新型輻射供冷末端裝置的開發與數值模擬研究

精華版

傳統輻射供冷末端裝置由於衛生等原因需要防止結露，其冷表面的最低溫度受周圍空氣露點溫度的限制，因而輻射提供的冷量有限。這大大限制了其在我國，特別是氣候潮濕省份的推廣應用。為解決這一問題，一般需增設額外的對流冷卻裝置，但這樣即增加了系統複雜度和初投資，也無法完全體現輻射供冷的節能效果。因此，我們設計了一種新型輻射供冷末端裝置，無需增加其他輔助冷卻系統，就可解決結露帶來的問題。並且本裝置能夠促使輻射的冷量集中，進一步提升面向對象的供冷效果。我們進一步通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）數值模擬的方法驗證了新型輻射供冷末端裝置在三維房間模型中針對人體的局部供冷效果，為其完善與應用提供參考與指導。

01

研究背景

我們日常常見的空調系統只能依賴於對流換熱來供冷，先冷卻全部室內空氣，再通過冷卻的空氣去冷卻需要被冷卻的目標，這樣一方面導致大量的能量用於不必要的空氣冷卻，另一方面也增加了將室內空氣都抽出冷卻然後再送回來這樣鼓風的泵功，消耗了很多能量。對此有人提出了輻射供冷裝置試圖節約這部分能量，如圖1所示，類似於浴室里的浴霸通過熱表面的輻射傳熱來供熱一樣，輻射供冷系統主要通過冷表面的輻射傳熱來供冷，由於其具有明確的方向性，可以直接作用於需要冷卻的物體表面，而不需要循環大量空氣來達到供冷的目的，因此具有顯著的節能效果[1]。

圖1 輻射冷吊頂[2]

但是傳統的輻射供冷系統為了防止結露，表面溫度設定受到空氣露點溫度的限制，如果末端裝置冷表面的溫度低於周圍空氣的露點溫度，裝置表面就會有空氣中的水蒸氣遇冷變成水滴凝結出來。因為結露滴落下來會導致裝置表面潮濕甚至房間內設施積水、霉變、鏽蝕，給正常生活工作帶來影響[3]。因而在面積有限的情況下，傳統輻射供冷裝置冷表面的溫度以至於供冷能力受限於空氣露點溫度，導致在氣候潮濕地區，即便擴大面積也不足以在達到熱舒適的前提下提供足夠的冷量，還需要增加置換通風[4]、獨立新風[5]或風機盤管[6]等對流冷卻裝置協助供冷和除濕[7]，這樣既增加了系統複雜性和初投資額度，也增加了系統的整體能耗，無法完全體現輻射供冷的節能效果。

目前對於輻射板結露問題也存在一些解決方案，比如在像香港這樣既熱又濕的地方，必須先運行除濕和通風裝置，待室內濕度降下來才能運行輻射板以防結露[8]這樣的方法，因而我們致力於尋求一種更簡單、經濟、可靠的方法，並且不僅著眼於整體環境的供冷情況，直接針對輻射供冷本身的特性研究人體周圍的局部空間。

02

裝置設計

我們課題組針對上述問題設計了新型輻射供冷末端裝置，既能夠解決結露帶來的問題，使輻射冷板的最低溫度不再受制於周圍空氣的露點溫度，提高了單位輻射板面積的供冷量，又能夠促使冷量集中，進一步提升了輻射裝置直接面向對象的供冷效果。

新型輻射供冷末端裝置由輻射裝置、反射裝置、對流裝置和升降裝置這四部分組成，如圖2所示。其核心設計思想是將輻射板豎直放置，在其底部放置冷凝水槽，即使輻射板表面結露也可以順著表面滑下由水槽收集，不會隨意滴落影響人員和設備正常工作，從而突破了空氣露點溫度對輻射板運行溫度的限制。但是，當輻射板改為豎直布置後，其面積的大小受到了嚴格限制，否則會佔用太多空間。此外，輻射板豎直放置冷表面不像水平放置那樣面對供冷區域，而是有一定的角度。為了彌補以上的不足，在輻射板上方設置了反射裝置，通過合理設計反射罩的形狀曲線，使其達到聚焦下部熱輻射到輻射冷板的效果，也進一步強化了直接面向對象的供冷效果。

圖2 新型輻射供冷末端裝置

在細節上，輻射板可由鋁製成，其內部為蛇形冷凍水管，表面可加工成三維微肋結構，其作用有：使輻射板表面的凝結水成股流下，而非形成均勻的水膜，減少了傳熱阻力；增大換熱面積，提高輻射板的換熱係數；提高輻射板表面的粗糙度，增強輻射板對紅外線的吸收能力，進一步可以在輻射板表面噴塗導熱漆以增強輻射板對紅外線的吸收比。

另外，新型輻射供冷末端裝置可以實現局部製冷和全局製冷兩個模式：對流裝置由強制對流風機和導風板組成，在全局製冷時可開啟；而在局部供冷的模式下，則關閉對流風機只啟動輻射裝置配合反射裝置，這種模式更貼近我們的設計意圖，後文的數值模擬計算也是全部基於局部供冷模式的。升降裝置使整個輻射供冷末端裝置穩定在儘可能接近需要被供冷的區域的正上方，以達到最佳供冷效果。新型輻射供冷末端裝置作為末端裝置對接冷水機組，輻射板中的冷凍水或者說末端裝置的冷量是由冷水機組提供。

03

模型驗證

新型輻射供冷末端裝置在局部供冷模式下，固定在距離被冷卻目標儘可能接近的上方，比如冷卻目標為人體，那麼這樣的設計比較適合於應用在人體久坐（如辦公室）或者久卧（如卧室或病房）的等場合，模型如圖3所示，此時人體基本沒有太大移動，活動範圍不超過供冷末端裝置所直接輻射供冷的局部空間。

圖3 三維模型和網格（上）卧室；（下）閱覽室

正常人體在穩定狀態時的散熱量與產熱量是平衡的，在數值模擬計算中，我們將人體作為熱源，因為久卧或是久坐的狀態沒有太大的波動，所以假設人體以恆定的功率向外界散熱。我們把人體模型的邊界條件設為人體的產熱量，那麼數值模擬計算結果收斂後就是平衡時散熱量等於產熱量的狀態。如果平衡時人體體表溫度過高，說明為了向周圍空間散發足夠的熱量，即為了將產熱量全部散失必須達到這麼高的體表溫度才能有足夠的溫差來向周圍空間散熱，進而說明輻射板的供冷量是不足的；如果平衡時人體體表溫度達到舒適甚至過低，那麼說明人體和周圍環境在比較低的溫差下就足夠散失這些產生的熱量，進而說明輻射板的供冷能力足以承擔人體的熱負荷甚至還有多餘的供冷量。模擬結果如圖4所示在卧室和閱覽室模型的條件下，人體體表溫度在舒適的區間32.5-35.9℃[9-16]中，新型輻射供冷末端裝置能夠擁有足夠供冷量承擔人體散熱。

圖4 新型輻射供冷末端裝置模型中人體表面溫度分布圖

（上）卧室模型；（下）閱覽室模型；

04

總結

新型輻射供冷末端裝置通過豎直放置輻射板並於底部加裝集水槽解決了結露帶來的問題，使得輻射板冷表面溫度可以在一定範圍內自由調節，不受露點溫度限制，模擬結果驗證了降低輻射板表面溫度能夠大幅提升新型輻射供冷末端裝置單位面積的輻射供冷量，增強輻射供冷效果。

在卧室模型和閱覽室模型條件下的數值模擬表明，新型輻射供冷末端裝置能夠擁有足夠供冷量承擔人體散熱，理論上能夠不需要對流換熱來補充供冷量，從而節約了循環並冷卻大量空氣的能量。但是不同的應用場景會導致供冷效果在細節上發生較大差別，如何根據人體姿勢靈活調整輻射罩，使其既能更好的改善人體表面溫度分布均勻度，又能保持對輻射冷板的聚焦效果，將是提升本裝置供冷效果的一個重要的手段。

*本研究原文已收錄於《製冷技術》

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作者： 李逸姝 等

編輯： 黃志遠

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