲大，不能滿足人們對舒適度的高要求。毛細管輻射與置換式換氣空調(diào)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對室內(nèi)溫、濕度的單獨控制，解決室內(nèi)的濕度與空氣質(zhì)量問題。作為一種節(jié)能、舒適的空調(diào)系統(tǒng)，毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)近年來受到廣泛關(guān)注［1］。

在冬季供水溫度約32℃、夏季供水溫度約18℃時，毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)即可實現(xiàn)較好的供暖與制冷效果。該空調(diào)系統(tǒng)可直接或間接地使用太陽能、地?zé)?、工業(yè)余熱以及其他低等級的能量，以節(jié)省礦物燃料能源，減少廢氣和廢物排放。因此，毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)是一種節(jié)能型的空調(diào)系統(tǒng)，對緩解我國城市霧霾問題具有重要意義，也是節(jié)能減排、發(fā)展綠色建筑的重要途徑和方法。

與常規(guī)空調(diào)相比，毛細管輻射空調(diào)具有以下優(yōu)勢。一是舒適度高。以輻射換熱為主，室內(nèi)溫度均勻，噪聲小。二是易維護。通常不會有漏水的問題，若其漏水，可以采用熱熔連接的方法進行維修。三是安裝方便。毛細管輻射板的厚度薄，而且毛細管可以被布置成各種造型，輻射板荷載很低，容易與室內(nèi)裝飾結(jié)合在一起，在室內(nèi)地面、墻壁或天花板上都可以安裝，不會影響建筑裝修的美觀。四是高效節(jié)能。毛細管系統(tǒng)的熱輻射面積非常大，冬季可以保持室內(nèi)在20—24℃左右，夏季可以保持室內(nèi)在22—28℃左右，更重要的是還可以結(jié)合可再生能源，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效益。五是綠色環(huán)保。原材料的生產(chǎn)制造，通過相關(guān)的質(zhì)量檢驗，可以在預(yù)期的使用壽命里安全使用，采用的材料不僅衛(wèi)生環(huán)保，而且沒有毒性，可以循環(huán)利用，降低對環(huán)境的破壞。

2.2 輻射空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成

輻射空調(diào)系統(tǒng)的基本組成包括冷熱源主機、置換新風(fēng)系統(tǒng)、末端系統(tǒng)等。冷熱源主機一般采用集中式的地源熱泵主機或空氣源熱泵主機，提供合適溫度的冷熱水。置換新風(fēng)系統(tǒng)是輻射空調(diào)系統(tǒng)正常運行的一個重要組成部分，能夠保證空調(diào)房間合理的濕度，從而防止輻射板的表面產(chǎn)生結(jié)露，同時提供室內(nèi)需要的新風(fēng)，滿足室內(nèi)對空氣品質(zhì)的要求。輻射空調(diào)系統(tǒng)的末端系統(tǒng)的主要構(gòu)成有金屬輻射頂板、天棚管和毛細管輻射管席。輻射空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成原理如圖1 所示。

圖1 輻射空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成原理

天棚供暖與制冷系統(tǒng)是一種新型的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括室內(nèi)混凝土樓板頂棚供暖與制冷、置換新風(fēng)、熱工性能好的外墻保溫與節(jié)能技術(shù)。天棚輻射供暖制冷與新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是將PB盤管鋪設(shè)在屋頂水泥樓板內(nèi)，利用載體的持續(xù)循環(huán)，對上部混凝土樓面進行加熱或冷卻，同時提供適當(dāng)?shù)男迈r空氣。夏季，系統(tǒng)將18℃的冷水埋入混凝土中的聚丁烯螺旋管，使樓板降溫，吸收室內(nèi)熱量，保持室內(nèi)的舒適溫度，使其恒溫；冬季，聚丁烯螺旋管內(nèi)的熱水供水溫度達到35℃，并將熱量輻射到室內(nèi)。這種低溫差輻射模式具有比空氣對流更高的供熱、制冷效率。它的輻射換熱形式?jīng)]有其他空調(diào)形式的空氣對流帶來的吹風(fēng)不適感，室內(nèi)的溫度也比較均勻，從而創(chuàng)造一個較好的熱濕環(huán)境［2］。

2.3 輻射供冷系統(tǒng)存在的問題

為滿足使用者對新鮮空氣的需要，置換新風(fēng)系統(tǒng)是輻射系統(tǒng)的必要條件，本系統(tǒng)設(shè)置新風(fēng)空調(diào)處理系統(tǒng)，對送入室內(nèi)的新風(fēng)進行冷卻除濕或預(yù)熱加濕，實現(xiàn)室內(nèi)恒溫恒濕目的。但是室外空氣進入室內(nèi)空調(diào)房間，容易引起天花板和地面結(jié)露。室內(nèi)結(jié)露的產(chǎn)生容易引發(fā)霉變，既影響美觀，還滋生細菌，嚴重影響人們的健康生活。

3 輻射制冷系統(tǒng)結(jié)露的機理研究

3.1 結(jié)露的成因

結(jié)露指物體表面溫度低于附近空氣露點溫度時表面出現(xiàn)冷凝水的現(xiàn)象，是客觀存在的一種氣候?qū)W現(xiàn)象。某一溫度下，水蒸氣達到了水蒸氣分壓飽和狀態(tài)時，就會釋放出熱量，從而形成水露。在潮濕的非飽和氣體中，如果物體空隙部位、表面、內(nèi)部的溫度都比空氣要低，則會使周圍空氣中的水蒸氣發(fā)生結(jié)露。水蒸氣的凝固可分為兩種：珠狀凝固和膜狀凝固。熱空氣在與輻射冷板的壁面接觸時，形成了一種不完全的珠狀凝固，它是一種介于珠狀和薄膜狀兩種形式之間的新型凝固形式。

輻射冷板的供水溫度太低，以及室溫太高，都是導(dǎo)致輻射板面結(jié)露的主要因素。在實際中，室內(nèi)空氣濕度突然增加，超出空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計狀態(tài)，就會導(dǎo)致輻射冷板結(jié)露。因此，在合理的設(shè)計條件下，應(yīng)加強對系統(tǒng)運行期的防結(jié)露控制。Tang et al. 實驗結(jié)果顯示，當(dāng)冷頂板的過冷度低于3℃時，從結(jié)露到形成水滴所需時間在10h 以上［3］?？梢娊Y(jié)露過程極其緩慢，只要系統(tǒng)控制合理有效，就可以避免結(jié)露的產(chǎn)生。

3.2 防結(jié)露的機理

輻射冷板防結(jié)露控制理論可從以下兩方面考慮。

第一，當(dāng)室內(nèi)控制目標(biāo)一定，即室內(nèi)設(shè)計溫度及相對濕度一定時，可從約束輻射冷板表面溫度著手。冷板表面溫度必須高于室內(nèi)空氣露點溫度以保證冷板表面不結(jié)露［4］。表1 是不同相對濕度下對應(yīng)的露點溫度。

表1 不同相對濕度下對應(yīng)的露點溫度

從表中可以看出，隨著相對濕度的增加，露點溫度不斷升高。要使輻射冷板表面不結(jié)露，輻射冷板的溫度必須大于露點溫度。當(dāng)濕度足夠大時，輻射冷板的溫度已經(jīng)很高，無法達到降低室內(nèi)溫度的目的。因此通過控制輻射冷板溫度高于露點溫度的方法是可行的，但具有限制輻射冷板供冷量的缺點。

第二，在輻射冷板的供水溫度不變的情況下，可以從控制室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)入手。當(dāng)室內(nèi)空氣的干球溫度是固定的，且冷板的表面溫度是恒定的時候，相對濕度小于臨界結(jié)露的相對濕度就不會發(fā)生結(jié)露。表2 為17℃下冷板的最終結(jié)露相對濕度。

表2 冷板表面為 17 ℃時的極限結(jié)露相對濕度

從表2 中可以看出，當(dāng)輻射冷板表面溫度恒定時，隨著干球溫度的升高，為了保證輻射冷板表面不結(jié)露，室內(nèi)空氣相對濕度必須小于臨界結(jié)露的相對濕度。室內(nèi)空氣相對濕度越低，所需消耗的能量就越多，而且相對濕度過低影響人體熱舒適性。因此降低室內(nèi)空氣相對濕度，使其低于臨界結(jié)露的相對濕度的方法不可取。

綜上所述，輻射冷板的防結(jié)露宜采用控制輻射冷板表面溫度的方法，且輻射冷板表面溫度必須高于空氣露點溫度。

4 輻射制冷系統(tǒng)運行管理過程中的防結(jié)露措施

4.1 改變空調(diào)系統(tǒng)溫度

Miriel et al. 利用TRNSYS 軟件，對采用毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)房間的舒適度及能量消耗進行了模擬分析，得出為避免出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，輻射頂板下表面的最低溫度為17℃的結(jié)論［5］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者也紛紛提出了空調(diào)系統(tǒng)溫度、濕度的智能化控制措施。我們在室內(nèi)設(shè)置溫度探測器，檢測到溫度與空調(diào)室內(nèi)露點溫度相近時，調(diào)整屋頂下表面的溫度，以達到超過空氣露點溫度的目的。表3 中列出了需要監(jiān)測的空調(diào)室節(jié)點。

表3 空調(diào)房間監(jiān)控節(jié)點

為防止出現(xiàn)結(jié)露，按上述方法配置露點檢測器，在毛細管輻射空調(diào)供水端口前端安裝兩個電磁閥，并與露點檢測器聯(lián)動。在檢測到空調(diào)室內(nèi)溫度到達臨界溫度時，報警器報警，并關(guān)閉毛細管輻射空調(diào)送水端口前端的兩個電磁閥，使冷源停止對毛細管網(wǎng)絡(luò)進行冷卻，使毛細管頂部的溫度上升，警報消失后，閥門重新開啟，重新進入正常的給水狀態(tài)。毛細管式空調(diào)露點溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 毛細管式空調(diào)露點溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

我們采用數(shù)值模擬的方法計算了空調(diào)室內(nèi)的溫度分布，發(fā)現(xiàn)在頂板下側(cè)2.8m 附近，采用上送風(fēng)口的形式，可以更好地控制室內(nèi)的空氣流動，從而防止結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生。對露點溫度探測器的具體安裝方法進行詳細的分析并實驗后發(fā)現(xiàn)，這種檢測器采用正三角形布置，既滿足了技術(shù)規(guī)范的要求，又比正方形的重復(fù)檢測面積小，并且具有更強的經(jīng)濟性。毛細管輻射空調(diào)的供水水溫不應(yīng)低于毛細管輻射空調(diào)供水的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而毛細管輻射空調(diào)供水水溫的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)定為露點溫度加0.5℃是安全可靠的。另外，由于供水的溫度越高，制冷量就越低，在26—28℃的溫度，40%—60%的相對濕度下，露點溫度在17.5—19.5℃之間，所以可以設(shè)定供水水溫在18—21℃之間。

4.2 利用改變供冷量措施防結(jié)露

毛細管輻射供冷技術(shù)雖然具有良好的舒適度和節(jié)能效果，但由于室外空氣濕度大，輻射壁表面的露點溫度高，墻體易結(jié)露；要獲得足夠的制冷量必須降低供水溫度，但結(jié)露現(xiàn)象會變嚴重。可見，地面輻射供冷的核心是供冷量與結(jié)露的博弈。供冷量受室外氣溫和供水溫度的雙重影響，結(jié)露與地面露點溫度和地面溫度有關(guān)，地面溫度分布不均，會造成地面結(jié)露面積不均勻。根據(jù)此原理，應(yīng)利用改變供冷量及除濕的措施，均衡室溫和結(jié)露問題。

4.3 風(fēng)機盤管聯(lián)合應(yīng)用防結(jié)露

采用輻射式冷卻系統(tǒng)和風(fēng)機盤管進行預(yù)冷除濕，將17℃左右的低溫冷凍水送入風(fēng)機盤管，除去室內(nèi)的潛熱和局部顯熱，然后輸送到毛細管中，使空氣中的濕度逐步上升，平均相對濕度為70%，輻射地面供冷供水的水溫在12℃以上。在此條件下，地面基本不會結(jié)露，室溫保持在24.6—26.5℃，相對濕度保持在60%—78%。

理論上，為了防止輻射頂板的結(jié)露，可在1h內(nèi)開啟換氣系統(tǒng)。置換通風(fēng)系統(tǒng)可以將新鮮的空氣引入到空調(diào)房中，使室內(nèi)的氣流速度加快。實際發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，不僅是由于室內(nèi)的濕度比較高，還有一個重要的原因是室內(nèi)的空氣不流通，而使用強化換氣設(shè)備就可以有效減少結(jié)露的出現(xiàn)。在采用毛細管式輻射空調(diào)與置換通風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)中，置換式的通風(fēng)換氣設(shè)備主要承擔(dān)室內(nèi)的濕負荷，而空調(diào)房內(nèi)的顯熱負荷由毛細管輻射頂板和置換通風(fēng)裝置送至室內(nèi)的新風(fēng)共同承擔(dān)。毛細管輻射空調(diào)與換氣系統(tǒng)組合的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 毛細管輻射空調(diào)與換氣系統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)

在露點溫度傳感器檢測到的溫度與空調(diào)室內(nèi)露點溫度相近時，必須調(diào)整其輻射板表面的溫度，以達到防結(jié)露的目的。

4.4 設(shè)置空氣夾層防結(jié)露

針對毛細管輻射空調(diào)系統(tǒng)存在的結(jié)露問題，采用了在輻射板上涂覆憎水膜，并在憎水薄膜和毛細管輻射板之間加一層空氣夾層的方法。張順波等對輻射板建立傳熱模型并進行實驗測試，通過改變空氣夾層的厚度優(yōu)化輻射板的相關(guān)性能，既提高了制冷能力，又具有較好的防結(jié)露能力［6］。但改進后的輻射板的防結(jié)露能力是否可靠還有待進一步驗證。通過對多個項目調(diào)研發(fā)現(xiàn)，設(shè)置空氣夾層防結(jié)露的方法技術(shù)目前還不夠成熟，在實際工程的輻射空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用為零，不適宜大規(guī)模推廣使用。

4.5 低導(dǎo)熱的裝飾面板材料防結(jié)露

一般房間采用輻射頂板和頂板送風(fēng)的方式，最易結(jié)露的位置在離地面2.8m 處。輻射板在結(jié)露時的傳質(zhì)系數(shù)與Sh 數(shù)、Ra 數(shù)有關(guān)，當(dāng)過冷溫度為5℃，輻射板、輻射墻、輻射吊頂?shù)膫髻|(zhì)系數(shù)分別為1.22mm/s、3.35mm/s、4.15mm/s 時，冷吊頂更容易結(jié)露，其凝結(jié)速度是輻射地板的3.5 倍，是冷墻壁的1.25 倍［7］。恒溫恒濕室中，冷水溫度在16℃以上時，毛細管不結(jié)露，而在15℃以下時，則出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，傳熱性能迅速提高，這主要是由于露水與管道的接觸熱阻小于空氣［8］。因此，采用輻射板供冷可以較好地降低結(jié)露產(chǎn)生。

結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生必須要滿足凝結(jié)的兩個條件：一是要有形成臨界半徑的凝結(jié)核心，二是要滿足一定的過冷度［9］。輻射板表面發(fā)生結(jié)露時，首先出現(xiàn)凝結(jié)水滴的地方就是輻射板面上的細小縫隙或凹陷的小孔。當(dāng)輻射板面無裂縫且平整光滑時，只有當(dāng)溫度更低即過冷度更高的時候才會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。因為輻射板表面的粗糙程度對凝結(jié)核心的數(shù)目和其分布規(guī)律有直接影響：當(dāng)輻射板材料相對比較光滑時，發(fā)生結(jié)露初期所需要的凝結(jié)核心就不容易形成；當(dāng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)高時，輻射板面溫度會進一步降低，此時會加劇結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生。

從表4 中可以看出，橡木材料的導(dǎo)熱系數(shù)最小，在其他條件均相一致的前提下，輻射板表面溫度均比其他兩種材料的輻射板表面溫度要高。因此降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以提高輻射板表面溫度，發(fā)生結(jié)露的風(fēng)險就更低。輻射空調(diào)系統(tǒng)在去除室內(nèi)顯熱負荷時，通過適當(dāng)增加供水溫度，減少供水流量，并使用導(dǎo)熱性小的裝飾面板，可避免出現(xiàn)結(jié)露。

表4 不同材質(zhì)的輻射板表面溫度

4.6 輻射頂板下表面超疏水處理防結(jié)露

研究發(fā)現(xiàn)，蚊子復(fù)眼表面是由微小的納米尺度眼和納米尺度乳突組成，也就是微納的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在低溫、高濕度條件下具有良好的抗霧性能。采用該結(jié)構(gòu)制造的材料，可以有效地延緩霧的產(chǎn)生［10］。冷凝作用對微納復(fù)合組織的表面效應(yīng)至今尚無定論，有研究發(fā)現(xiàn)：在高濕、低溫條件下，荷葉表面的凸起會穿透露珠的基部，使其與表面的黏附力增加，而微納復(fù)合材料表面在空氣濕度低于60%時仍然維持超疏水狀態(tài)；另外，在高濕度條件下，盡管表面在冷凝作用下會喪失其超疏水性，但在干燥后仍能恢復(fù)其超疏水性［11-12］。以上結(jié)果表明，超疏水性的表面可以防結(jié)露，這種防結(jié)露對制冷系統(tǒng)等的防露和防腐蝕有很大的作用。根據(jù)涂料的防結(jié)露原理與制備技術(shù)，將其分為兩類：一類是通過添加多孔礦物材料實現(xiàn)；另一類是通過添加改性樹脂實現(xiàn)。

多孔礦物材料中有許多相互連接的中孔或小孔，這些孔隙可以有效地吸收水蒸氣，從而實現(xiàn)涂料的防結(jié)露。目前，已應(yīng)用的多孔礦物有沸石、硅藻土、膨脹蛭石、膨脹珍珠石等。除此之外，材料的用量、樹脂的粒徑、涂層厚度等相關(guān)因素都會直接影響涂料的防結(jié)露效果。特別是涂層的厚度，對防水涂料的抗結(jié)露性能起決定性的作用，涂層的厚度越大，防水涂料的抗結(jié)露作用就越強［13］。

5 結(jié)論

目前最成熟的防結(jié)露措施是控制輻射板表面溫度高于環(huán)境露點溫度。應(yīng)加大露點控制系統(tǒng)的研發(fā)，加速推動輻射空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。由于輻射空調(diào)供冷能力總受露點溫度的限制，對輻射制冷系統(tǒng)綜合性能提升還需開展更進一步的研究工作，如通過發(fā)展新材料、新技術(shù)推動制冷輻射空調(diào)技術(shù)工程的應(yīng)用。