办公室辐射制冷系统应用研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

近年来，辐射制冷系统成为国内外研究和探讨的热点。其工作原理主要是通过降低辐射板表面温度形成冷辐射面，依靠冷辐射面和围护结构或室内空气进行热交换，以达到调节空气的目的。与传统的空调系统相比，辐射制冷系统主要有两方面优势[1]：一方面由于冷辐射的作用，人体的实感温度会比室内温度约低2°C，所以室内设计温度可以高一些，减少了计算冷负荷，具有可观的节能效益；且辐射制冷系统具有“自调节”功能，其冷却能力随辐射板冷媒水温与室内空气温度之间的温差的增加而增加，随温差的减少而减少，所以当室内温度升高时，冷辐射板的工作温差加大，其制冷量也会增加，反之亦然，避免了不必要的制冷消耗。另一方面，辐射制冷系统的“自调节”功能还使房间温度比较稳定，在辐射板下方都不会感到温度峰值；且使用辐射制冷时，室内只需送入一定量的新风，相较以对流换热为主的送风型空调，送风量小，室内风速低，人体无明显的吹风感，同时还减小了噪声，提高了舒适性。

辐射板制冷主要用于应用于办公室、实验室等对静音要求比较高的场所，而因为其以热辐射为主要的热传递方式，不会因为层高等剧烈影响负荷，所以辐射空调也特别适合于高大空间。但其在使用过程中，也存在一些局限性[2]。在夏季工况下，辐射面是低温辐射面，如果有湿热的室外空气涌入就会使辐射面产生结露，长时间后会导致霉变，影响室内卫生条件；而为了避免结露，则会要求辐射板表面温度高于空气露点温度，从而限制了辐射供冷的制冷能力。因此，改进目前的辐射制冷系统，使其在满足热舒适性要求的同时，更好地提高制冷系统性能和能源利用效率，成为了国内外专家探索的目标，形成了一批成果。

为了使辐射制冷系统的应用更为广泛，需要对系统的性能进行分析。Rahul Khatri等人[3] 对印度一座应用有辐射制冷系统的办公室进行建模研究，通过CFD仿真，将该辐射制冷系统与风机盘管传统制冷系统的结果进行比较，主要分析特定边界条件下气流流动和热特性的空间分布。实验发现，由于传统系统在室内高度上安装了风机盘管，导致其温度变化不均匀，而辐射冷却系统的平均温度波动更小，意味着热舒适性更好。而为了确定对辐射系统性能具体起作用的影响因素，Yakup Karakoyun等人[4]使用侧壁作为热增益源，通过四种表面配置—仅通过地板冷却、1个侧壁作为热增益源、2个侧壁作为热增益源和3个侧壁作为热增益源，分析了对流和辐射热通量以及地板辐射制冷系统的传热系数，以模拟在现实生活的夏季条件下，当建筑物的墙壁没有适当地隔热或暴露于太阳辐射时可能会遇到的情况，发现导致加热地板的总传热特性值比冷却地板的总传热特性值更高的主要因素是更强的空气运动，加热地板上的空气颗粒由于浮力超过重力而具有上升的趋势，这项研究一定意义上填补了文献上的空白。张超等人[5]以郑州市一采用冷剂辐射式供冷系统的办公室样板间为对象，采用Airpak 软件，用数学模拟的方法研究了标准热泵工况下，蒸发毛细盘管间距分别为80 mm，100 mm 和120 mm 时房间的PMV 云图，PPD 云图以及温度场，并对房间的热舒适性进行了分析。模拟结果表明：蒸发盘管管间距对房间热舒适性影响显著，且在模拟范围内，管间距越大，房间热舒适性好的范围也越大。而为了提高设计时的精度，减小误差，Concettina Marino等人[6]设计了一种综合的全局算法，代替以往过于简化的关系式，来计算平均辐射温度和所需的人体角度因子，以评估室内热舒适性条件。解决了在围护结构几何形状复杂或存在高强度热源（如太阳）的情况下的舒适度评估偏差。任雁等人[7]则对长时间处于地板辐射供冷环境中的人体热反应进行了模拟研究，依据人工环境舱内热反应实验中的实际情况，采用伯克利热舒适模拟软件对地板供冷工况进行模拟得出皮肤温度和热感觉值；将模拟值与实验结果从稳定时间和稳定值两方面进行对比，对该模拟软件在长时间暴露于地板辐射供冷环境中的人体热反应预测的适用性进行验证。结果表明，模型能够在一定程度上反映不对称辐射环境下的人体不同部位皮肤温度分布，以及热感觉和热舒适差异随时间的动态变化过程，大部分部位的偏差在可接受范围内，但在前臂、手背和足背等部位偏差较大，皮肤温度偏差值超过2°C，热感觉偏差接近﹣1°C，需通过后续研究进行修正。

为了解决辐射板表面的冷凝风险，开放商通常的做法是窗户不可开启或者是减小开启，同时搭配除湿新风系统，通过加大风量去除结露可能。国内外很多专家学者对此进行了各方面研究。根据影响结露的两个主要因素—辐射板表面温度和空气露点温度，研究主要分为两方面。一方面通过改变辐射制冷系统本身工况调节辐射板表面温度。Wufeng Jin等人[8]研究了调节供水流量时表面温度的动态变化，确定供水调节有效的防止结露运行条件。通过模拟结果和统计分析，发现供水流量越小，辐射天花板表面温度越高，变化速度越快，当供水关闭时，可有效防止凝结；并确定了影响固定供水流量表面温度的三个主要因素：非冷却表面平均温度、室内空气温度和外窗内表面温度。但是实验并没有根据采取防止结露措施的时间进行不同冷却工况下的研究。他们还研究了供水温度调节对辐射吊顶板表面动态温度变化的影响[9]，利用实验结果进行了数值模拟，并采用线性回归的方法编制了统计分析系统程序。结果表明，当辐射板表面有冷凝风险时，辐射板表面温度随供水温度呈指数变化。当供水温度升高时，辐射顶板的表面温度升高，有效地防止了表面冷凝的发生，此时，供水温度的变化对辐射顶板的表面温度具有最大的影响；而当供水温度降低时，室内温度对辐射吊顶板的表面温度影响最大。

另一方面，通过将辐射系统与其他系统组合起来，调节空气的露点温度。针对地板辐射，韦新东等人[10] 针对毛细管辐射空调舒适性高、导热能力快，不占用建筑使用空间、节能效果明显等特点，创造性地提出通过建立置换通风 毛细管地板辐射的热传导模型，数值模拟该复合空调供给的热湿环境参数，并与实验测得的温度、湿度、速度、PMV、PPD 值进行对比，得出不同供水温度与换热量的关系，分析该复合空调的供冷能力。该研究为促进供暖/供冷一体化技术在长春地区的发展应用提供一定的参考价值。本文仅对不同供水温度的实验值与优化后模拟值进行了分析，而影响毛细管辐射换热量的因素繁多，如辐射末端的构造、管间距、埋深及敷设面积等因素可就其他因素进行分析。栗浩[11]利用CFD对考虑地板传热的三维建筑模型进行模拟，得出换气次数、供回水平均温度和建筑外墙的内表面温度对地板表面温度，辐射换热量和总换热量的影响，以此得出这些因素对地板辐射供冷 置换通风的复合式系统的供冷性能的影响。结果表明：换气次数降低，地板表面温度升高，辐射换热量升高；供回水平均温度升高，地板表面温度升高，辐射换热量却降低；外墙内表面温度升高，地板表面温度升高，辐射换热量升高。而地板表面的总换热量中对流换热量占比很小，这主要是置换送风时，地板附近空气的垂直温差较小导致的，所以在不考虑地板的供冷能力变化的条件下，其他形式的送风系统可能是更合适的选择。陈刚等人[12]则利用CFD软件对地板辐射 置换通风（RF DV）复合空调系统进行了数值模拟，从室内速度场、温度场、相对湿度场和热舒适评价等方面对负荷系统进行研究。研究结果表明：采用间隔式辐射地板的复合空调系统可以满足夏季人体热舒适要求。通过引入新风，可以有效地降低露点温度，避免冷辐射地板结露的发生。Taeyeon Kim等人[13]则针对辐射地板制冷系统在地板表面存在冷凝风险的问题，提出了一种集成有除湿通风的辐射地板制冷系统，通风系统中的冷却盘管可用于辅助制冷，不仅可以改善辐射地板系统的控制性能，解决其对室内冷负荷变化响应慢的问题，还可以出去送风中的水分，使露点温度远小于地板表面辐射温度，有效防止冷凝。针对顶板辐射制冷，王瑜等人[14]则对辐射冷却系统与置换通风系统在办公室下的热环境进行了研究。主要通过CFD的仿真方法讨论了辐射冷却表面布局对热舒适性的影响。发现辐射冷却表面配置在上部时具有更好的热性能，室内人员在就座和站立位，头、脚踝的温差都很小。且对称配置的辐射表面可以减少不对称的热辐射。这项研究为选择合理的辐射面配置方式提供了理论依据。Novoselac A等人[15]则针对顶棚辐射制冷系统与置换通风系统的组合进行了性能评估，不仅要求热舒适度达到标准，室内空气质量也要满足要求。此时，不仅要避免室内空气在顶棚辐射板上冷凝，还要确保存在垂直温度梯度，防止产生混合气流，降低空气质量，但也要确保温度梯度不太高，不会使人产生热不适感。该项研究主要采用CFD仿真模拟，为组合式顶棚辐射制冷和置换通风系统的使用提供了理论上的帮助。Schiavon S等人[16]则主要通过现场试验来验证组合式顶棚辐射制冷和置换通风系统的可行性。而且设置了类似办公室的工况—高冷却负荷来进行实验，在实验中还考虑了辐射材料及顶棚覆盖率对热舒适性的影响，此研究为暖通空调工程师的设计提供了很大帮助。

此外，为了研究辐射制冷系统的应用前景，赵康等人[17]具体地对高强度太阳辐射下的辐射地板制冷系统在大型开放空间的应用进行了研究。采用一种简单的方法计算稳定状态下辐射地板的冷却能力，并根据建筑的特性考虑太阳辐射和家具遮挡对室内热环境的影响，为在高大建筑中运用地板辐射提供了可行性论证。而辐射制冷的另一大特点是可以满足夏季工况，龚光彩等人[18]对辐射系统的供暖效果进行了研究，并且提出一种顶棚-侧墙复合式辐射系统来减少能耗，此研究不仅论证了辐射系统既可以供暖，又可以制冷的特点，还为暖通空调工程师在该地区的设计和应用该系统提供了帮助，论证了空调冬夏一体化的可行性。隋学敏等人[19]分析了地源热泵与辐射供冷/暖系统相结合的原因和优势，从节能经济性、运行特性、控制策略及㶲分析在系统中的应用四方面对地源热泵—辐射供冷/暖复合系统的国内外研究现状进行了综述，结果表明，地源热泵与辐射系统相结合可实现优势互补，有效提高地源热泵机组的能效比，节能效果显著，长期运行在经济性方面具有优势。研究还阐述了目前该复合系统研究与应用中有待解决的问题，提出地埋管直供辐射供冷系统应用于不同纬度地区及土壤环境中的适应性、运行控制策略及应用效果有待于进一步研究。

辐射制冷作为一种无能耗的建筑物空调手段，得到了蓬勃的发展，以上各种研究，在一定程度上代表了辐射制冷系统的发展趋势，充分论证了辐射制冷系统应用的可能性。但由于各研究的侧重点不同，难以将其相互对比，可通过仿真实验建模，对比各系统在性能上的优劣之处，简化暖通空调工程师的选择设计过程，实现地区空调冬夏一体化，降低能耗。

参考文献：

[1]韩婕.冬冷高湿气候空气载能辐射空调系统供暖性能研究[D].湖南:湖南大学,2018.