一种结合通风系统的独立辐射冷却技术的开发

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Development of a Ventilation-Integrated Decoupled Radiant Cooling Technique

集成通风的解耦式辐射冷却面板在湿热气候下的热性能与抗结露能力研究。

　　

杜玉娇|李一真|吴慧军|徐新华|梁玉英|黄功胜

香港特别行政区香港城市大学建筑与土木工程系

摘要

传统的辐射冷却系统在炎热潮湿的地区往往受到限制，因为它们的冷却能力不足且结露风险较高。解耦辐射冷却（DRC）面板通过使用膜密封的空气层将冷却表面与空气接触表面分离，从而解决了这些问题。这种设置允许使用较低的辐射冷却温度（例如5°C）来提高冷却能力，同时保持空气接触表面的温度较高（例如>17.5°C）。由于辐射冷却面板主要处理显热负荷，因此必须与通风系统一起使用，以提供新鲜空气并调节室内湿度。本研究介绍了一种集成通风功能的解耦辐射冷却（ViDRC）面板，该面板创新地将新鲜空气管道集成到辐射冷却面板中，形成一个整体单元。通过实验验证的CFD模拟，在不同的辐射冷却温度（T_c，5–15°C）和供应空气温度（T_s，25–29°C）组合下，研究了其热性能和室内热环境。结果表明，ViDRC的集成通过改善对流热传递略微提高了DRC系统的冷却能力。对于每增加1°C的T_s，冷却能力提高了3.01%–3.57%。由于T_s的升高，ViDRC面板的抗结露能力也得到了增强。当T_s设置为25°C时，膜的平均温度和最低温度分别提高了2.4°C和1.5°C。同时，ViDRC系统能够在不同的T_s下创造相对均匀的热环境。本研究为炎热潮湿气候下的室内热环境创造提供了一种新的有效解决方案。

引言

快速的工业化和城市发展显著增加了全球能源消耗。建筑运营占其中很大一部分，在美国占总能源使用的约40%[1]，在香港则超过89%的电能[2]。这部分能源的很大一部分被用于供暖、通风和空调（HVAC）系统，尤其是在炎热潮湿的气候条件下用于冷却[3]。因此，提高建筑冷却系统的能源效率已成为一个重要的研究课题。辐射冷却作为一种节能的替代方案，受到了越来越多的关注。辐射冷却系统主要通过冷却表面与居住者之间的辐射热交换来散热，可以在保持类似热舒适度的同时，将室内空气温度提高2–3°C，从而有可能节省20%–40%的能源[4][5]。此外，辐射冷却还可以通过避免气流、消除风扇噪音、创造均匀的温度分布[5][6]，甚至加快患者康复速度，从而提供更好的热环境[7]。

尽管辐射冷却系统具有潜力，但由于其容易发生结露，尚未得到广泛应用。当冷却负荷较高时，必须降低辐射温度以增强冷却能力，但这不可避免地会增加结露风险。由于室内表面的结露会导致霉菌生长并降低室内空气质量，因此当前实践中通常采用较高的辐射冷却温度（例如>20°C）来避免结露[8]。然而，这样的高温度会导致与居住者的辐射热交换效果大大降低。20°C的辐射冷却温度提供的冷却能力不到60 W/m²，远低于炎热潮湿气候条件下通常所需的≥100 W/m²。因此，设计一种在炎热潮湿气候条件下高效运行的辐射冷却系统，克服结露问题至关重要。

为了解决结露问题并提高辐射冷却面板的冷却能力，人们已经做了很多努力。一种常见的方法是使用相对较低的辐射温度，并通过单独的除湿装置确保极低的湿度水平[9][10]。然而，在炎热潮湿的气候条件下，除湿的成本很高，且有可能降低热舒适度，使得这种方法不切实际。另一种方法是使辐射表面温度分布更加均匀[11]。确保温度均匀分布并避免靠近 chilled water pipes 的区域出现过低的温度点，可以在不发生结露的情况下略微降低辐射温度。尽管这可以提高冷却能力，但效果并不显著，而且这种方法效果不佳。

一种直接的解决方案是解耦辐射冷却（DRC）技术，该技术源于Morse的工作[12]。在这种解决方案中，使用红外透明膜密封空气层，从而将辐射冷却表面与空气接触表面分开，使得可以使用较低的辐射冷却温度来增强冷却能力，而不会增加结露风险[13][14][15]。许多研究评估了这种设计的热性能。例如，Teitelbaum等人发现，当辐射冷却面板由13°C的 chilled water 冷却时，其冷却能力为156.8 W/m²[16][17]。Xing等人发现，当室内相对湿度低于65%时，辐射冷却温度可以降低到7°C而不会发生结露，冷却能力为103.2 W/m²[18]。Zhang等人进一步证明，当DRC面板向下、向上或垂直安装时，其冷却能力比传统辐射冷却面板高出18%-159%[19]。对于空气接触表面温度，Gu等人报告称，当辐射冷却表面温度为5°C且空气层厚度为10 mm时，膜的温度达到了17.2°C[20]，正如[21]中的结果所证实的，这证明了空气层在提高膜温度方面的有效性。除了冷却性能外，研究人员还研究了DRC技术创造的热环境。Zhang等人建立了等效辐射温度与冷却表面温度之间的线性关系，以表征热环境和热舒适度[22]。Liang等人发现，在相同的运行温度下，DRC面板比传统辐射冷却系统减少了8.4%的冷却负荷和21.6%的外墙热增益[23]。Liang等人使用计算流体动力学（CFD）方法模拟了DRC面板在低辐射冷却温度下的室内热环境，并确认了整体和局部热舒适度均符合室内居住者的要求[24]。

与传统的辐射冷却系统一样，DRC系统也仅处理显热负荷[25]。为了创造舒适健康的室内环境，它必须与提供新鲜空气和调节湿度的通风系统协同工作。然而，大多数关于DRC系统的研究主要集中在它们的热性能或自然通风条件下的室内应用，而DRC系统与机械通风系统之间的相互作用尚未得到系统性的探索。此外，新鲜空气与膜表面的相互作用及其对DRC面板的热性能和抗结露能力的影响也尚未得到解决。

为了解决这一研究空白，本研究提出并研究了一种集成通风功能的DRC（ViDRC）面板。该设计的特点是在面板上安装了一个通风管道，该管道将除湿后的新鲜空气吹送到面板的膜表面。在没有额外冷却的情况下，新鲜空气的初始温度较高（例如25–29°C），但随后被膜冷却。这一过程提高了膜的温度，进一步增强了面板的抗结露能力。此外，冷却后的新鲜空气会进入呼吸区，为室内居住者提供新鲜空气。开发了一个计算流体动力学（CFD）模型来研究面板的热传递，并使用实验数据进行了验证。然后通过CFD模拟来探索ViDRC面板的热性能，并评估由此产生的热环境和舒适度。该验证模型进一步用于评估所提出的ViDRC面板的冷却能力、抗结露性能以及由此产生的室内热环境和热舒适度。本研究为在炎热潮湿气候下提高辐射冷却系统的冷却性能和抗结露能力提供了新的有效解决方案，同时保持了舒适的室内热环境。

本文的结构如下：第2节介绍了本研究使用的方法；第3节详细介绍了ViDRC面板的热传递建模和模型验证；第4节讨论了热环境特性；第5节提供了讨论；第6节提出了结论性意见。

部分内容

方法论

所提出的ViDRC面板如图1所示，由两个部分组成：DRC面板和新鲜空气管道。新鲜空气管道安装在DRC面板的侧边，确保新鲜空气的流动方向与DRC面板的膜表面平行。由于新鲜空气在需要时被除湿而不进行冷却，因此其温度预计会高于室内空气的温度。随着新鲜空气沿膜表面流动

ViDRC面板的热传递机制

ViDRC面板的热传递过程受到辐射、传导和对流等多种效应的共同影响，如图3(a)所示。由于辐射冷却表面和膜之间的温差，除了辐射外，停滞的空气层中还会产生自然对流。因此，LDPE膜的能量守恒可以表示为：