辐射冷板研究综述

谭跃龙

南华大学

0 引言

辐射制冷是利用物体向周围环境辐射能量的方式来使物体降温的过程，其原理是指两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程。1995年，辐射供冷系统逐渐步入市场。辐射供冷系统有着节约输配能耗，降低尖峰能耗，提升冷源效率及可再生能源利用的可能性[1］。很多研究人员致力于优化辐射供冷系统，并提出了诸多种类的辐射末端装置。辐射末端装置主要为辐射板，其改进空间大，国内外也有许多专家学者对其进行了研究和讨论。

1 辐射板的种类

暖通空调系统中的辐射板根据其放置的位置可以分成吊顶辐射板、地板辐射板及墙面辐射板三种。吊顶辐射板是一种将辐射板集成于吊顶之中的辐射末端结构，一般以金属板面辐射板为主，有较好的换热性能，但初成本较高，且需要占用一定的层高，在公共设施中使用较为广泛[2］。地板辐射板目前在我国北方普及，初成本低，但受到人体舒适度影响，几乎都是辐射供暖，少有辐射供冷[3］。墙面辐射板通常使用毛细管网铺设于墙内部，后期维护困难，供冷性能一般且毛细管网容易堵塞，墙内部易受到结露风险，实际使用中墙面容易受到物体遮挡，目前少有得到使用[4］。

2 关于结露

2.1 结露现象研究

在辐射供冷空调系统运行期间，辐射冷板表面会逐渐降温，直至低于室内空气的露点温度，此时水汽开始在表面上凝结，形成露水。这一过程是由于空气中的水汽在接触到冷表面时失去了热量而发生的[5］。然而，冷辐射板结露的出现将会产生供冷效率不佳、材料损坏、室内装修受损等方面的不利影响。具体而言，冷辐射板结露将导致供冷效率下降、材料受潮变形腐蚀、室内装修受损，甚至增加能耗等问题[6］。

梁绮祯等人对冷辐射板结露现象进行了研究，重点探讨了在辐射板表面温度开始低于露点温度后的结露过程。在这项研究中，梁绮祯参考了Feustel等提出的过冷度概念，并将其应用于结露问题的研究中。这项研究为后续关于结露问题的研究提供了一定的指导，通过对过冷度的研究，可以更好地理解和预测结露的发生和发展过程[7-8］。金梧凤等人根据过冷度概念进一步研究过冷度与结露延迟时间的关系，为后续研究提供一定基础[9］。崔琛和金梧凤等人的研究探索了湿度对辐射板结露的影响。崔琛的研究主要关注开关门和窗下改变室内湿度分布对辐射板结露的影响[10］。金梧凤等人的研究则关注不同人数下散湿量不同对辐射板结露的影响[11］。他发现，人数的增加会增加室内湿度的散发量，导致辐射板更容易结露。他们均得出一定的防结露措施。结露问题对于中国湿热地区城市的辐射空调系统发展构成了相当的阻碍。为了解决这个问题，深入研究结露机理并探索结露与环境条件之间的关系非常重要。此外，还需要评估结露对辐射板性能的影响，并开发相应的防治措施。这些研究工作将为解决结露问题提供科学依据和技术支持，推动辐射空调系统在湿热地区的发展。

2.2 辐射板表面超疏水处理

为了应对辐射板结露的问题，部分研究者采取了在辐射板表面疏水、吸湿的措施。孔祥雷，殷平，Ziwen Zhong，郑晓光，王山林，Xinghua Wu 等人使用疏水材料来防止结露的方式是一种有效的方法。孔祥雷等在辐射冷表面上使用高疏水材料，并在表面增设槽道来集中收集露水[12］。殷平等通过使用相分离技术，将一些商品化的强疏水性材料和强黏性材料，用于对在暖通空调系统中常见的金属表面进行防凝露处理[13］。Ziwen Zhong等通过在典型室内条件下进行的冷凝实验，探究了超疏水铝板表面的抗冷凝能力及其对辐射冷却面板冷却性能的影响。实验结果表明，相比于普通的金属表面，超疏水表面具有更好的抗冷凝能力，可以有效减少表面冷凝水滴的数量和大小[14］。郑晓光基于激光刻蚀法结合热处理方法,使有机物吸附于微纳米复合粗糙结构制备超疏水表面，其防结露效果表现良好[15］。王山林使用超疏水纳米涂层在冷表面上防止结露[16］。Xinghua Wu 等制备的可喷涂的聚酯-SiO2抗冷凝涂层确实是一种很好的解决方法。这种涂层具有多孔结构，可以抑制冷凝物的形成并促进冷凝物的脱离，从而有效减少冷凝风险[17］。除了疏水材料的使用外，Wanhe Chen 等人制备海泡石基湿度控制涂层是另一种应对结露问题的方法。这种涂层采用10%的KCl 溶液处理的海泡石制成，具有很好的吸湿/脱湿特性，可以延长辐射制冷板的表面冷凝时间，从而有效地降低结露的风险[18］。虽然在辐射板表面进行疏水、吸湿处理可以在一定程度上减轻结露带来的影响，但并不能从根本上解决结露问题，这是因为辐射板表面仍然存在结露阶段，从而影响了制冷效果。因此，对于结露问题，仍然需要从杜绝结露现象的产生上进行研究。这可能包括改进材料的表面性质、设计更有效的热交换系统或者采用其他预防结露的措施。进一步的研究和探索将有助于解决结露问题并提高制冷效果。

2.3 辐射板表面空气处理

此外，将辐射冷板表面接触的空气与室内湿热空气隔开也是一个防止辐射冷板结露的方法。周根明等人通过耦合贴附式新风系统与墙壁式辐射板，使辐射冷表面形成一个空气湖，将室内湿热空气隔开以防止结露。实验表明，该方法防止结露的效果明显[19］。赵英博等人对不同送风方式下辐射板结露问题进行了研究，并对普通送风和贴附射流进行了模拟实验。研究总结得出，两种送风方式都有防止结露的作用[20］。新风贴附射流送风强化了辐射冷板表面与室内的对流换热，使得温度更高，更加远离露点温度。因此，新风贴附射流送风的防结露能力比普通送风更强。Daoming Xing，Huijun Wu 等人提出的解决方案是在辐射板表面与室内湿热空气之间增加一个空间，并使用红外膜进行隔离。这种方法通过增加空间并使用红外膜隔离，可以降低辐射板表面的露点温度，在一定程度上减少结露现象对辐射板的影响，同时保持辐射板的辐射换热效果。这种方法为解决结露问题提供了一种可行的方案，进一步研究和应用该技术有望提高制冷效果并提升设备的性能。Daoming Xing 等对红外透明罩辐射板建立并验证了辐射传热模型，通过对模型进行性能研究，得出了真空层具有极好的防结露能力[21］。Huijun Wu 等则通过实验，在辐射冷板表面与室内空气设置多层高透过红外膜将表面与室内空气隔开，辐射冷板表面温度能在低于室内空气露点温度下正常运行[22］。在辐射供冷技术中，通过在辐射冷板与室内环境之间增加一个隔层，可以显著降低结露风险。然而，在实际应用中，楼层的层高等因素可能会对隔层的应用产生影响。为了在实际场景中能够长期稳定地使用并推广辐射供冷技术，有必要将隔层的厚度尽量缩小。

通过缩小隔层的厚度，可以减少对楼层空间的占用，并提高辐射供冷技术的适用性。这样一来，辐射供冷技术可以更广泛地应用于市场。由于该技术是通过提高隔层内空气温度来防止结露，可以考虑使用良好隔热的材料。

3 辐射板性能相关因素研究

受到结露现象的影响，辐射板的供冷性能也需要增强。为此，许多研究人员开始关注影响辐射板供冷性能的相关因素。

3.1 冷冻水相关研究

Wufeng Jin 等人的研究得出供水温度的变化对辐射吊顶板的表面温度影响最大。当供水温度降低时，室内温度对辐射吊顶板表面温度的影响最为显著。因此在面对结露风险时，降低供水温度可以有效控制辐射吊顶板的表面温度[23］。侯波等人采用Fluent 软件对毛细管网顶板进行模拟实验，同样得出供水温度对毛细管供冷量的影响较大，而供水流速变化对供冷量的影响很小，辐射板的材料对供冷量存在一定的影响[24］。通过对辐射板供冷量相关因素的研究，可以为后续的研究提供重要的参考和基础，避免不必要的重复工作。

3.2 热源研究

除辐射板内冷冻水参数影响外，热源本身也值得研究。Xiaolei Niu 等人探究了内部热源和两种不同的外部热源对辐射空调供冷量的影响，并验证了热源形式对辐射制冷末端的冷却能力具有一定影响[25］。Jiang、Tingting 等人的研究将冷冻水替换成制冷剂，获得了更高的制冷量[26］。Limei Shen 等人对一种新型辐射板TE-RAC 型辐射板进行可行性研究与性能研究，该新型辐射板有进一步研究的价值[27］。 随后Limei Shen 等人对TE-RAC 型辐射板应用深入研究，得出了部分最优参数，并为后续相关研究提供了新的思路和参考[28］。章文杰等人根据热电制冷辐射，将其应用于窗户的研究，通过光伏发电满足用电需求，实现了窗户的制冷功能，并且取得了较大的性能提升[29］。这种创新的应用方式不仅为窗户的功能扩展提供了新思路，还能够利用太阳能发电来满足制冷系统的电力需求，提高了系统的能源效率。热源的选取对辐射供冷技术来说非常重要，不仅影响其供冷性能，还直接关系到节能效果。选择适合的热源可以大大降低辐射供冷空调的运行成本，并使其更加节能。热源的研究应该不仅考虑供冷性能，还需要考虑节能性。

3.3 换热盘管的影响

叶立飞等人的研究探究了辐射板中换热盘管的管间距对其换热性能的影响，并发现在固定尺寸下，采用变管间距排列可以提升冷辐射板的换热性能[30］。Mohamed Mosa 等人在对经典的蛇形流体结构进行改进的基础上，采用枝状结构的设计，为冷却板提供了更大的自由度。在这种结构的支持下，冷却板的性能得到了显著的提高，具有更多的冷却能力和更少的泵送功率[31］。Mohammad Hakim Mohd Radzai 等人针对蛇形设计的辐射散热板，使用CFD 数值模拟方法进行了性能数值分析研究。通过比较一进一出、两进两出和三进三出三种不同管道构型的性能指标，发现两进两出结构具有最高的供冷量[32］。Jonathan Grinham 等人提出了一种集成微流体供水回路的辐射板结构，并针对平板、折叠板和之字板三种表面结构进行了实验和模拟。研究结果表明，折叠板和之字板具有更高的冷却速率，能够更快地响应供冷需求，并满足环境要求[33］。 Mohamed Mosa 等人对吊顶辐射板的换热盘管结构进行了研究，以探究其对换热性能的影响。研究中建立了六种较为常见的换热盘管，并进行了实验研究。实验结果表明，辐射板表面平均温度主要取决于雷诺数，而不是盘管结构[34］。提高雷诺数是获取更高供冷量的关键方向。这项研究的结果对于优化吊顶辐射板的设计和性能提升具有重要意义。通过理解雷诺数对辐射板的影响，我们可以更好地调整操作参数，以实现更高的供冷效果。

4 辐射板结构优化

Guoquan Lv 等人的研究中，在传统吊顶辐射板的结构上增加了一个传热缓冲部分，并利用传热液体填充顶部平板与底部凹槽板之间的空间[35］。这种设计可以实现辐射板表面温度的均匀分布，提高供冷量的输出，并且可以根据不同的供冷需求更换传热液体。这种设计能够改善辐射板的供冷效果，并具有一定的灵活性。在杨绘乾等人的研究中，对填充液式辐射板的供冷性能进行了研究，并发现相较于传统辐射板，填充液式辐射板具有一定的提升[36］。肖凯天等人的研究主要探究填充液式辐射板的蓄冷能力。发现填充液体可以很好地储存热能，并且抵抗室内温度的扰动，从而保持室温的稳定[37］。综上所述，Guoquan Lv 和肖凯天等人的研究在传统吊顶辐射板的结构上进行了改进，以提高其供冷效果和蓄冷能力。然而，填充液体会增加辐射板的质量，导致安装困难并增加维护成本。为了解决这一问题，可以考虑将辐射板放置在地板或墙壁上，以避免质量过大的问题。这些研究为辐射板的设计和应用提供了新的思路和方法，但仍需进一步研究和优化以解决存在的问题。李逸姝等人通过改变辐射末端结构，将辐射板竖直安装，并增设了一个辐射罩来改变辐射方向。同时，竖直安装的辐射板能够在结露时自动将水珠收集至沟槽内，使得辐射系统能够在结露状态下正常运行，并获得更大的供冷量[38］。Janusz Wojtkowiak 等人提出了一种波纹表面的辐射板，通过增加换热面积和提高自然对流能力来增强供冷性能[39］。Baisong Ning 等人提出了三种基于带稀薄空气层的辐射板的改造模型，并进行实验及模拟测试性能，结果表明，供冷性能均有所提升[40］。Xiaosong Su等人基于一种含密封空气层辐射板建立了计算模型并通过实验验证了模型具有一定的科学性[41］，通过模型研究了诸多对换热性能有影响的因素并给出了一些建议，为后续研究提供了一定参考。张顺波等人在辐射板内部增加了一个空气夹层，使得辐射冷表面温度更加均匀。在不结露的情况下，辐射表面能够达到更低的平均温度，从而获得更高的供冷量[42］。陈伟等人对一款含密封空气层冷辐射板的性能进行研究并建立模型模拟计算，均得出该辐射板供冷性能优越[43］。辐射空调供冷量优化是一个有待进一步探讨的领域。目前的研究中对于增大辐射板发射率的内容相对较少，然而增大发射率可以提高辐射换热量，从而提高供冷性能。因此，这是一个有潜力的改进方向。另外，增大辐射角系数也可以增加辐射板的辐射换热量，为新型冷却系统的设计和优化提供了重要的思路。通过优化辐射板的材料和结构，可以实现更高的辐射换热效果，从而提高辐射空调的供冷量和效能。这些改进措施为未来的研究和技术开发提供了重要的方向。

5 相变材料应用

将相变材料应用于辐射板的夹层位置是一种新的发现，可以进一步改善辐射板的性能和解决结露问题。相变材料具有特殊的热物性，能在特定温度范围内吸收或释放大量的热量。通过在辐射板夹层位置使用相变材料，利用相变材料的热吸收和释放效应来调节辐射板表面的温度，从而降低结露的可能性。Dragos-Ioan Bogatu 和张群力等人的研究探索了相变材料在辐射板中的应用，并发现相变材料辐射板可以满足房间全天的供冷需求[44-45］。古家安等人采用数值模拟的方法分析了相变材料厚度、导热系数、相变温度、相变潜热对室内空气温度、辐射供冷板制冷能力，以及相变材料熔化传热特性的影响[46］。这项研究为后续辐射板研究提供了一定的指导方向。夏燚等人在辐射板夹层位置放置了两层相变材料分别用于供冷与供热，集成为供冷供热辐射板，节约了成本[47］。通过将相变材料集成到辐射板中，利用其储热和释热的特性，实现房间的持续供冷效果。这种基于相变材料的辐射板在夜间低负荷时储存冷量，在白天高负荷时释放冷量，从而实现全天的供冷需求。转移了白天的用电峰值，减轻用电负荷，为后续辐射板研究方向提供了启示。未来可以进一步深入探究相变材料辐射板的性能优化、材料选择、系统设计等方面，此外，还可以考虑相变材料与其他换热技术的结合，以进一步提升辐射板的供冷效果，并探索其在其他领域的应用潜力。基于相变材料与热电辐射技术，Yong-Kwon Kang 等人提出了相变材料一体化热电辐射板的概念，并进行了实验性能分析和系统设计探讨[48］。根据他们的研究，选择6～8 mm的相变材料（Phase Change Material, PCM）层厚度是一个很好的选择。这意味着在设计热电辐射板时，使用6～8 mm 的PCM 层可以达到较好的效果。对后续的研究提供了一定的指导。相变材料的研究具有巨大的潜力，首先它有助于转移并降低用电峰值，从而减缓了供电压力，其次相变材料可以调节辐射板表面的温度，降低结露的可能性。因此，将相变材料应用于辐射供冷方向具有重要意义，并且未来可以进一步研究不同的相变材料，并与其他技术相结合，实现更多应用。

6 结论

目前，国内外学者主要通过以下几种方式对辐射冷板进行研究：

1）研究结露现象，从根本上寻找解决结露问题的方法。

2）将疏水类材料应用于辐射冷板表面以及增加收集处理露珠装置来降低结露风险。

3）耦合新风系统或除湿系统来解决辐射板冷表面结露问题，从而使辐射空调系统能够在更低的供水温度下正常运行以获得更高的供冷量。

4）改变辐射冷板表面的空气环境来降低结露风险。

5）对冷冻水参数研究寻找对辐射冷板性能的影响关系。

6）通过更改热源研究对辐射冷板的影响。

7）利用数值模拟或实验测试研究换热盘管的布置。

8）改变辐射板材料和结构，优化供冷的传热过程，并进行实验或模拟以寻找优化策略并验证可行性。

9）将相变材料应用于辐射冷板是一个值得研究的内容。该项技术能够减缓用电压力，降低结露风险，还可以与其他研究结合，有着很大的研究潜力。

通过阅读众多学者的研究，笔者认为在辐射板表面进行的防结露技术很大程度上治标不治本。针对改善室内空气品质问题，可以增加除湿处理。未来的辐射板研究应当倾向于对辐射板结构的深入研究，空气层、红外透膜以及相变材料就是很好的研究方向。热源的研究需要更多地贴合实际，辐射板的研究不应当局限于制冷效果，需要同时考虑其节能方面的优势。