辐射制冷系统防结露措施研究

粟烨岭，张灿

安徽三联学院电子电气工程学院，安徽 合肥230601；中能建城市投资发展有限公司合肥事业部，安徽 合肥230601

传统的分体式空调由于吹风感、空调机运行噪声及温度场不均匀会导致舒适度降低，辐射空调在舒适度和节能性方面具有明显的优势。辐射空调的冷水温度较高，可以使用高温冷水或自然低温水直接供冷，大大提高设备的COP，降低设备的能源消耗，且房间的热舒适度较高。辐射空调系统在使用过程中，容易出现结露现象，造成墙面发霉、涂料脱落等。另外，凝结水会在辐射板上形成一层薄薄的水膜，影响制冷系统的正常制冷，长时间还会造成辐射板的腐蚀和霉变。同时，结露也会导致细菌、真菌等微生物的繁殖，对室内环境造成一定的影响，严重时还会形成“办公室雨”。辐射空调系统在夏天供冷时产生的结露是制约该系统推广使用的最大障碍，因此研究辐射制冷系统的防结露措施至关重要。

1 项目来源

合肥某住宅小区按照绿色三星级建筑标准进行设计，在运行期推行绿色物业管理和节能运行体系，实现对绿色建筑从设计到施工到运行的全程控制。

项目所有住宅均为精装修，有效实现了土建和装修一体化的设计与施工，避免了装修时对已有建筑构件的破坏，提高了施工质量，减少了材料浪费，同时保证了户（间）内隔墙、楼板的良好隔声性能。项目均采用“地源热泵系统集中空调+置换新风系统+天棚辐射末端+排放热回收”空调供暖系统，保证室内的高舒适度；采用空气源热水系统，充分利用可再生能源；采用2 级以上高效节水器具，在提高品质的同时，降低运营阶段的水资源消耗；采用电动调节外遮阳系统，节能降耗的同时提升户内采光舒适性。同时，在场地内设置雨水收集装置，将雨水经过滤消毒处理后用于绿化浇洒、道路冲洗、洗车等，有效提高水资源利用率并顺应海绵城市建设要求；地库设计CO 浓度监控系统，提升地库空气品质。并且，项目采用了BIM 技术，提升设计和施工效率。该项目因地制宜地采用多项绿色建筑技术措施，在行业内树立了绿色建筑的新标杆。

由于采用天棚辐射系统，受合肥地区气候特点和住户使用习惯影响，项目不可避免地会产生结露问题，故必须进行辐射制冷系统防结露措施研究，若能妥善解决结露问题，则可以更有效地发挥绿色科技住宅的优势。

2 辐射系统的构成

2.1 辐射空调系统的发展

传统的空调系统是对温湿度进行统一处理，“吹风感”大，噪声大，不能满足人们对舒适度的高要求。毛细管辐射与置换式换气空调系统，可以实现对室内温、湿度的单独控制，解决室内的湿度与空气质量问题。作为一种节能、舒适的空调系统，毛细管辐射空调系统近年来受到广泛关注［1］。

在冬季供水温度约32℃、夏季供水温度约18℃时，毛细管辐射空调系统即可实现较好的供暖与制冷效果。该空调系统可直接或间接地使用太阳能、地热、工业余热以及其他低等级的能量，以节省矿物燃料能源，减少废气和废物排放。因此，毛细管辐射空调系统是一种节能型的空调系统，对缓解我国城市雾霾问题具有重要意义，也是节能减排、发展绿色建筑的重要途径和方法。

与常规空调相比，毛细管辐射空调具有以下优势。一是舒适度高。以辐射换热为主，室内温度均匀，噪声小。二是易维护。通常不会有漏水的问题，若其漏水，可以采用热熔连接的方法进行维修。三是安装方便。毛细管辐射板的厚度薄，而且毛细管可以被布置成各种造型，辐射板荷载很低，容易与室内装饰结合在一起，在室内地面、墙壁或天花板上都可以安装，不会影响建筑装修的美观。四是高效节能。毛细管系统的热辐射面积非常大，冬季可以保持室内在20—24℃左右，夏季可以保持室内在22—28℃左右，更重要的是还可以结合可再生能源，实现节能环保效益。五是绿色环保。原材料的生产制造，通过相关的质量检验，可以在预期的使用寿命里安全使用，采用的材料不仅卫生环保，而且没有毒性，可以循环利用，降低对环境的破坏。

2.2 辐射空调系统的构成

辐射空调系统的基本组成包括冷热源主机、置换新风系统、末端系统等。冷热源主机一般采用集中式的地源热泵主机或空气源热泵主机，提供合适温度的冷热水。置换新风系统是辐射空调系统正常运行的一个重要组成部分，能够保证空调房间合理的湿度，从而防止辐射板的表面产生结露，同时提供室内需要的新风，满足室内对空气品质的要求。辐射空调系统的末端系统的主要构成有金属辐射顶板、天棚管和毛细管辐射管席。辐射空调系统的构成原理如图1 所示。

图1 辐射空调系统的构成原理

天棚供暖与制冷系统是一种新型的室内空气调节系统，包括室内混凝土楼板顶棚供暖与制冷、置换新风、热工性能好的外墙保温与节能技术。天棚辐射供暖制冷与新风空调系统是将PB盘管铺设在屋顶水泥楼板内，利用载体的持续循环，对上部混凝土楼面进行加热或冷却，同时提供适当的新鲜空气。夏季，系统将18℃的冷水埋入混凝土中的聚丁烯螺旋管，使楼板降温，吸收室内热量，保持室内的舒适温度，使其恒温；冬季，聚丁烯螺旋管内的热水供水温度达到35℃，并将热量辐射到室内。这种低温差辐射模式具有比空气对流更高的供热、制冷效率。它的辐射换热形式没有其他空调形式的空气对流带来的吹风不适感，室内的温度也比较均匀，从而创造一个较好的热湿环境［2］。

2.3 辐射供冷系统存在的问题

为满足使用者对新鲜空气的需要，置换新风系统是辐射系统的必要条件，本系统设置新风空调处理系统，对送入室内的新风进行冷却除湿或预热加湿，实现室内恒温恒湿目的。但是室外空气进入室内空调房间，容易引起天花板和地面结露。室内结露的产生容易引发霉变，既影响美观，还滋生细菌，严重影响人们的健康生活。

3 辐射制冷系统结露的机理研究

3.1 结露的成因

结露指物体表面温度低于附近空气露点温度时表面出现冷凝水的现象，是客观存在的一种气候学现象。某一温度下，水蒸气达到了水蒸气分压饱和状态时，就会释放出热量，从而形成水露。在潮湿的非饱和气体中，如果物体空隙部位、表面、内部的温度都比空气要低，则会使周围空气中的水蒸气发生结露。水蒸气的凝固可分为两种：珠状凝固和膜状凝固。热空气在与辐射冷板的壁面接触时，形成了一种不完全的珠状凝固，它是一种介于珠状和薄膜状两种形式之间的新型凝固形式。

辐射冷板的供水温度太低，以及室温太高，都是导致辐射板面结露的主要因素。在实际中，室内空气湿度突然增加，超出空调系统的设计状态，就会导致辐射冷板结露。因此，在合理的设计条件下，应加强对系统运行期的防结露控制。Tang et al. 实验结果显示，当冷顶板的过冷度低于3℃时，从结露到形成水滴所需时间在10h 以上［3］。可见结露过程极其缓慢，只要系统控制合理有效，就可以避免结露的产生。

3.2 防结露的机理

辐射冷板防结露控制理论可从以下两方面考虑。

第一，当室内控制目标一定，即室内设计温度及相对湿度一定时，可从约束辐射冷板表面温度着手。冷板表面温度必须高于室内空气露点温度以保证冷板表面不结露［4］。表1 是不同相对湿度下对应的露点温度。

表1 不同相对湿度下对应的露点温度

从表中可以看出，随着相对湿度的增加，露点温度不断升高。要使辐射冷板表面不结露，辐射冷板的温度必须大于露点温度。当湿度足够大时，辐射冷板的温度已经很高，无法达到降低室内温度的目的。因此通过控制辐射冷板温度高于露点温度的方法是可行的，但具有限制辐射冷板供冷量的缺点。

第二，在辐射冷板的供水温度不变的情况下，可以从控制室内的环境参数入手。当室内空气的干球温度是固定的，且冷板的表面温度是恒定的时候，相对湿度小于临界结露的相对湿度就不会发生结露。表2 为17℃下冷板的最终结露相对湿度。

表2 冷板表面为 17 ℃时的极限结露相对湿度

从表2 中可以看出，当辐射冷板表面温度恒定时，随着干球温度的升高，为了保证辐射冷板表面不结露，室内空气相对湿度必须小于临界结露的相对湿度。室内空气相对湿度越低，所需消耗的能量就越多，而且相对湿度过低影响人体热舒适性。因此降低室内空气相对湿度，使其低于临界结露的相对湿度的方法不可取。

综上所述，辐射冷板的防结露宜采用控制辐射冷板表面温度的方法，且辐射冷板表面温度必须高于空气露点温度。

4 辐射制冷系统运行管理过程中的防结露措施

4.1 改变空调系统温度

Miriel et al. 利用TRNSYS 软件，对采用毛细管辐射空调系统的空调房间的舒适度及能量消耗进行了模拟分析，得出为避免出现结露现象，辐射顶板下表面的最低温度为17℃的结论［5］。近年来，国内外学者也纷纷提出了空调系统温度、湿度的智能化控制措施。我们在室内设置温度探测器，检测到温度与空调室内露点温度相近时，调整屋顶下表面的温度，以达到超过空气露点温度的目的。表3 中列出了需要监测的空调室节点。

表3 空调房间监控节点

为防止出现结露，按上述方法配置露点检测器，在毛细管辐射空调供水端口前端安装两个电磁阀，并与露点检测器联动。在检测到空调室内温度到达临界温度时，报警器报警，并关闭毛细管辐射空调送水端口前端的两个电磁阀，使冷源停止对毛细管网络进行冷却，使毛细管顶部的温度上升，警报消失后，阀门重新开启，重新进入正常的给水状态。毛细管式空调露点温度调节系统的结构如图2 所示。

图2 毛细管式空调露点温度调节系统

我们采用数值模拟的方法计算了空调室内的温度分布，发现在顶板下侧2.8m 附近，采用上送风口的形式，可以更好地控制室内的空气流动，从而防止结露现象的产生。对露点温度探测器的具体安装方法进行详细的分析并实验后发现，这种检测器采用正三角形布置，既满足了技术规范的要求，又比正方形的重复检测面积小，并且具有更强的经济性。毛细管辐射空调的供水水温不应低于毛细管辐射空调供水的设计标准，而毛细管辐射空调供水水温的设计标准定为露点温度加0.5℃是安全可靠的。另外，由于供水的温度越高，制冷量就越低，在26—28℃的温度，40%—60%的相对湿度下，露点温度在17.5—19.5℃之间，所以可以设定供水水温在18—21℃之间。

4.2 利用改变供冷量措施防结露

毛细管辐射供冷技术虽然具有良好的舒适度和节能效果，但由于室外空气湿度大，辐射壁表面的露点温度高，墙体易结露；要获得足够的制冷量必须降低供水温度，但结露现象会变严重。可见，地面辐射供冷的核心是供冷量与结露的博弈。供冷量受室外气温和供水温度的双重影响，结露与地面露点温度和地面温度有关，地面温度分布不均，会造成地面结露面积不均匀。根据此原理，应利用改变供冷量及除湿的措施，均衡室温和结露问题。

4.3 风机盘管联合应用防结露

采用辐射式冷却系统和风机盘管进行预冷除湿，将17℃左右的低温冷冻水送入风机盘管，除去室内的潜热和局部显热，然后输送到毛细管中，使空气中的湿度逐步上升，平均相对湿度为70%，辐射地面供冷供水的水温在12℃以上。在此条件下，地面基本不会结露，室温保持在24.6—26.5℃，相对湿度保持在60%—78%。

理论上，为了防止辐射顶板的结露，可在1h内开启换气系统。置换通风系统可以将新鲜的空气引入到空调房中，使室内的气流速度加快。实际发生结露现象，不仅是由于室内的湿度比较高，还有一个重要的原因是室内的空气不流通，而使用强化换气设备就可以有效减少结露的出现。在采用毛细管式辐射空调与置换通风的空调系统中，置换式的通风换气设备主要承担室内的湿负荷，而空调房内的显热负荷由毛细管辐射顶板和置换通风装置送至室内的新风共同承担。毛细管辐射空调与换气系统组合的结构如图3 所示。

图3 毛细管辐射空调与换气系统组合结构

在露点温度传感器检测到的温度与空调室内露点温度相近时，必须调整其辐射板表面的温度，以达到防结露的目的。

4.4 设置空气夹层防结露

针对毛细管辐射空调系统存在的结露问题，采用了在辐射板上涂覆憎水膜，并在憎水薄膜和毛细管辐射板之间加一层空气夹层的方法。张顺波等对辐射板建立传热模型并进行实验测试，通过改变空气夹层的厚度优化辐射板的相关性能，既提高了制冷能力，又具有较好的防结露能力［6］。但改进后的辐射板的防结露能力是否可靠还有待进一步验证。通过对多个项目调研发现，设置空气夹层防结露的方法技术目前还不够成熟，在实际工程的辐射空调系统中应用为零，不适宜大规模推广使用。

4.5 低导热的装饰面板材料防结露

一般房间采用辐射顶板和顶板送风的方式，最易结露的位置在离地面2.8m 处。辐射板在结露时的传质系数与Sh 数、Ra 数有关，当过冷温度为5℃，辐射板、辐射墙、辐射吊顶的传质系数分别为1.22mm/s、3.35mm/s、4.15mm/s 时，冷吊顶更容易结露，其凝结速度是辐射地板的3.5 倍，是冷墙壁的1.25 倍［7］。恒温恒湿室中，冷水温度在16℃以上时，毛细管不结露，而在15℃以下时，则出现结露现象，传热性能迅速提高，这主要是由于露水与管道的接触热阻小于空气［8］。因此，采用辐射板供冷可以较好地降低结露产生。

结露现象产生必须要满足凝结的两个条件：一是要有形成临界半径的凝结核心，二是要满足一定的过冷度［9］。辐射板表面发生结露时，首先出现凝结水滴的地方就是辐射板面上的细小缝隙或凹陷的小孔。当辐射板面无裂缝且平整光滑时，只有当温度更低即过冷度更高的时候才会产生结露现象。因为辐射板表面的粗糙程度对凝结核心的数目和其分布规律有直接影响：当辐射板材料相对比较光滑时，发生结露初期所需要的凝结核心就不容易形成；当材料的导热系数高时，辐射板面温度会进一步降低，此时会加剧结露现象的发生。

从表4 中可以看出，橡木材料的导热系数最小，在其他条件均相一致的前提下，辐射板表面温度均比其他两种材料的辐射板表面温度要高。因此降低材料的导热系数可以提高辐射板表面温度，发生结露的风险就更低。辐射空调系统在去除室内显热负荷时，通过适当增加供水温度，减少供水流量，并使用导热性小的装饰面板，可避免出现结露。

表4 不同材质的辐射板表面温度

4.6 辐射顶板下表面超疏水处理防结露

研究发现，蚊子复眼表面是由微小的纳米尺度眼和纳米尺度乳突组成，也就是微纳的复合结构，在低温、高湿度条件下具有良好的抗雾性能。采用该结构制造的材料，可以有效地延缓雾的产生［10］。冷凝作用对微纳复合组织的表面效应至今尚无定论，有研究发现：在高湿、低温条件下，荷叶表面的凸起会穿透露珠的基部，使其与表面的黏附力增加，而微纳复合材料表面在空气湿度低于60%时仍然维持超疏水状态；另外，在高湿度条件下，尽管表面在冷凝作用下会丧失其超疏水性，但在干燥后仍能恢复其超疏水性［11-12］。以上结果表明，超疏水性的表面可以防结露，这种防结露对制冷系统等的防露和防腐蚀有很大的作用。根据涂料的防结露原理与制备技术，将其分为两类：一类是通过添加多孔矿物材料实现；另一类是通过添加改性树脂实现。

多孔矿物材料中有许多相互连接的中孔或小孔，这些孔隙可以有效地吸收水蒸气，从而实现涂料的防结露。目前，已应用的多孔矿物有沸石、硅藻土、膨胀蛭石、膨胀珍珠石等。除此之外，材料的用量、树脂的粒径、涂层厚度等相关因素都会直接影响涂料的防结露效果。特别是涂层的厚度，对防水涂料的抗结露性能起决定性的作用，涂层的厚度越大，防水涂料的抗结露作用就越强［13］。

5 结论

目前最成熟的防结露措施是控制辐射板表面温度高于环境露点温度。应加大露点控制系统的研发，加速推动辐射空调系统的应用。由于辐射空调供冷能力总受露点温度的限制，对辐射制冷系统综合性能提升还需开展更进一步的研究工作，如通过发展新材料、新技术推动制冷辐射空调技术工程的应用。