串—并联干式风机盘管加独立新风空调系统性能的研究
2017-03-19段鼎立吴爱侠
陈 华，段鼎立，吴爱侠
1 前言
人体对温度、湿度十分敏感，因此控制室内空气温湿度是空调系统的重要任务。相对湿度对室内的热舒适性有重要影响，相对湿度较低的环境可以使人感到空气新鲜，提高人体舒适感；室内相对湿度增大，呼吸道疾病和非特异性症状（如疲劳，头痛）的风险会大幅增加［1，2］。
国内对于干式风机盘管的研究颇多，张秀平等对不同型号的干式风机盘管和标准风机盘管机组进行了大量试验测试，得到不同工况条件下的技术参数［3，4］。通过焓差法对某一风机盘管干工况运行进行实验研究，广州大学的裴清清等测得风机盘管干工况的最佳供水温度为17 ℃［5］。2013年，JB/T 11524-2013《干式风机盘管机组》也已经颁布实施。同时，国内研究者对干式盘管加独立新风系统进行了许多理论性探讨［6，7］。陈华等对串联干式风机盘管加独立新风系统冷冻水流量进行试验研究［8］，为了探究干式风机盘管加独立新风空调系统在高温高湿地区的适应性，吴爱侠等进行了试验分析，得到DCDV系统全年运行可极大降低结露时间的结论［9］。目前串并联干式风机盘管加独立新风系统均有应用，串联系统冷水机组供回水温差增大，水流量减少，多采用大温差冷水机组。
因此，采用干式风机盘管加独立新风空调系统将热湿负荷解耦，利用风机盘管承担部分显热负荷、新风承担全部湿负荷和部分显热负荷，使风机盘管处于干工况运行，最终实现温湿度独立控制。本文对串、并联干式风机盘管加独立新风空调系统进行试验研究。串联系统：新风机组和风机盘管冷源相同，水系统串联连接；并联系统：新风机组和风机盘管冷源独立，水系统并联连接。建立串、并联干式风机盘管加独立新风空调系统试验台，分析不同室外工况及室内负荷显热比对串联和并联空调系统的运行性能、室内空气状态的影响和变化规律。
2 试验系统及装置
干式风机盘管加独立新风空调系统试验装置如图1所示。
图1 干式风机盘管加独立新风空调系统试验装置
干式风机盘管加独立新风空调系统试验台设备包括：新风机组、风机盘管机组、恒温水箱、水箱、水泵。新风系统包括：新风管道、新风机组等。干式风机盘管将室内回风与经新风机组处理后的室外新风在混合室内混合，再送入室内。该试验台通过调节空调系统水管管道上的阀门改变水系统的运行方式，实现水系统串并联连接形式。串联系统时，关闭阀门 1，5，6，7，其余阀门开启，冷冻水由恒温水浴为新风机组和风机盘管提供，即冷冻水先后进入新风机组和风机盘管，利用新风机组温度较低的回水为风机盘管提供冷量；运行并联系统时，关闭阀门2，3，4，其余阀门开启；由恒温水浴为新风机组提供冷冻水，水箱为风机盘管机组提供高温冷冻水。在新风机组入口、出口及干式风机盘管出口分别布置风速仪和温-湿度传感器，用于测量新风与风机盘管进出口空气温-湿度及风量。在冷冻水供回水干管及空调机组末端进出口水管分别布置T型热电偶，用于测量水温。在风机盘管供水管、恒温水浴出水管分别安装涡轮流量变送器，用于测量水流量。试验系统中的测量仪器性能参数见表1。
表1 试验台测量仪器及精度
试验测试不同室外工况及负荷显热比条件下串联和并联两种空调系统的性能和室内空气状态，并对试验结果进行数据分析。
3 试验结果分析
3.1 串联空调系统
焓差室室内环境间设有电加热器和蒸汽加湿装置，可调节加热量和加湿量来调整房间热湿负荷，本试验中设定系统全热冷负荷为2.1 kW；室内温度设定24.5 ℃、相对湿度设定55%；冷冻水出水温度控制为7 ℃，回风量500 m3/h。测试不同室外工况及负荷显热比对空调系统的运行性能以及室内状态的影响。
3.1.1 室外工况对空调系统性能及室内状态的影响
室内负荷率为1，显热比（SHR）为0.85，水量为320 kg/h，新回风比为0.2（新风风量为100 m3/h、回风风量为500 m3/h），测试不同室外工况下空调系统性能及室内空气温湿度、水温的变化情况。
图2为室外相对湿度分别为50%和65%时在不同干球温度条件下新风机组和风机盘管制冷性能比较。由图可知，随干球温度的升高，新风机组的显热和潜热制冷量明显增加，但风机盘管制冷能力降低，新风机组承担室内显热与潜热负荷减少，系统提供室内冷量显热比增大。
图2 新风机组和风盘制冷性能
相对湿度增加，新风机组的显热制冷量增幅较小，增幅约为1.3%；潜热制冷量增幅显著，增幅达到53.9%以上；系统承担室内冷量的显热比率增加；而新风及系统承担室内热湿负荷都降低。
图3为室外相对湿度为50%和65%时不同干球温度条件下室内温湿度变化情况。从图中可以看出，当室外相对湿度为50%时，该空调系统室内温度从24.5 ℃变化至25.3 ℃，温度波动小，仅为0.8 ℃；当室外相对湿度为65%时，该空调系统室内温度波动也不大。由分析可知：采用串联空调系统，随着室外温湿度增加，均会造成室内温度略微增加。而室内相对湿度的变化规律却与之不同，随着室外温度增加，室内相对湿度先增加后降低，变化范围在1.6%之内。
图3 2种室外相对湿度、不同室外温度条件时室内温湿度变化
图4 为新风机组和风机盘管供回水温度随室外温度的变化状态。
图4 2种室外相对湿度、不同室外温度条件时供回水温度变化
从图可见，室外温度的升高及室外相对湿度的增加，均可引起新风机组供水温度、风机盘管供回水温度的升高。室外温度25，29 ℃，风机盘管进水温度为9.56～10.50 ℃，供水温度低，致使风机盘管有凝水产生。室外温度33 ℃，室温高于设定值1.30 ℃。分析可知：因为新风负荷增大，新风承担室内负荷减小，且风机盘管进水温度提高，其提供冷量也相应减少，所以系统提供冷量减少，故室温偏高于设定值。
3.1.2 负荷显热比对空调系统性能的影响
室内负荷率为1；SHR为0.75，水量为320 kg/h，新风回风比为0.2，相对湿度为65%，室外温度为25～33℃，测试串联空调系统的制冷性能的变化情况，结果如图5所示。
图5 不同室外工况下室内负荷显热比为0.75时空调机组制冷性能
结合图2（b）可知，当室内负荷显热比降低至0.75，风机盘管的制冷量增加，增幅为1.5%；室内湿负荷的增加，使该工况下风机盘管均承担部分湿负荷；当室外温度由25 ℃增加到33 ℃，风机盘管承担的湿负荷减少7.3%～24.0%。系统提供室内显冷量及显热比随室外温度变化见表2。
表2 系统提供室内显冷量及显热比随室外温度变化
可见，系统提供冷量的显热比均明显高于室内显热比0.75的要求。
3.2 并联空调系统
室内负荷率小于0.5的条件下，采用较高温冷冻水为风机盘管提供冷量的并联空调系统，实验测试不同室外工况及不同负荷显热比对并联空调系统运行性能和室内参数状态影响。
3.2.1 室外工况对空调系统性能的影响
室内负荷率为0.5（1.1 kW），SHR为0.8，回风风量为400 m3/h，风机盘管供水温度为16.6～17.6 ℃，室外温度为22～30 ℃，对并联空调系统运行性能进行试验分析，结果如图6所示。
图6 室外不同温度下的空调系统制冷性能
由图6可知，室外湿度85%，室外温度升高1 ℃，新风机组承担室内显热负荷增加1.2%、新风机组承担室内潜热负荷增加0.7%；室外湿度45%，室外温度升高2℃，新风机组承担的室内显热负荷增加0.3%、新风机组承担室内潜热负荷增加2.6%。分析得到，室外工况变化时，新风机组承担的室内热湿负荷变化较小，而风机盘管的冷量由独立水箱内高温冷冻水提供，因此其制冷量变化亦较小。
3.2.2 负荷显热比对空调系统性能及室内状态的影响
室内负荷率分别为0.4（风机盘管风量为320 m3/h）、0.5（风机盘管风量为400 m3/h），SHR为0.75～0.85，室外温度25 ℃、室外相对湿度65%试验测试空调系统的运行性能及室内温湿度状态，结果如图7～8所示。
图7（a）为室内负荷率0.4时空调系统制冷性能。由图可知，随室内显热负荷的增加，系统承担室内热湿负荷变化较小。室内负荷显热比由0.75增大至0.85，系统承担室内冷量的显热比约为0.75，且仅在室内负荷显热比为0.75时符合要求。图7（b）给出了在室内负荷率为0.5时空调系统制冷性能。显热比由0.75增大至0.85，系统承担室内湿负荷变化0.6%～1.3%，承担的室内总负荷变化1.0%～2.4%，风机盘管的制冷量变化2.3%～4.7%，相比于较负荷率为0.4时，变化幅度都有所减小；系统提供室内冷量的显热比为0.78～0.79，与室内负荷显热比要求偏离。在显热比一定时，相比负荷率为0.4，当负荷率为0.5时，空调系统实际承担的室内湿负荷增加0.9%～3.2%，系统承担的总负荷约增加17.5%；而承担的室内显热比稍有增加，小于4%。
图7 室内不同负荷率的空调系统制冷性能
由图8可以看出，当显热比增加，稳定后的室内温度升高，室内湿度却随之降低，且波动范围都较大。负荷率为0.4时，显热比由0.75增大至0.85，室内温度变化范围为1.7℃；相对湿度变化超过9.5%。负荷率为0.5时，显热比由0.75增大至0.85，室内温度为变化范围为1.8℃；相对湿度变化超过10.5%。分析可见，室内显热比的变化对室内温湿度的影响较大。但负荷率的改变会引起风机盘管风量的改变，故负荷率对室内温湿度的影响较小，分别相差0.2～0.4 ℃、1%～2%。而且，显热比对室内温湿度的影响随着负荷率的增加而增大。
图8 室内温湿度随显热比的变化
4 结论
（1）对串联系统而言，当SHR=0.85时，干球温度升高，系统提供室内冷量的显热比增大，但室内温湿度波动很小；相对湿度增加，新风机组潜热制冷量明显增加，达53.9%以上。当SHR=0.75时，风机盘管承担了相应湿负荷，造成室内相对湿度高于60%，致使风机盘管湿工况运行。
（2）对并联系统而言，干球温度及相对湿度对室内热湿负荷影响微弱，但室内显热比对室内温湿度的影响明显，SHR由0.75增加到0.85，室内温度波动超过1.7 ℃，相对湿度变化超过9.5%；但是，负荷率对室内温湿度的影响不大，分别相差约0.2～0.4 ℃、1%～2%，且显热比对室内温湿度的影响随着负荷率的增加而增大。
［1］ Krirkpatrick A T，Elleson J S，著 .汪训昌，译 .低温送风系统设计指南［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002．
［2］ Fanger PO.Human requirements in future airconditioned environments［J］.International Journal of Refrigeration，2001，24（2）：148-153．
［3］ 张秀平，潘云刚，田旭东，等.标准风机盘管用于温湿度独立控制系统的适应性研究［J］．流体机械，2009，37（1）：72-76．
［4］ 张秀平，徐北琼，田旭东，等.《干式风机盘管机组》标准中名义工况温度条件和产品基本规格的研究［J］.流体机械，2011，39（8）：59-63．
［5］ 裴清清，周智明，陈煜健，等.干工况风机盘管机组性能实验研究［J］.暖通空调，2009，39（7）：1-4．
［6］ 胡韩莹，巨小平，林州强，等.外盘管空气源热泵热水器不同工况下的试验研究综述［J］.流体机械，2012，40（12）：58-61．
［7］ 刘泽勤，苏云，郭宪民.风机盘管来流场均匀化数值模拟［J］.流体机械，2013，41（4）：54-57．
［8］ 陈华，夏佐强，吴爱侠.干盘管系统冷冻水流量调节试验研究［J］. 流体机械，2014，42（3）：1-5.
［9］ 吴爱侠，陈华，张瑜，等. 独立新风加干式风机盘管空调系统用于高温高湿地区的适应性分析［J］. 建筑科学，2012（10）：73-77.
