一种新型热湿独立控制系统冬季工况下的实验研究

黄 溢 江 宇 葛天舒 王如竹

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

根据近年来能源领域的研究和实践，建筑耗能已约占社会总能耗的1/3，而建筑能耗的55%用于空气调节系统(制冷，采暖，通风)。随着建筑行业的迅猛发展和人民对居住环境要求的日益提高，这个比重还会继续增加。因此，如何使空气调节系统满足室内舒适度要求的同时达到节能是相关领域的重要研究课题。

目前广泛应用于建筑中的压缩式热泵空调系统主要存在以下不足:

1)系统往往更加侧重室内温度的调节，而室内湿度的调节并不能被很好地控制。夏季工况下，空气的露点温度为15℃左右，考虑到传热温差，需要很低的蒸发温度(5℃左右)才能将空气过冷除湿到设计的湿度，过低的送风温度常导致房间内温度分布不均匀，并不符合人体舒适度的要求。

2)而在冬季，此类空调只能提高房间温度，却无法满足加湿的要求，这也是人在冬天开空调的房间会通常会感觉干燥的原因。

3)室内湿度控制不好会对建筑和室内电器的正常使用造成如墙壁和地板老化过快等不良影响。

4)传统压缩式热泵空调不能提供任何新风，长时间紧闭门窗会使室内空气的二氧化碳浓度增高，不利于人体健康。

总结上述不足可以看出，由于压缩系统对热湿负荷进行集中处理导致系统能耗增加，并且难以满足房间舒适度的要求。为了有效克服这些问题，近年来国内外学者对热湿独立控制的空调系统进行了研究。此类系统通过除湿设备(固体除湿转轮或液体除湿器)单独处理空气中的湿负荷，然后通过蒸发冷却对空气降温，实现了湿负荷和热负荷的分开处理和独立控制。一些研究者对基于溶液除湿的复合式热泵循环进行了研究［1－5］，另有一些研究者对基于干燥剂除湿的复合式热泵循环进行了研究［6－10］。综合研究者们的研究成果，基于液体除湿的复合式除湿热泵循环驱动再生温度在55～75℃之间，太阳能、发电废热等低品位能源可以用来提供循环所需再生热能。但是此类系统存在送风带液问题，影响送风质量且会对蒸发器产生腐蚀，运行和维护成本较高。基于固体除湿的复合式除湿热泵循环免除了液体除湿的带液问题，但需要更高的再生温度，可达140℃，导致系统构造复杂，体积增加，成本居高不下［11］。

近期，日本大金公司研制出了一种新型的湿负荷处理系统DESICA，并将其与高显热的VRV结合，构成一种新型热湿独立控制系统。为了验证新型系统的性能，通过上海冬季工况下的现地实验，对DESICA的COP、显热和潜热负荷的处理能力以及能耗进行了实验研究，并对 DESICA＆VRV复合系统与HRV＆VRV复合系统进行舒适度和能耗的实验比较。

1 系统描述

1.1 湿负荷处理系统DESICA

传统的转轮式除湿系统，是将需要空气直接引入转轮处理潜热负荷，再通过一个蒸发冷却器对空气进行冷却处理显热负荷。由于固体除湿过程中伴随吸附热的产生，系统的湿负荷处理效果很难提高同时对驱动热源也提出了更高的要求。为了有效克服这些问题，新型的湿负荷处理系统DESICA采用将干燥剂和热泵循环相结合的方法。与转轮式除湿系统不同，此类系统将干燥剂涂覆于显热交换器翅片表面构成吸附式热交换器，干燥剂用于吸附空气中的水分，而热泵循环可以对干燥剂进行直接冷却(或者加热)达到高效湿负荷处理的效果。

DESICA系统具体的工作原理如图1和图2所示。系统包括一个压缩机，一个膨胀阀和两个吸附式热交换器和一套风阀系统，通过一个四位换向阀按一定的周期转换制冷剂的流向，两个吸附式热交换器轮流充当蒸发器和冷凝器。当吸附式热交换器充当蒸发器时，表面的干燥剂吸附流经空气的水分，达到除湿的目的。而当吸附式热交换器充当冷凝器时，表面的干燥剂向流经空气放出水分，达到加湿(再生)的目的。DESICA的进风口(Outdoor Air简称OA)，排风口(Exhaust Air简称EA)连接室外，送风口(Supply Air，简称 SA)，回风口(Return Air简称 RA)连接室内。并且在EA和SA处各装有一台风机。

如图1所示，除湿/制冷工况下，工作状态1和2互相切换，当DESICA处于工作状态1时，换热器1充当蒸发器。OA含湿量较大(图中白色小点表示水蒸气)，OA流经蒸发器时，水蒸气被涂在蒸发器表面的干燥剂吸收，OA含湿量降低，在此过程中，流经蒸发器的制冷剂不仅带走吸附所产生的吸附热，还对OA进行降温，如此，高温高湿的OA经过处理，成为低温低湿的SA，然后被送入房间。

与此同时，换热器2充当冷凝器。压缩后的高温制冷剂进入冷凝器，加热干燥剂，吸附于干燥剂上的水分被释放出来。同时RA流经冷凝器，带走热量以及释放出的水分，成为EA被排放到环境中去。除湿材料得到解吸再生。

当换热器1上的除湿材料吸收的水蒸气接近饱和，吸湿能力下降时，四位换向阀改变制冷剂流向，风阀改变空气的流向，DESICA由工作状态1切换为工作状态2，冷凝器和蒸发器互换，即除湿材料得到再生的换热器2充当蒸发器，对OA进行除湿和降温，而除湿材料中吸入一定量水蒸气的换热器1充当冷凝器，向RA释放热量和水分，换热器1上的除湿材料得到解析再生。当换热器2上的除湿材料吸湿饱和时，再次改变制冷剂流向和风向，DESICA切换回工作状态1，如此循环往复，实现不间断地除湿降温功能。

在加湿/制热工况下，如图2所示，DESICA处于工作状态1时，换热器1充当冷凝器，低温低湿的OA流经冷凝器，成为高温高湿的SA被送入房间，换热器2充当蒸发器，高温高湿的RA流经蒸发器，得到降温除湿，成为EA被排到室外。换热器2的除湿材料吸湿饱和时，DESICA切换成工作状态2，换热器1充当蒸发器，当换热器1的除湿材料吸湿饱和时，DESICA再次切换回工作状态1，如此循环往复，实现不间断地加湿升温功能。

图1 DESICA除湿＆制冷原理图(DAIKIN制图)Fig．1 Schematic diagram of DESICA on dehumidification ＆cooling condition(by DAIKIN)

1.2 全热交换器

图2 DESICA加湿＆制热原理图(DAIKIN制图)Fig．2 Schematic diagram of DESICA on humidification ＆heating condition(by DAIKIN)

全热交换器有四个通风口，OA，SA，RA，EA，进风和回风进行热交换。夏季，低温回风对高温送风进行降温;冬季，高温回风对低温回风进行升温。通过热交换，减少了通风过程中的热量损失。

1.3 VRV热泵空调系统

VRV空调系统全称是Varied Refrigerant Volume，简称VRV，是一种通过改变压缩机转速来改变制冷剂流量的空调系统。一台室外机能够向若干个室内机输送制冷剂。本实验采用了两套VRV机组，分别与DESICA和HRV配合运行。每套机组由一台室外机和三台室内机组成。

2 实验方案

2.1 被调空间

选取上海交通大学中意绿色能源楼的一个学生工作室作为被调空间，同时安装了DESICA＆VRV系统和HRV＆VRV系统。该实验房间长11.2 m，宽6.4 m，高3.0 m，房间内常驻人员为15人，光照负荷400 W，电器负荷1500 W。

图3设备安装示意图Fig．3 System installation layout

图4测点安排示意图Fig．4 Measurements layout

2.2 系统选型

本实验所采用的DESICA，HRV，VRV的技术参数如表1～表3所示。

表1 DESICA技术参数Tab．1 Technical specification of DESICA

表2 HRV技术参数Tab．2 Technical specification of HRV

表3 VRV技术参数Tab．3 Technical specification of VRV

2.3 设备安装和测点安排

图3显示了DESICA、HRV以及各VRV室内机在房间内的安装位置以及DESICA和HRV的风路。图4显示了各传感器的位置。

为了研究房间内外的温湿度情况，在室内外安放了型号为TR－72Ui的温湿度记录仪(精度±0.3℃;±5%RH)，如图4所示:

1)在室内机的进风口和出风口分别装有一个温湿度传感器以测量VRV的送分和回风温湿度，共12个。

2)在四周墙上共装有6个温湿度传感器。

3)在办公桌侧方装有9个温湿度传感器。

4)在西墙外侧装有一个温湿度传感器，以测量房间外楼内的温湿度。

5)在户外装有2个温湿度传感器，以测量室外工况。

以室内墙上的6个传感器和桌侧的9个传感器测得的平均值作为房间内温湿度的值。

DESICA和HRV的四个风口分别装有一个型号为Testo 6651温湿度传感器(精度±0.2℃，±．7%RH)，以记录各风口进出风的温湿度。

另外用型号为 ALWTN的电功率计(精度 ±0.5%)用来测量DESICA，HRV和VRV的电功率。

2.4 实验运行时间表

冬季工况实验从2012年12月10日进行到2013年1月30日。每天系统的开机时间为7:30，关机时间为22:00。对工作室学生室内人数比较稳定的9:00－17:00数据进行比较，并且为了确保室外工况的相似性，DESICA和HRV进行隔天运行的轮换运行时间表。根据相关标准［12］，设定室内目标工况为温度22℃，相对湿度50%。

3 实验数据处理方法

DESICA潜热，全热及显热能力的计算由以下公式得出:

DESICA单机的COP，由以下公式计算:

每台室内机的制冷量和VRV系统总的制冷量由下列公式计算:

DESICA＆VRV系统COP由下式计算:

HRV的全热能力由以下公式计算:

HRV＆VRV系统COP由下式计算:

4 实验结果与讨论

4.1 DESICA性能结果

选取2012年12月21日的实验情况作为DESICA运行的典型工况。图5反应了在实验运行的一天里，OA/SA含湿量，室内空气含湿量随时间的变化情况。数据采集间隔为15 min。从图5可以看到，7:30实验开始时，室内空气和SA的含湿量与OA的含湿量接近，为6 g/kg左右。经过大约2 h，室内空气的含湿量上升到8.4 g/kg，并维持在这个水平。另外，VRV调节房间温度，使之稳定在21℃，从而室内的相对湿度为54%，这是舒适的温湿度空间。

图5 DESICA典型工况图Fig．5 Typical running condition of DESICA

图6 DESICA显热/潜热能力和电功率Fig．6 Sensible/latent heat capacity and power consumption of DESICA

图6显示了DESICA的显热和潜热能力以及耗 电功率随时间的变化情况。从图中可以看出，在实验的开始阶段，显热/潜热以及电功率有交大波动，而且波动的趋势相似。在办公时间段9:00－17:00，这三个值都比较稳定，DESICA运行的平均电功率为0.409 kW。显热能力为2.05 kW，潜热能力为1.47 kW，总能力3.52 kW，从而DESICA单机的COP为8.6。

DESICA单机的功率不是一成不变的，根据室外工况的不同，DESICA会自动调节运转比率从而保证室内环境的温度和湿度(当室外空气湿度较高时，DESICA的运转比率降低，功耗也就随之降低。而当室外空气湿度较低时，DESICA的运转比率升高，功耗也就随之升高)。

图7 DESICA单机COP，耗电功率，显/潜热与OA含湿量的关系Fig．7 COP，power consumption，sensible/latent heat capacity related to OA humidity ratio

取每天9:00－17:00室外含湿量，电功率，显/潜热的平均值，将DESICA运行的16天的数据做成图7，从图7可以看出，当室外空气的含湿量小于4.3 g/kg时，DESICA的耗电功率、显热和潜热能力随着含湿量的增加而递减，电功率相对于自身递减的程度比显/潜热的递减程度大，从而DESICA的COP随含湿量的增加而增加。当室外含湿量介于4.3～6 g/kg之间时，电功率维持在0.4～0.5 kW，显热和潜热变化不大，COP维持在8～9．当室外空气含湿量大于6 g/kg时，耗电功率有所下降，显/潜热下降较大，从而COP有所下降，约为7。

4.2 DESICA＆VRV复合系统性能以及与HRV＆VRV复合系统的比较

前文中提到过，DESICA主要控制室内的湿度，只能处理一部分显热，室内温度的升高主要还是靠VRV空调来实现，二者的结合来控制房间内的温湿度。现在比较DESICA＆VRV系统和HRV＆VRV系统对房间舒适度的控制。

图8 DESICA＆VRV系统和HRV＆VRV系统运行的室外工况和室内工况Fig．8 Indoor and outdoor conditions of DESICA＆VRV system and HRV＆VRV system

从图8中可以看出，DESICA＆VRV系统每个运行日，室内工况的平均值都落在舒适区间(冬季:室内温度18～24℃，室内相对湿度30% ～60%［12］)，HRV＆VRV系统运行时候，室内工况只有一半左右在舒适区间内，主要原因是室内湿度满足不了要求，虽然室内含湿量略大于室外含湿量，但这部分增量主要来自于室内人员呼吸所产生的水分。

HRV＆VRV系统对温度的控制的精密度和准确度都没有DESICA＆VRV系统高。HRV所配VRV空调与DESICA所配VRV空调工作原理相同，由此可见室内稳定的含湿量能提高VRV空调对温度控制的精准程度。

下面比较DESICA＆VRV系统和 HRV＆VRV系统的每天的能耗。

图9 DESICA＆VRV系统每日耗电量及室外温度Fig．9 Daily energy consumption and outdoor temperature of DESICA＆VRV system

图10 HRV＆VRV系统每日耗电量及室外温度Fig．10 Daily energy consumption and outdoor temperature of HRV＆VRV system

图9和图10示分别显示了DESICA＆VRV系统和HRV＆VRV系统每天9:00－17:00时间段的总耗电量和室外温度。从图中可以看出，DESICA＆VRV系统和HRV＆VRV系统的总耗电量总体上随着室外温度的升高而下降。HRV＆VRV系统能耗随温度升高而下降的趋势更加明显，因为HRV＆VRV系统主要处理的是显热，室内外温差越小，能耗越小。DESICA＆VRV系统能耗随温度升高而下降的趋势并非很明显，这是由于DESICA＆VRV系统的能耗与还与室外湿度有关。

表4显示了DESICA＆VRV系统和HRV＆VRV系统的能耗以及COP在实验期间的平均值。从表中可以看出，虽然DESICA单机的能耗略高于HRV单机的能耗，但DESICA在处理潜热的同时也能提供部分显热，使得与DESICA配合测试的VRV空调的能耗低于与HRV配合测试的普通VRV的能耗，从而使DESICA＆VRV复合系统比HRV＆VRV复合系统更加节能，冬季工况下节能约9%。DESICA＆VRV复合系统的COP亦明显高于HRV＆VRV复合系统，达4.4。

表4 DESICA＆VRV，HRV＆VRV系统能耗与COPTab．4 Energy consumption and COP of DESICA＆VRV system and HRV＆VRV system

5 结论

一种新型湿负荷处理系统DESICA与VRV空调相结合组成温湿度独立控制系统。对该系统进行现地实验并与传统全热交换器HRV与VRV空调结合的系统做出比较，得出以下结论:

1)在冬季工况下，DESICA单机有很强的加湿能力，尽管其出风的含湿量呈现周期性波动，但对房间的湿度控制很准确，与VRV配合运行，能提供平均温度21.3℃，平均湿度51.5%的室内环境，其舒适性优于HRV＆VRV复合系统。

2)DESICA单机的能耗和COP受室外含湿量的影响较大。

3)DESICA＆VRV复合系统和HRV＆VRV复合系统的能耗总体上随室外温度的增高而降低，DESICA＆VRV复合系统比HRV＆VRV复合系统节能约9%，DESICA＆VRV复合系统的COP达4.4。

符号说明

w ——含湿量，kg/kg

L——汽化潜热，kJ/kg

T——温度，℃

h——比焓，kJ/kg

W——电功率，kW

COP——系统运行效率

下标

l——潜热

t——全热

s——显热

OA——室外空气

SA——室内空气

D ——DESICA系统

H——全热交换器(HRV)

V——VRV空调

o——室内机出风口

i——室内机进风口

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