CN106440129B - 一种多孔介质辐射板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及暖通空调领域，具体公开了一种多孔介质辐射板，包括辐射板本体、传热孔道和除湿孔道，辐射板同时与空调回路和除湿回路连接，辐射板是空调回路的辐射末端，也是冷凝液的吸收端，由此可以同时实现传热和冷凝液吸收与排除。本发明克服现有技术中的凝结水问题，同时不降低辐射面的辐射效率。

Description

一种多孔介质辐射板

技术领域

本发明涉及暖通空调领域，尤其涉及一种多孔介质辐射板。

背景技术

传统的空调多采用对流换热实现制冷或采暖，对流换热具有换热速度快、响应迅速等优点，但也存在着诸多缺点，如换热气流吹过人体，影响了人体舒适度；在达到同样冷暖舒适度情况下能耗过高；风机存在一定的噪音，且容易积累灰尘、滋生病菌。

随着人们生活水平的提高，辐射空调是一种更好的提供空间内制冷供暖的空调设备。辐射空调系统供水温差小，比传统方法节能20％～40％；空间内无明显气流，因此无吹风感，体感舒适；辐射空调通过热辐射形式对人体传递热量，辐射过程并不加热空气，因此对空间内空气湿度影响小，不会导致空气过分干燥；由于没有风机盘管等运转设备，可以实现噪音降低到人可感知范围之下。

然而，辐射空调在夏季制冷时，如果辐射表面温度低于空气露点温度就会产生结露，冷凝液积聚在辐射表面，会影响辐射效率，并导致发霉，影响卫生。为了克服辐射空调的结露问题，一般设计的辐射空调必须配备有相应的新风系统进行空气交换和除湿。这样采用能动的方式进行换气，额外增加能耗的同时，新风系统也会带来一定的噪音；此外，专门的除湿装置必须能够严密监测和控制每个房间的空气温度和湿度，所以系统必须具有很高的可靠性和复杂度，这样提高了辐射空调的投入成本，这些缺点是影响辐射空调广泛使用的主要屏障。

为了避开这个问题，CN 102563781 A设计了一种垂直式的辐射金属板，辐射板与换热器不接触，两者之间形成一个狭窄的风道，利用重力进行对流换热，换热器下设置冷凝水托盘收集换热器上的冷凝水。CN 105627439 A设计了一种吊顶透射式冷热辐射空调，在辐射板外设置有一个红外线透射板，在辐射板与红外透射板之间形成一个空气层，利用红外线透射板对红外线的吸收、折射率低的特点建立辐射板与人体间的红外辐射热传递。上述这类设计本质上而言都是采用的两层辐射板设计，仅内层布置冷热水管。这类设计只是一定程度上缓解凝结水问题，但都需要专门的除湿装置，而且两次辐射导致辐射增加一层热阻，传热效率低、响应慢，难以广泛使用。CN 103982017提出了一种防凝露的金属辐射板，即将金属板进行超疏水处理，在潮湿环境下，低温冷表面不会出现凝露；但是实际环境条件下，空气中灰尘会改变金属辐射板疏水性，另一方面，当空间内温度降低时，空气中的水蒸气不在金属板上冷凝，就会在空间内例如地板、家具表面冷凝，因此限制了其广泛应用。

发明内容

为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种多孔介质辐射板，以达到克服现有技术中的凝结水问题，同时不降低辐射面的辐射效率的目的。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种多孔介质辐射板，包括辐射板本体、传热孔道和除湿孔道,所述辐射板本体采用多孔介质材料制成，所述传热孔道和所述除湿孔道位于所述辐射板内部。

进一步地，所述辐射板本体的多孔介质应选择具有高导热性、高吸湿性，并且具有一定的结构强度的材料，其材料包括烧结砖、青砖、模铸砂型、多孔陶瓷、玻璃纤维、活性炭、木质密度板、水泥、氧化锆陶瓷、硅化物、金属泡沫和岩石类中的一种或多种，以及其他具有上述多孔介质性能的新型材料。

进一步地，所述多孔介质材料的孔隙率为2％-94％。

进一步地，所述传热孔道与空调回路相连接，所述除湿孔道与除湿回路相连接。

进一步地，所述辐射板上设置有辐射面，所述辐射面直接与空间内空气接触，并通过辐射和对流换热，将冷热能量直接传递给空间内环境和人体，不经过二次传热。

进一步地，所述辐射板可以直接连接空调制冷剂回路，以制冷剂氟利昂及其替代物为工质，也可连接二次传热回路，以水或气体为工质。

进一步地，所述辐射板多孔介质的孔隙率根据不同区域特点可合理分布，可按照靠近空间内空气侧孔隙率较高、靠近除湿孔管侧的孔隙率较低进行分布，以便利用毛细力驱动多孔介质内液相冷凝水流向除湿孔道。

进一步地，所述传热孔道和除湿孔道可以通过合理选择传热和除湿工质合并成在同一个孔道系统内同时完成传热和除湿功能，或分开两个独立的孔道系统。

进一步地，所述传热孔道和除湿孔道的横截面设置为圆形、椭圆形、方形、梯形或多边形，其轴向设置为直线、U型、蛇形或同心圆状。

进一步地，所述传热孔道和除湿孔道直接由辐射板的多孔介质模铸或钻铣形成，或在孔道内插入相应的专门管道；所述专门管道的壁面设置为镂空状或多孔状，以便让多孔介质内液相蒸汽进入除湿孔道；所述专门管道的材质为金属材料或有机材料，金属材料包括铜、铝等，有机材料包括PVC等。

进一步地，所述辐射板上的多孔介质设置为翅片状，翅片状顶端相互封闭后形成除湿孔道，以增加多孔介质除湿传质接触面，加速除湿。

进一步地，所述辐射板的大小可以灵活设置，可以以整面吊顶、墙壁、地面为一个换热单元，设置一个辐射板；也可以设计成小的辐射板，辐射板相互拼接，形成大的辐射板，采用类似铝扣板吊顶形式拼接填满整个换热面积，拼接单元之间可以串联，也可以并联。

本发明具有如下有益效果：

本发明的辐射板属于暖通系统中的制冷或制热末端。本发明可以使用辐射板直接向人体和空间内环境传递热量，传热效率高，制冷制热响应速度快，人体舒适感强，节能效果明显。本发明使空气中的水蒸气直接凝结在辐射面上，并被辐射板的多孔介质吸收，多孔介质则由辐射板内除湿工质除湿，由此带走空间内的冷凝水。系统能自动调节空间内湿度，不需额外的除湿装置，也不需要相应的湿度监控设备。本发明利用空气结露来自动调节空间内湿度，不会导致空间内湿度过高致使水蒸气在空间内家具表面凝结，也不会有常规空调使用后的干燥感。本发明辐射板采用多孔介质组成，表面硬度较高，可以进行正常清洁，不会发生吸附灰尘等因素导致辐射和除湿性能退化。

附图说明

图1是本发明应用的辐射空调系统连接图；

图2(a)是本发明的辐射板示意图；

图2(b)是本发明的辐射板截面图；

图3是本发明多孔或镂空的传热和除湿孔道内插管示意图；

图4是本发明多孔介质内液相冷凝水传质示意图；

图5(a)是本发明辐射板内传热孔道与除湿孔道合并的系统连接图；

图5(b)是本发明辐射板内传热孔道与除湿孔道合并的辐射板截面示意图；

图6是本发明翅片形式除湿孔道示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

附图1所示为本发明的一种多孔介质辐射板应用于辐射空调的系统连接图，如图所示，包括辐射板系统10，辐射板系统10与制冷制热的空调系统11相连接，形成空调回路13，同时与用于排出冷凝液的除湿系统12相连接，形成除湿回路14。辐射板系统10是空调回路13的传热末端，用于将冷量和热量通过对流和辐射传递给空间内环境和人体，传热系数h_h；同时，辐射板系统10也是空间内空气中水蒸气冷凝后冷凝液的吸收装置，冷凝液在辐射板系统10表面冷凝后，被辐射板系统10吸收并传递到除湿回路14，传质系数h_m。冷凝液通过除湿回路14传递给除湿系统12，在除湿系统12干燥后返回辐射板系统10，如此循环。在加热工况下，因不会形成冷凝液，系统不需除湿，但是可以相反通过除湿回路14向空间内空气增加湿度。

如图2(a)-(b)所示，辐射板系统10包含一个辐射板21，传热孔道61和除湿孔道62，保温板23，进出口总管27、28；辐射板21设置有外表面24和内表面25；外表面24是辐射板的辐射面，与空间内空气直接接触，通过对流和辐射的方式将热量传递给人体和空间内环境；内表面25与保温板23紧密接触。传热孔道61、除湿孔道62分别与进出口总管27、28连接。保温板23下面与辐射板21的内表面25接触，上部表面与空气或墙体接触。保温板23用于将辐射板21与其它环境隔离，减少能量损失。

辐射板21内的传热孔道61内有传统空调、热泵、锅炉等冷热源冷却或加热过的流体在其中流动，将热量/冷量传递给辐射板21，然后进一步传递到空间内环境和人体；除湿孔道62内流通除湿用的气体，由除湿系统12干燥，除湿干燥方式可以采用常规的吸附式和冷冻式，吸附式干燥是利用吸附原理，湿空气通过干燥剂时，水份被吸附，得到干空气，常用干燥剂有氯化钙、氢氧化钠、碱石灰、高分子树脂、二氧化硅等等；冷冻式干燥是利用冷却空气，降低空气温度的原理，将湿空气中的水份通过冷凝后从空气中析出，得到干空气。也可以直接通过回路14导入室外相对干燥的气体直接干燥。在冬季空间内湿度过低时,可以在除湿孔道62内通入高湿度空气或者直接导入水,通过逆向渗流向空间内空气增加湿度。传热孔道61、除湿孔道62的截面形状可以根据需要灵活设计，包括但不限于圆形、椭圆形、方形、梯形、多边形等；轴向形状也可以根据需要灵活设计，包括直线型、蛇形、U型、同心圆状等。传热孔道61、除湿孔道62的相对位置、孔道大小、孔道数量、分布也可以根据实际需要灵活设计。

辐射板21本体采用多孔介质加工而成，选用的多孔介质应具备高导热性、高渗透率以及恰当的孔隙率；可选的辐射板21用多孔介质包括但不限于烧结砖、青砖、模铸砂型、多孔陶瓷、玻璃纤维、活性炭、木质密度板、水泥、氧化锆陶瓷、硅化物、金属泡沫和岩石类等中的一种或多种，以及其他具有上述多孔介质性能的新型材料。优选为硅化合物，如二氧化硅、沸石、多孔质玻璃、磷灰石、硅藻土、高岭石、海泡石、水铝英石、伊毛缟石、活性白土、二氧化硅-氧化铝复合氧化物、二氧化硅-二氧化钛复合氧化物、二氧化硅-氧化锆、二氧化硅-氧化铝复合氧化物、二氧化硅-二氧化钛复合氧化物、二氧化硅-氧化锆、二氧化硅-氧化镁、二氧化硅-氧化镧、二氧化硅-氧化钡、二氧化硅-氧化锶等复合金属氧化物等。其中作为硅化合物优选二氧化硅、海泡石、沸石等。也可以采用上述材料的一种或多种的组合。

多孔介质材料内孔隙的多少是影响其性质的重要因素之一。多孔介质材料的孔隙率定义为：多孔介质内的微小空隙的总体积与该多孔介质的总体积的比值。孔隙率与多孔介质固体颗粒的形状、结构和排列有关。在常见的非生物多孔介质中，玻璃纤维等的孔隙率最大达83％～94％，混凝土水泥、石灰石、白云石等孔隙率最低可达2％～4％，地下砂岩的孔隙率大多为4％～30％，砖的孔隙率为12％～34％。本发明的辐射板本体用多孔介质孔隙率范围为2％～94％。

图2(b)所示的是辐射板21内多孔介质密度和硬度相对较高的情况，此时可以直接在辐射板21上通过模铸、钻铣等方式形成传热孔道61、除湿孔道62。对于玻璃纤维、活性炭、密度板等密度和硬度较低的情况，或水泥、岩石等韧性较低的情况，可在孔道内插入专门的内插管道，内插管道与传热孔道61、除湿孔道62紧密接触。内插管道可以采用金属，如铜、铁、钢、银、铝等材质，也可以采用PVC、PPP、PEC等有机材质。如图3所示，对于除湿孔道62内的内插管道，管道壁面40应设置成多孔或镂空41，以利于除湿。

在制冷工况下，当辐射板21附近温度低于空气中水蒸气露点温度时，水蒸气将会在辐射板21外表面24上凝结，冷凝液被辐射板21的多孔介质吸附，形成多孔介质内液相，然后在多孔介质内传递到除湿孔道62，并由除湿孔道62内除湿工质带出辐射板21。多孔介质中液相传质机理如图4所示，在辐射板21内液相传递的机理主要包括以下三种：

(1)液相浓度梯度驱动：靠近辐射板21外表面24处，多孔介质内液相浓度相对较高，靠近除湿孔道62附近，液相浓度相对较低。存在浓度梯度时，由于扩散作用物质总是趋向于从高浓度向低浓度处转移。其控制方程为Fick定律：

这里q_m质量流量，D为传质系数，ρ_L为多孔介质中液相的质量浓度。

(2)毛细力驱动：多孔介质内不同区域特征孔隙率不同，靠近外表面24处多孔介质孔隙较大，特征尺寸r₁相对较大；靠近除湿孔道62处多孔介质孔隙较小，特征尺寸r₂相对较小。根据毛细驱动原理，由界面力引起的毛细流驱动力为不同界面力差：

这里σ为表面张力，θ为接触角。ΔP驱动多孔介质内液相从r₁流向r₂。

(3)对流传质：在除湿孔道62处，管内流体工质流动引起的对流表面传质，将多孔介质内的液相冷凝水带走：

q_m＝h_m(ρ_L，w-ρ_L，f) (3)

这里h_m是表面传质系数，ρ_L，w，ρ_L，f分别为多孔介质和除湿工质管道62内液相质量浓度。

基于上述三种多孔介质内传质机理，所述辐射板21的多孔介质孔隙可以详细设计，包括辐射板21中多孔介质的孔隙率分布(即r₁、r₂的相对大小和绝对大小)、除湿孔道62的大小、间距，以及除湿孔道62上内插管上多孔或镂空41的形式和大小。

由于多孔介质内孔隙尺寸非常小，一般都在毫米、微米甚至纳米级，在这种情况下，流体的粘性力和表面张力的作用远远大于重力影响，此时多孔介质内传质机理均与重力方向无关，因此本发明的辐射空调系统可以以任意角度安装，既可水平安装于吊顶、地板，也可安装竖直、倾斜墙面上。

根据安装设计的实际需要，所述辐射板21的大小可以灵活设计：可以以一整个顶部、一个面墙壁、一个地面为一个换热单元，仅设有一个进口和出口；也可以设计成小的辐射板，多个辐射板21之间相互拼接形成一个大的辐射板，类似铝扣板吊顶形式拼接填满整个换热面积，辐射板之间的传热孔道、除湿孔道可以串联，也可以并联。

保温板23用于将辐射板21与周围环境隔离，减少能散失；保温板23材料采用导热系数小的保温材料，如挤塑板EPS或XPS、聚苯板、聚氨酯、酚醛树脂、聚苯乙烯、玻璃纤维、岩棉、羊毛、海绵、橡胶。保温板23与辐射板21接触的上部表面26上贴有锡箔，以降低辐射传热。保温板23还将辐射板21内的冷凝水与外界隔离，防止水蒸气再次进入空间内空气中，降低辐射系统的除湿效果。

下面是本发明的另一种形式。

通过合理选择空调回路13的传热工质和除湿回路14的除湿工质，除湿回路14的功能可以合并到空调回路13中。如图5(a)-(b)所示，辐射板系统10用于传热和吸收冷凝液，回路16连接到空调及除湿系统15，回路16内流动工质为气体，如空气、氧气、氮气、二氧化碳、惰性气体等，优选为空气。如图5(a)所示，制冷工况下，空调及除湿系统15对工质气体进行冷却，并同时进行干燥除湿，然后低温干燥气体通过回路16流入辐射板系统10，将冷量传递给辐射板10，并同时吸收其中的湿气，然后返回空调及除湿系统15，如此循环。在这种情况下，辐射板21内的传热孔道61和除湿孔道62功能合二为一，图示为传热、除湿孔道22，如图5(b)所示。其它方面的设计与上述发明示例一致。

下面是本发明的另一种形式。

本发明的另外一种优化方式如图6所示，包含一个辐射板21和保温板23，这些设计特征与上述发明示例说明一致。主要差异在于辐射板21的传热和除湿功能分开，并且设置有传热孔道61、除湿孔道80。

辐射板21包括下面平板部分82和上面翅片部分83；平板部分82与翅片部分83紧密接触，或者两者为一个整体，其材料为上述相同或不同的多孔介质材质。平板部分82内布置的孔道全部为传热孔道61，传热孔道61用于将热量、冷量传递给辐射板21内的多孔介质。辐射板21上部的翅片部分83包含有多个翅片突起84，翅片84上面由平板81封闭，翅片84与翅片84之间形成除湿孔道80。除湿气体在除湿孔道80内流动，带走翅片部分83多孔介质内的液相冷凝液。根据传热传质原理，翅片84增加了除湿孔道80与平板部分82的接触面积，有助于强化多孔介质内的液相质量传递，增加除湿速度。进一步地，除湿气体的除湿孔道80可以根据实际设计进行优化设计，结合翅片84形状，其截面可以为方形、圆形、椭圆形、多边形等。

对于本领域的技术人员而言，可根据以上描述的技术方案及构思，进一步增加多孔隔板、毛毡、纤维毡、海绵等，以进一步降低管道内流动噪音，增强保温，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多孔介质辐射板，包括辐射板本体、传热孔道、除湿孔道和保温板，其特征在于：所述辐射板本体采用多孔介质材料制成，所述传热孔道和所述除湿孔道位于所述辐射板内部；所述除湿孔道内流通除湿用的气体以对多孔介质材料干燥除湿；所述多孔介质的孔隙率按照靠近空气侧孔隙率较高、靠近除湿孔道侧的孔隙率较低进行分布，所述保温板与所述辐射板本体表面相接触。

2.根据权利要求1 所述的一种多孔介质辐射板，其特征在于：所述多孔介质材料为烧结砖、青砖、模铸砂型、多孔陶瓷、玻璃纤维、活性炭、木质密度板、水泥、硅化物、金属泡沫和岩石中的一种或多种。

3.根据权利要求2 所述的一种多孔介质辐射板，其特征在于：所述多孔介质材料的孔隙率为2%-94%。

4.根据权利要求1 所述的一种多孔介质辐射板，其特征在于：所述传热孔道和所述除湿孔道设置成同一个孔道系统或分开两个独立的孔道系统。

5.根据权利要求1 所述的一种多孔介质辐射板，其特征在于：所述辐射板为传热末端，将冷热能量直接传递给空间内环境和人体。

6.根据权利要求1 所示的一种多孔介质辐射板，其特征在于：所述传热孔道和所述除湿孔道的横截面设置为圆形、椭圆形或多边形，其轴向设置为直线、U 型、蛇形或同心圆状。

7.根据权利要求1 所示的一种多孔介质辐射板，其特征在于：所述传热孔道和所述除湿孔道直接由辐射板的多孔介质模铸或钻铣形成，或在孔道内插入专门管道；所述专门管道的壁面设置为镂空状或多孔状，所述专门管道的材质为金属材料或有机材料。

8.根据权利要求1 所示的一种多孔介质辐射板，其特征在于：所述辐射板设置有翅片，所述翅片顶端封闭形成除湿孔道。

9.根据权利要求1 所示的一种多孔介质辐射板，其特征在于：所述辐射板相互拼接，形成大的辐射板。