双冷源新风除湿机与辐射板联合制冷运行特性测试研究

2020-09-15

流体机械 2020年8期

（上海工程技术大学，上海 201620）

0 引言

研究发现建筑领域是能源消耗的重要主体之一，占总能源消耗的30%以上［1］。而在建筑能耗中暖通空调的所占比例最大，达到了50%以上［2-3］，所以暖通空调行业的节能潜力可观。传统空调系统存在一些缺点，首先，会造成热湿联合处理的能量损失。例如使用单一的低温冷源承担室内显热负荷和湿负荷会造成能源品位的浪费［4］。为使送风温度不过低，空气处理过程会有再热过程，导致能源的进一步浪费［5］。其次，使用单一冷源调节很难使室内环境温湿度同时满足要求，当热湿比不匹配时通常会牺牲湿度来优先满足温度要求，最终导致室内湿度无法满足要求［6］。最后，传统空调的除湿方式会造成潮湿面有细菌滋生，对室内人员的健康造成影响［7］。江亿等提出了温湿度独立控制空调系统。由于温湿度独立控制空调系统在空气处理方式以及节约能源等方面的优点，已经越来越受到人们重视并且被广泛的应用［8-9］。国内外学者都对温湿度独立控制空调系统做了相关的研究，张涛等［10］研究了温湿度独立控制系统在某医院的应用，设计了一套温湿度独立控制空调系统及运行策略以满足不同时刻热湿比不断变化的要求，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，精准地控制房间内的温度与湿度。梁彩华等［11］提出了一种新型的热湿分段处理系统，并分析了其原理和工作过程，并通过建立的热湿分段处理节能计算模型以及与常规方法处理空气进行比较，结果发现在出风温度为16℃时，髙温冷水机组的COP能够提高9.14%以上。Ling等［12］对蒸汽压缩式热湿分段处理空调系统进行研究，为了解决承担显热负荷换热器的压降问题，他提出了一种空气分流方式，并建立了换热器模型。模型计算结果显示，用于处理显热负荷的换热器在不改变换热器面积的情况下可以提供和常规空调同等的冷量。Thosapon等［13］研究了太阳能驱动溶液除湿通风空调系统，得出该系统可以降低空气温度大约1.2 ℃，相对湿度降低11%。

梁秋锦等［14］通过研究毛细管辐射板的不同布置方式发现，在向毛细管辐射末端通18℃高温冷水时，毛细管网的顶棚、墙面、地面3种敷设方式的室内温度均能满足≤28 ℃的要求，同时PMV和PPD均能满足《民用建筑室内热湿环境评价标准》（GB/T50785-2012）Ⅰ级热舒适评价指标。何中凯等［15］通过建立毛细管网辐射板的传热模型，并且结合工程实际，研究了其供冷能力影响，同时分析了该影响带来的效果。研究表明，降低供水设计温度能够显著提高毛细管网辐射板的供冷能力，而增加抹灰厚度能够使辐射面温度的均匀性得到改善。秦思宇等采用建立毛细管墙体的稳态换热量分配比例模型与实验相结合的方法研究了毛细管墙体稳态特性，研究发现毛细管墙体积蓄和释放的热量对其整体换热效果没有影响［16-21］。

本次研究的主要内容是对应用于上海某会议室的双冷源新风除湿机与辐射板联合制冷运行特性进行测试研究，研究内容包括对房间内温度湿度分布和变化情况进行分析，及研究结果对该系统的进一步研究及工程应用具有一定的参考价值。

1 项目概况

该项目位于上海市松江区某工业园区内，是一栋多功能办公楼。被测试对象为第一层的会议室，会议室长7.3 m，宽5.8 m，高2.8 m，其面积为52.34 m2，室内人数为8人，人均为新风量为30 m3/（h·P），通过天正暖通软件计算出该房间显热负荷为2 975 W，湿负荷为0.71 kg/h，会议室的夏季室内设计温度为25 ℃，相对湿度为45%～60%左右。

2 系统设计

该会议内的空调系统采用双冷源新风除湿机与辐射板联合制冷的方式，辐射末端为东墙、西墙的毛细管侧墙以及石膏辐射吊顶。辐射侧墙与辐射吊顶的结构分别如图1，2所示。辐射侧墙的施工方式如下，先在毛坯墙面固定一层厚度为25 mm的EPS保温层，保温层外固定厚度为10 mm的石膏板，石膏板外铺设直径为3.5 mm的毛细管网，铺设总面积为18.58 m2，毛细管网外为10 mm厚的抹灰层，施工时将一枚Pt100温度传感器预埋在抹灰层内。辐射石膏吊顶的施工方式如下，先在楼板上固定一层吊顶底板，然后在底板上布置预先做好石膏辐射板，最后在石膏辐射板表面加一层厚度约为1 mm抹灰层，其中石膏辐射板是由厚度为25 mm的保温层、厚度为0.5 mm铝板、直径为10 mm的水管及厚度为10 mm石膏层构成，其中一块石膏板的石膏层内也预埋一枚Pt100温度传感器，石膏辐射板的铺设面积为39.42 m2，侧墙与吊顶内的毛细管材料均为PE-RT。

图1 辐射侧墙结构

图2 辐射吊顶结构

辐射末端所用冷媒为水，系统所需要的冷媒水由安置在室外的一台名义制冷量为9.5 kW的空气源热泵机组提供，系统稳定运行时，空气源热泵主机为辐射吊顶和辐射墙体以及除湿机提供18 ℃的高温冷水。进入新风除湿机的新风先经过高温冷水预冷，然后再由直膨蒸发器进行深度除湿。双冷源新风除湿机的风量为240 m3/h，送风方式采用地板送风，风口布置在南墙侧的下方。系统原理如图3所示，双冷源新风除湿机的工作原理如图4所示。试验主要采集的数据是室内不同位置的空气的温度，墙体内部及表面温度，天花板表面及内部温度，室内相对湿度，除湿机送风口的温度和相对湿度，室外的温度和相对湿度，以及热泵主机供回水温度。采用安捷伦多点温度数据采集器、Pt100温度传感器和温湿度计testo 175H1自动记录数据，Pt100温度传感器精度为±0.1 ℃，温湿度计testo 175H1精度为±0.1 ℃和±2%。数据记录时间设置为1 min记录一次。测点位置的选取如图5所示，选取了房间2个不同位置放置2根高度为2 m的杆，分别在每根杆上的0.5，1.0，1.5，2.0 m处放置一个温度传感器，风口处、室内及室内则用testo 175H1记录数据。

图3 系统原理

图4 双冷源新风除湿机工作原理

图5 会议室测点布置

3 测试结果分析

3.1 室外温度和湿度

室外温度和湿度随时间不断变化，室外温湿度变化曲线如图6所示。

图6 室外温湿度变化

由图6可知，9：11时室外空气温度为32 ℃左右，相对湿度为67%左右，经过3 h后温度达到35 ℃左右并在35 ℃附近波动，相对湿度达到64%左右并在64%附近波动，15：30之后温度开始缓慢降低，相对湿度则缓慢上升。

3.2 新风除湿机组出风参数

除湿机出风参数是判定除湿机性能的重要依据，新风除湿机组出风参数如图7所示。

图7 除湿机出风参数

由图7可知，开机后的30 min内，除湿机送风的相对湿度及温度波动很大，30 min后送风温度和湿度开始下降，大约90 min后温度和相对湿度都达到稳定，温度为22.5 ℃左右，相对湿度为40%左右。此时送风含湿量为6.8 g/kg，说明除湿机除湿性能良好，可以起到很好的除湿效果。

3.3 空气源热泵机组供回水温度

空气源热泵机组供回水温度如图8所示。

图8 风冷热泵机组供回水温度

由图8可知，开机之后热泵主机的供水温度和回水温度迅速下降，大约30 min后供水温度降至18 ℃，回水温度降至20 ℃，之后供回水温度达到稳定。由此可知，空气源热泵主机性能良好。

3.4 辐射板温度

辐射墙体内部及表面的温度变化情况如图9所示。

图9 辐射侧墙表面及内部温度变化

由图9可知，初始时刻辐射墙体内外温度均为29 ℃左右，开机之后温度迅速下降，墙体表面温度随着内部温度的变化而变化且具有一定的时间的滞后，2 h之后内部温度降到21 ℃左右达到稳定，表面温度降到21.5 ℃左右并达到稳定。

辐射吊顶表面及内部温度变化如图10所示。由图10可知，初始时刻辐射吊顶内外温度均为29.5 ℃左右，开机之后温度迅速下降，辐射吊顶的表面温度随着其内部温度变化而变化，2 h之后内部温度降到22 ℃左右保持稳定，表面温度降到24 ℃左右并保持稳定。

图10 辐射吊顶表面及内部温度变化

辐射墙体内外温差仅为0.5 ℃左右，而辐射吊顶内外温度相差2 ℃左右，可以发现毛细管网外直接抹灰和刷涂料比使用石膏板辐射板的施工方案引起得温升小，这是由于石膏的导热系数比混凝土小。进行系统设计时应注意这2种辐射末端的搭配比例是否满足要求。

3.5 辐射板的结露情况

露点温度与辐射吊顶表面温度的变化情况如图11所示。

图11 露点温度与吊顶表面温度对比

由图11可知，初始时刻室内温度及吊顶温度为28.5 ℃左右，露点温度为24 ℃，相对湿度为75%左右，开机之后室内温湿度，露点温度及吊顶表面温度均开始下降，3 h之后吊顶温度及室内温度分别降低至24，25 ℃左右并达到稳定，而露点温度和相对湿度则一直降低，经过7 h相对湿度降低至47.5%左右，露点温度降低至13 ℃左右。温度稳定后吊顶表面温度与室内温度差值始终维持在1 ℃左右，露点温度始终低于吊顶表面温度，初始时其差值为4 ℃左右，开机之后其差值逐渐增大，16：11时吊顶表面温度与室内露点温度差值达到了11 ℃左右。

露点温度与墙体表面温度的变化情况如图12所示。

图12 露点温度与墙体表面温度对比

由图12可知，初始时刻室内温度及墙体温度为29 ℃左右，露点温度为24 ℃，相对湿度为75%左右，开机2 h后墙体温度降低至22 ℃左右并达到稳定，开机3 h后室内温度降至25 ℃左右并达到稳定，露点温度和相对湿度从初始时刻开始一直降低，开机7 h后相对湿度降低至47.5%左右，露点温度降低至13 ℃左右。温度到达稳定时室内温度与墙体表面温度相差3 ℃左右，露点温度与墙体表面温度初始时刻差值最小，为4 ℃左右，开机之后差值一直增大，16：11时其差值为9 ℃左右。

3.6 室内温度

室内温度主要由1号杆和2号杆上的温度传感器记录，1号杆上温度分布及变化情况如图13所示。

图13 1号杆温度变化

由13图可知，初始时刻1号杆的4个测点温度均为29 ℃左右，开机之后温度开始迅速下降，经过 3 h 后 1.0，1.5，2.0 m 3 个测点温度降到 26～26.5 ℃之间，0.5 m测点温度降到25.5 ℃左右，温度达到稳定，1.5 h之后温度又开始缓慢下降，经过2.5 h后 1.0，1.5，2.0 m 3个测点温度降到 26 ℃左右，0.5 m测点温度降到25.5 ℃左右，测点位置的高度越高其温度越高，10：00之前杆上的4个测点温度值相差不大，10：00之后0.5 m测点温度与其他3个测点温度相差0.5 ℃左右，相差2%左右。

2号杆上温度分布及变化情况如图14所示。

图14 2号杆温度变化

由图14可看出，初始时2号杆的4个测点温度均为28.5～29℃之间，开机之后温度开始迅速下降，经过3 h温度达到稳定，1.0 m与2.0 m处测点温度相差不大，其温度值均为25.5 ℃左右，1.5 m测点温度为26 ℃左右，0.5 m测点温度为26.3 ℃左右，1 h之后温度又开始缓慢下降，经过3 h后1.0 m与2.0 m测点温度降至25.2 ℃左右，1.5 m测点温度降为25.5 ℃左右，0.5 m测点温度为25.8 ℃左右，整体上看，测点位置的高度越高其温度越低。