泳池用除湿热泵系统温湿度控制策略及除湿效率评价

刘　洋，万言兴

（大连市建筑设计研究院有限公司，辽宁大连116021）

泳池用除湿热泵系统温湿度控制策略及除湿效率评价

刘洋，万言兴

（大连市建筑设计研究院有限公司，辽宁大连116021）

泳池用除湿热泵系统配置有独立的压缩机及冷凝器，具有系统设置灵活、蒸发温度低，自控程度较高等特点。本文结合某泳馆改造实例，对该项目用泳池除湿热泵系统的温湿度控制策略进行分析，并通过实测的温湿度数据，对系统的除湿效率进行了评估。

泳池除湿热泵；热湿负荷计算；温湿度控制策略；除湿效率；焓湿图

0　引言

大连某综合性体育馆于2003年建成并开始投入使用，总建筑面积17128m2，包括一个无观众席、建筑面积为2300m2的标准十道游泳馆。原设计方案为整个体育馆采用集中冷站，泳馆部分采用全空气空调系统。运行数年，泳馆结露现象严重，导致围护结构腐蚀、空调设备失效等问题，影响泳池的使用安全及效果。分析主要原因：一是原设计体育馆冷源，单台主机的冷量远大于泳馆的降温除湿负荷，为了节省运行费用，除非有大型的庆典或体育赛事，冷水机组一般较少开启。二是原设计采用传统水盘管的普通空调箱全空气系统，调查发现其基本运行模式为在冬夏季设计工况下的参数，定新风量系统，难以满足复杂的气候变化条件。三是末端采用普通风口形式、气流组织为上送上回形式，对围护结构的防结露措施不好。四是原有建筑围护结构窗墙比大、热工性能较差。本文针对上述问题提出解决方案，重点对空调冷热源系统形式及温湿度控制策略进行对比分析，并对改造后的泳馆温湿度的效果进行实测评估，对系统的除湿效率进行了计算。

图1　改造前空调冷、热水系统原理图

1　改造方案分析

1.1分析冷热源方案

原设计方案如图1所示，由于集中供冷机房的设备较少开启，在游泳馆需要除湿时，常常需要开一台较大供冷量的制冷机组为游泳馆制冷，但业主为了节能运行，采用间歇启动，时常导致供冷温度太高无法满足除湿要求。若单独另设一台小型制冷机组，制冷机冷量以保证泳池夏季冷负荷及除湿负荷为主，但采用集中冷冻水的空调系统，其冷却塔受室外天气（如高温高湿天气）影响，会导致冷冻水温不稳定，或盘管选型不合适，较常出现的问题是机器的露点温度难以满足各种工况下的空气除湿要求，较难精确控制空调送风的湿度，且夏季和过渡季需依赖其它再热热源，才能保证设计的送风温度。

图2　泳池用除湿热泵系统工作原理

通过对以上技术方案对比，最终确定采用泳池用除湿热泵空调系统，工作原理如图2所示。由于自带独立压缩机及冷凝器，该系统的运行时间可独立控制，给游泳的运营管理带来更大的灵活性。和常规的空调系统相比，该系统保证制冷剂的蒸发温度直供，有效调节空气除湿所需的露点温度，对于除湿要求特别高的场所也可以采用双冷源配置，即配置集中冷冻水系统和氟利昂直膨式系统，可以确保在最不利的设计工况下也能保证除湿效果。同时该系统也结合了热泵的工作原理，配置了三套表冷器，可全年保证高温高湿的室内空气通过蒸发冷却的方式进行除湿降温，同时其冷凝热及压缩机做功的能量可部分回收。回收的热量优先用于空调送风的二次加热，以保证精确的送风温差，剩余热量则可通过池水换热器对泳池的循环热水进行热量补充，最后无法利用的热量则通过室外风冷冷凝器排放。该系统同时配置温湿度传感控制系统，实现不同季节智能调节不同的运行工况。

1.2具体改造措施

1）将泳池空调系统调整为独立压缩机和冷凝器的除湿热泵空调系统；2）提高围护结构热工性能，根据防结露温差，计算围护结构最小热阻，增加隔热层，并通过减少窗墙比、增加防潮隔汽膜的方式进行土建改造；3）优化场馆内的气流组织变为上送下回的方式，并通过可调节角度的喷口将空调送风送至围护结构处，有效提高围护结构的表面温度，减轻结露现象。4）重新设计泳池周边区域的地热及散热器系统；

2　热湿负荷计算

2.1湿负荷计算

泳池参数设定如下：池水温度T=26℃，室内空气干球温度ta=28℃，相对湿度φ=70%，露点温度tl=21. 8℃。泳池的散湿量主要分三部分，即池水散湿量、池边散湿量、人员散湿量。池水散湿量采用ASHRAE推荐的公式（1）[1]，池边的散湿量采用公式（2）[2]，人员散湿量采用公式（3）[2]分别计算。

式中W1—池水散湿量，kg/h；

AP—泳池面积，本工程1250m2；

m—人员活动修正系数，用于公共或学校的游泳池时，m=1；

v—主体空气的风速，本工程取0.2m/s；

Y—水表面温度下（T=26℃）的汽化潜热[3]，2439.6kJ/kg；

ΔP=Pw－Pa，其中Pw为水表面饱和空气层的水蒸气分压力[4]，3.401KPa（26℃）；

Pa—主体空气的水蒸气分压力[4]，2.680kPa；（ta=28℃，φ=70%）；

W2—池边散湿量，kg/h；

ta—室内空调计算干球温度，28℃；

tw—室内空调计算湿球温度，23.6℃；

F—池边面积，本工程890m2；

f—润湿系数（0.2～0.4）[2]，本工程取0.2；

W3—人员散湿量，kg/h；

E—单位人员散湿量，取0.203Kg/h·人；

n—人数；

n1—群集系数，经调查，本泳馆更衣箱为300个，池边人数约为50-60人，则n=300，n1=0.2。

计算结果W1为139.2kg/h，W2为13.4kg/h，W3为12.2kg/h，总散湿量为164.8kg/h。

2.2冷热负荷分析及热湿比

为满足室内的温、湿度设计要求，采用公式（4）[4]计算室内空气处理过程的热湿比。

式中Q—房间冷、热负荷，kJ/h；

W—房间的湿负荷，kg/h；

ε—房间计算热湿比，kJ/kg；

泳馆冬季热负荷主要由围护结构的散热量和池水蒸发进入空气的潜热负荷组成，由于池边散湿以及人体散湿蒸发是将空气的显热转化潜热，故不计入热负荷。在计算中，围护结构的显热负荷主要由地板辐射系统和散热器系统承担，池水蒸发的潜热负荷则由除湿热泵系统承担。分析公式（1）～（3），当室内设计状态点不变时，潜热负荷与室外空气状态点无关，所以冬季室内空气处理过程的热湿比为恒定的数值。对于冬季工况，Qd=342360kJ/h，Wd=164.8kg/h，则εd=2078kJ/kg。

泳馆夏季冷负荷包括两部分，一是围护结构、人员、灯光、设备等冷负荷，在设计工况下[5]的计算值为134.7kW，这部分冷负荷是随天气变化的。二是池水蒸发进入空气的潜热负荷，这部分计算值与冬季一致。对于夏季设计工况下：Qx=827280kJ/h，Wx=164.8kg/h，热湿比εx=5020kJ/kg。

3　温湿度控制策略分析

3.1冬季及过渡季空气处理过程

冬季除湿热泵的处理过程如图3所示。过室内状态点Tn作冬季室内热湿比线（εd），并根据设计风量确定能满足除湿要求的送风状态点TS0。除湿热泵的主要空气处理过程如下：室内回风进入机组后，排风机按设定比例排出部分空气，剩余的回风（Tn）经蒸发器冷却除湿至机器露点状态To（干球温度19.3℃，相对湿度90%），冷凝器将回收的热量以及压缩机做功以再热的方式对低温低湿的空气进行等湿加热过程至Th1，该状态点与设定比例的室外新风Tw1进行混合，混合点Ts1在冬季处理过程的等εd线，且Ts1的状态点的含湿量小于Ts0，可以满足室内除湿的设计要求。

经计算，在规范[5]中冬季设计工况下（室外空调计算温度Tw1=-14.3℃），当新风比为15%时，蒸发器回收的热量正好可以满足送风状态点的再热要求，不需要另外的热源。在相同新风比例下，当冬季室外温度升高时（Tw2），空气蒸发冷却的过程不变，可通过减少再热量，将处理后的空气（Th2）与室外新风（Tw2）混合，保证混合状态点（Ts2）仍在冬季室内热湿比线（εd）。

对于过渡季稍冷季节，因为泳馆也要保持一定的温度，所以空气处理过程与冬季较为相似，但再热量需求较少，冷凝器回收的热量可以转移至池水加热系统。

3.2夏季空气处理过程

图3　冬季除湿热泵系统空气处理过程

图4　夏季除湿热泵系统空气处理过程

夏季除湿热泵的处理过程如图4所示，在规范[5]设计工况下，过室内状态点Tn作夏季室内热湿比线（εx），并根据设计风量确定能满足除湿要求的送风状态点Ts0。除湿热泵的主要空气处理过程如下：室内回风进入机组后，排风机按设定比例排出部分空气，剩余的回风（Tn）经蒸发器冷却除湿至机器露点状态To（干球温度19.3℃，相对湿度90%），经计算，该状态点与设定比例30%的室外新风Tw1进行混合，混合点Ts1在夏季处理过程的等εx线上，且Ts1的状态点的含湿量小于Ts0，可以满足室内除湿的设计要求，同时送风状态点也高于室内的露点温度，可避免出现送风气流“起雾”。在夏季设计工况下，除湿回收的热量以及压缩机做功将优先用于池水换热器进行热量补充。

对于夏季其它工况，由于冷负荷随天气变化，夏季室内热湿比线（εx）并不是一个恒定值，当冷负荷较设计工况减小时，热湿比线数值变小，机器露点保持不变，只需要调节再热量，满足混合后的空气状态点在热湿比线上即可。

4　除湿效率评价及分析

4.1温湿度实测数据曲线

图5、图6所示为泳馆改造前后幕墙照片。泳池改造竣工后，在2014年11月份和2015年6月初对泳池的实际运行效果进行测试，并分别挑选冬夏典型日实测数据绘制如图7～图10所示。

图5　改造前冬季泳馆幕墙照片

图6　改造后冬季泳馆幕墙照片

图7　冬季典型日泳池相对湿度测试数据

4.2数据分析

从图5～图10中可以看出，改造后泳池实测的温湿度控制效果可以满足设计要求。分析图7、图8冬季典型日数据，在早间无人时，泳池的湿度较低，这是因为无人活动时，泳池表面蒸发速度较慢。同时，管理人员打开顶部的通风窗通风。在地面进行地板采暖的同时，利用空气的热压作用将水面附近的高温高湿空气从上部排走，将室外的空气靠负压引入，减少了除湿负荷。

另外，泳馆的温度和相对湿度在11：00～12：00和14：00～17：00二个区间会有较明显的提升，其除湿量也较其它时段增加，分析原因：1）在这二个时间段游泳人数较多，游泳馆的上午人数一般在几十个人左右，而在中午时间段人数会有较大幅度的增加，一般在150人至200人之间，下午时段人数最多，最多可达到250～300人。分析前述湿负荷计算可知，人员散湿量及人数增加导致的池边散湿量对泳馆散湿量的影响大约占总湿负荷的10%。2）泳馆的主要外围幕墙均朝南，在正午及下午时段、太阳辐射强度最大，泳池会吸收较多的辐射得热，分析公式（1）的影响因素，当室内设计参数一定时，池水温度越高，池水表面饱和空气层的水蒸气分压力增加，池水散湿量越大，经测算，在本工程设计工况下，池水温度较设计工况提高1℃，则散湿量增加约29%。

图8　冬季典型日泳池温度测试数据

图9　夏季典型日泳池相对湿度测试数据

图10　夏季典型日泳池温度测试数据

分析图9、图10夏季典型日数据，泳池的设定相对湿度调低为55%，露点温度16.8℃。调查发现，泳池管理人员将夏季泳池水温和室温均分别调低了1℃。分析原因：泳馆在4月底停止集中连续供暖，调整为不定时的间歇供暖；同时气象数据显示，大连地区在5月份至6月份上旬，昼夜温差较大，夜间温度一般为13～17℃之间，在这段时间将泳池的露点温度调低，可有效减轻结露现象。

图11　冬季典型日单位输入功率除湿量曲线

4.3除湿效率计算

关于泳池除湿热泵的除湿效率评价，目前国内尚无相关规范定义。本文借鉴规范[6]GBT 19411-2003《除湿机》中单位输入功率除湿量的概念，其适用范围为以机械制冷方式除湿，以冷凝热为再热方式的除湿机，这与泳池除湿热泵的工作原理是相吻合的。计算公式如下：

对于本工程，其测试条件是在上述冬季典型日，从10：00～16：00共6h，输入功率的测算方法是在每个小时内间隔15min监测一次压缩机的电流，并据此折算出小时内平均电流强度，除湿量是每个小时测试凝结水的重量。冬季典型日运行工况下的单位输入功率除湿量曲线如图11所示。

典型日测算的除湿效率平均值为2.91，该数值高于规范[6]中名义除湿量在40～60 kg/h区间中单位输入功率除湿量1.95 kg/（h·kW）的标准，参考《除湿机节能认证技术规范》[7]申请备案稿中的风冷型除湿机名义除湿量＞10kg/h区间的标准值为2.85（kg/h·kW），也具有较好的节能性。

5　结语

采用带独立压缩机的除湿热泵系统作为泳馆除湿方案，有效保证制冷剂的蒸发温度直供，自控程度高管理方便，实测结果显示控湿效果稳定、除湿效率较高，可以满足设计要求。且热泵系统有效实现了能量转移、节能性能好。

[1]ASHRAE.ASHRAE Application Handbook（SI）[M].Atlanta；ASHTAE Inc，2003.

[2]魏文宇，丁高，张力.游泳馆空调设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]邱信立，廉乐明，李力能.工程热力学[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，1992.

[4]赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，1994.

[5]中国建筑科学研究院.GB50736-2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6]合肥通用机械研究所.GBT 19411-2003.除湿机[S].北京：中国标准出版社，2004.

[7]百度文库.除湿机节能认证技术规范（申请备案稿）[EB/OL].（2013-05）[2015-03-09].http：//wenku.baidu.com/

Temperature&Humidity Control Strategy and Dehumidification Efficiency Evaluation in the Pool Dehumidification Heat Pump System

LIU Yang，WAN Yan-xing

（1.Dalian Institute of Architectural Design and Research，Dalian 116021，China）

Dehumidification heat pump system for swimming pool is equipped with independent compressor and condenser，which has the characteristics of flexible setting，low evaporation temperature and high degree of control.This article combines a natatorium reconstruction example，analyzes the temperature and humidity control strategy of dehumidification heat pump system for swimming pool，also the temperature and humidity data measured，the system efficiency of dehumidification are all evaluated here.

pool dehumidification heat pump；heat and moisture load calculation；temperature&humidity control；dehumidification efficiency；psychrometric chart

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.017

TU83

B

2095-3429（2015）05-0075-06

刘洋（1978-），男，辽宁营口人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：建筑能耗分析。

2015-09-17

2015-10-08