冷辐射板优化措施分析_陈伟.pdf

冷辐射板优化措施分析陈伟涂敏谭跃龙张伟南华大学 土木工程学院摘要：辐射供冷系统因为其显著的节能性与舒适性，近年来备受学者关注。但是由于该系统的成本、供冷能力及结露问题制约了它的推广应用。分别阐述辐射供冷的优点以及目前其不足之处，尔后分别从结构优化、系统流程优化以及控制策略优化三方面总结目前针对辐射板不足之处所作出的改进措施，分析改进措施的优缺点，为辐射供冷技术的进一步推广提供一定理论支持。关键词：辐射供冷；节能；防结露；优化分析DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.02.006Analysis of Optimization Measures forCold Radiant PanelCHEN Wei,TU Min,TAN Yuelong,ZHANG WeiCollege of Civil Engineering,South China UniversityAbstract:In recent years,the radiant cooling system has attracted the at-tention of scholars because of its remarkable energy saving and comfort.However,the cost,cooling capacity and condensation of the system restrictits application.The advantages and disadvantages of radiant cooling aredescribed respectively,and then the improvement measures for the defi-ciencies of radiant panels are summarized from three aspects of structure收稿日期：2022-12-15基金项目：国家自然科学基金青年基金（51708272）第一作者：陈伟（1996-05-），男，硕士研究生，研究方向为辐射供冷SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018optimization,system process optimization and control strategy optimization,and the advantages and disadvan-tages of the improvement measures are analyzed,providing some theoretical support for the further promotionof radiant cooling technology.Key words:Radiant Cooling;Energy Saving;Anti-Condensation;Optimization Analysis0 引言随着我国社会经济的发展，我国建筑能耗呈逐年上升的趋势，而在建筑能耗总量中暖通空调系统能耗约占40%50%1。为了实现建筑节能2-3，可再生能源在建筑业中运用愈加广泛。在追求降低能耗的同时，人们对建筑室内环境的舒适性要求也在不断提升，建筑室内环境品质直接影响人员的身心健康及心情状态4。传统空调噪声大，风机耗能大，有明显的吹风感且风机盘管处易滋生大量细菌，不能保证室内环境品质。辐射空调系统在保证节能性与舒适性的前提下，再与新风系统相结合，可以营造洁净度较高的室内环境5。但是，辐射末端结露、供冷不足及造价昂贵等问题阻碍了辐射空调系统的普及与应用。辐射末端结构形式主要有辐射顶板、辐射地板及辐射墙面板。本文对国内外学者关于辐射板的研究进行调研分析，对现行的改善冷辐射板性能措施进行优缺点分析，总结相对优异的优化措施，为辐射供冷技术在我国进一步推广提供一定的理论支持。根据安装位置的不同，辐射板大致可分为辐射顶板、辐射墙体、辐射地板三类。辐射顶板一般以金属制辐射吊顶板为主，辐射板的面板通常为铝板，板背面为保温层。辐射墙体以毛细管状水管组成冷却格栅或金属辐射板作为辐射末端。辐射地板一般是在混凝土板内布置金属管、塑料或橡胶管。1 辐射板的优缺点1.1 舒适性在舒适环境下，人体散热比例为蒸发换热25%，对流换热30%，辐射换热45%6。辐射空调系统中辐射换热可达60%以上，辐射换热占比提高意味着降低了人体对流与蒸发的散热量，有效地减少了吹风感引起的人体不适7。Zhen等8和徐照南9分别通过问卷及现场实验证实辐射空调具有较高的热舒适性。Mohammad10和路诗奎等11分别通过辐射加热的综合空间-人体热反应仿真模型与TRNSYS软件模拟，表明辐射系统相对于标准对流系统可以更快也更容易达到舒适性要求。李严等12对辐射冷顶板进行实验测试，测得在地面0.11.1 m之间垂直温差最大为1.42，表明在辐射空调下人体的热舒适度较高。大量实验和模拟表明在舒适性方面，辐射空调系统营造的室内环境是优于传统对流空调系统的，也为辐射空调系统的推广提供了理论的支持。1.2 节能性辐射空调被大力推广的另一主要原因便是其节能性。辐射空调供冷/热时，可以以较高/低的供水温度达到系统要求，从而营造出舒适的室内环境，对于供水温度要求的降低，极大地节约了能源消耗 13。当辐射板空调与新风系统相结合时，可以利用高温冷水降温、干燥新风除湿，节约运行能耗可达30%14。辐射板通常以水或者制冷剂作为冷媒，相较于空气对流换热，可以有效节约换热过程中的能量损耗，进而达到节能性目的 15-17。辐射空调系统还可以与高温冷水机组或冰蓄冷技术相结合，可利用电价的峰谷差、大温差技术(冷水大温差、送风大温差)以降低水泵、风机能耗，实现系统节能性 18。Aviv等19发现当耦合自然通风和辐射系统时，在保证室内空气新鲜156SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 02 期SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能 ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY SAVING2018 年第 08 期ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018度的同时可降低能源成本10%45%。上述优势使辐射空调系统近年来得到发展，但辐射空调系统初投资昂贵、单位面积换量不足以及辐射板表面可能存在的结露问题成为其进一步推广的阻碍。1.3 初投资昂贵辐射顶板的价格为 1 000 元/m2左右，毛细管顶板空调一般在300400元/m2，其昂贵的初投资使辐射空调系统很难走进每家每户20。辐射地板因为其后续检修困难，所以在设计时一般采用价格较贵质量较好的PE-X管，且一旦损坏只能整管替换21。国内空调设计规范中没有对其作出详细规定，究其原因首先国内对辐射空调系统的研究大多停留在理论层面，实际的工程实例很少，也就导致广大群众对其了解很少，从而对辐射空调的接受度也就较低。目前，对于初投资昂贵这一问题并无有效的解决措施，这与我国在辐射空调系统发展起步较晚也有很大关系。在欧美地区辐射空调系统已经成功运用30年之久，并发展成为一项较为成熟的技术，可以进行工业化的生产，进而能进一步降低生产成本。我国在这一方面发展起步较晚，技术还不是很成熟，专门从事辐射板生产的厂家很少，且不能做到规范统一，导致辐射板需要特地定制，进一步加大了初投资。随着辐射空调系统在我国的不断发展与推广，其初投资昂贵问题一定会得到有效解决。1.4 结露问题冷辐射板表面易结露是阻碍辐射板进一步推广和应用的主要问题。结露不仅会削弱辐射供冷能力而且会导致细菌滋生，降低室内环境品质。结露是空气中水蒸气液化现象，当辐射板表面温度低于周围空气露点温度时，水蒸气分压力达到当前空气温度下水蒸气饱和分压力时，水蒸气在辐射板表面凝结成液态水滴，这便是结露现象。对于辐射板表面结露特性不同学者做了一系列研究，Mumma22指出结露是一个缓慢的过程，通常需要几个小时。吴晓敏 23 和赵伟 24 等分别对结露初期的液滴进行研究，发现冷凝传热温差随冷面温度降低而增大，即冷面温度越低，液滴生长越快。Feustel等 25 将辐射板表面温度与室内露点温度的差值定义为过冷度。梁绮祯等 26 结合传热学和分子动力学建立结露初期液滴生长模型，也证实了冷辐射板基底温度对结露影响最大。金梧凤等27从宏观层面对结露全过程进行实验分析，发现室内湿度越高，辐射板冷面温度越低，辐射板越易结露。费媛媛等28分析了微方孔结构梯度能表面的冷凝液滴生长的动态过程，试验从微观层面研究了冷凝液滴形成的详细过程。2 辐射板改进及优化针对辐射板上述缺点，国内外学者已经做了大量的模拟及实验，提出一系列改进措施。本文主要从三个方面阐述已有的辐射空调系统优化措施，分别为结构优化、系统流程优化和控制策略优化。2.1 辐射末端结构优化2.1.1 换热性能结构优化增大辐射板供冷一般从增大换热面积和减少接触热阻入手。Wojtkowiak等 29 提出一种新型波纹冷却顶板，增加了换热面积使冷却能力提升 26%55%。Jonathan等30提出一种集成微流体供水回路的辐射板结构，分别对平板、折叠板、之字形板的表面结构进行模拟试验，折叠板与之字形板的冷却速度较平板分别提高55%和67%。Lun等31通过实验研究了一种新型倾斜铝翅片金属吊顶辐射板，发现在典型的办公室里，带有倾斜散热片的CRP的制冷量比悬挂式面板大19%左右。林俊等32将辐射模块和新风系统并联改为串联，新风模块的除湿和过滤效率提高5%，系统能耗降低12%。瑞士生产了一种新型辐射板33，吊顶不设冷媒管，冷媒水直接与辐射板接触换热，接触面积达98%，提高了传热效率。西南科技大学马立副教授课题组沿用同样思路34，通过焊接使水管覆盖在辐射板后背，冷辐射板优化措施分析157SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.022023ENERGY SAVING FORUMSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018水直接和金属板接触，增大了水与板的换热效率。2.1.2 防结露结构优化提高其防结露能力一般从处理表面冷凝水、改进冷却表面及隔绝空气入手。孔祥雷等35提出一种“疏导结露型”辐射板，在辐射板表面开设密集的微槽道，利用毛细力和重力作用，将辐射板表面产生的结露疏导到辐射板的边缘处，进行集中回收，但表面处理工艺难度大，增加了成本，不利于进一步推广。李逸姝等36将辐射板竖直放置利用重力作用将辐射板表面产生的冷凝液滴收集到底部集水槽中，避免结露产生，但人体舒适度需要进一步探究。张伦等37提出一种可强化对流换热的倾斜式辐射板，可减少结露风险，但未对后续冷凝水如何处理提出解决方案。Lv等38研究的填充传热液体的三角形沟槽辐射板，填充液的加入使面板温度分布更加均匀，利于冷凝控制，但增大了接触热阻以及辐射板自身重量较大不便于安装，需要进一步优化。处理表面冷凝水虽然能在一定程度上解决辐射板表面结露问题，但并不能从根本上解决辐射板表面结露问题，且也仅处于实验研究阶段，其工艺复杂，制得的辐射板因为其造价及安装问题导致其很难进行大规模商业化生产，如何进一步优化还需大量的实验研究。改进辐射板冷却表面，科学家们从自然界中许多现象得到启示，例如荷叶、蝴蝶的翅膀、水黾的脚、鸟的羽毛等，从而改变了起初只能采取被动的方法去除表面结露的现状，通过设计一种类荷叶的粗糙微结构来制备具有较好防结露性能的材料。这种技术手段近年来在辐射板防结露上也进行了大量的试验及模拟。李艳峰等39用化学刻蚀的方法制备出多晶铝合金基体上的超疏水表面