夏热冬冷地区泳池专用空调机组空气处理流程的优化研究

宁波市建筑设计研究院有限公司 黄立波 张海玲

0 引言

随着经济的发展，人们生活品质不断提高，室内泳池项目建设越来越多。泳池空调的最大特点是湿负荷大、新风量大[1-2]。由于泳池的设计温度高于常年室外平均温度，大部分时间需要供热。

本文对目前泳池专用空调常用的除湿优先型和热回收优先型机组的空气处理流程进行分析，在热回收型机组基础上进行优化，优化后的机组在舒适度不变的前提下，可减少初投资，节能效果更好。

1 现有泳池专用热泵空调机组空气处理流程分类

目前工程常用的泳池专用热泵空调机组一般为直接蒸发式组合双风机机组，根据其空气处理流程可分为除湿优先型和热回收优先型机组[3]。

除湿优先型机组空气处理流程为：泳池房间的热湿空气由回风机吸入机组，部分由排风阀排出，部分进入混合室与新风混合，然后进入蒸发器冷却除湿段除湿，再进入冷凝器利用冷凝热再热(热量不够的再辅助加热)，最后送入房间。当冷凝热大于所需再热量时，余热可用于加热池水或由室外机散热。空气处理流程见图1(假定新回风比为1∶5)，空气处理焓湿图见图2。

1.回风机；2.蒸发器；3.冷凝器；4.加热盘管；5.送风机；6.循环水泵；7.池水加热器；V1.排风阀；V2.新风阀。图1 除湿优先型空调机组空气处理流程示意图

热回收优先型机组的空气处理流程为：泳池房间的热湿空气由回风机吸入机组后在蒸发器中冷却除湿，一部分排出，另一部分进入混合室与新风混合，经冷凝器再热后送入房间，当冷凝热大于所需再热量时，余热可用于加热池水或由室外机散掉。空气处理流程见图3，空气处理过程焓湿图见图4。

1.蒸发器；2.回风机；3.冷凝器；4.加热盘管；5.送风机；6.循环水泵；7.池水加热器。图3 热回收优先型空调机组空气处理流程示意图

2 2种机组对应空气处理流程对比分析

2.1 定性分析

2种空气处理过程都是制冷(除湿)再热过程，区别是新风的引入点与排风的排出工况不同。

2.1.1设备的容量选择

1) 设备的除湿(制冷)量。

设备的除湿(制冷)量取决于夏季湿负荷。

除湿优先型机组蒸发器的入口工况为新回风混合点，而热回收优先型机组的入口工况为回风工况。除湿优先型机组蒸发器入口空气温湿度高于热回收优先型机组，而进入冷凝器的空气温度低于热回收优先型机组。夏季的除湿量是一定的，工况是有利的，设备的容量可以相对较小。故除湿优先型的除湿(制冷)设备容量相对较小。

2) 设备的辅助热源容量。

设备的辅助热源容量取决于冬季热负荷。

热回收优先型机组的排风经热回收后排放，而除湿优先型机组是直接排风，故除湿优先型机组需要的辅助热源容量相对较大。

2.1.2节能性

在过渡季及冬季，室外空气温度低于室内，当室外空气含湿量低于室内时，引入室外新风有利于除湿。除湿优先型机组直接将室内热湿空气排至室外，热回收优先型机组排出的是蒸发器后冷却除湿后的空气，即多回收了排风部分的热量。而此时泳池需要加热，所以热回收优先型机组更节能。

在夏季，当室外空气温湿度高于室内时，泳池不需要供热。同样的除湿(制冷)量，除湿优先型机组因为进入蒸发器的空气温湿度比热回收优先型机组的高，而进入冷凝器的空气温度较热回收优先型机组的低，故前者能耗较低。

由以上分析可知：除湿优先型机组夏季节能，冬天费能；热回收优先型机组则相反。

2.2 设备容量的定量分析

2.2.1热泵除湿(制冷)量分析

1) 分析依据和计算方法。

以宁波地区设计参数为例，室内温度29 ℃，相对湿度60%，室内设计水面风速0.2 m/s，室外设计参数见表1[4]。

表1 室外设计参数

根据焓湿图，当采用除湿优先型机组时，需要消除的室内湿负荷可用式(1)计算：

式中 D1为采用除湿优先型机组时室内湿负荷，kg/h；G1为除湿优先型机组的送风量，kg/h；dN为室内空气含湿量，g/kg；dL为蒸发器出口空气含湿量，g/kg；Gh1为除湿优先型机组回风量，kg/h；GW为机组新风量，kg/h。

当采用热回收优先型机组时，需要消除的室内湿负荷可用式(2)计算：

式中 D2为采用热回收优先型机组时室内湿负荷，kg/h；dW为室外空气含湿量，g/kg；Gh2为热回收优先型机组回风量，kg/h。

对于同一个工程，D1=D2。

2) 相同机器露点温度送风时机组总送风量对比。

等露点温度送风时各状态点参数见表2。

表2 等露点温度送风各状态点参数

假定采用除湿优先型机组的新回风比为1∶5时能满足设计要求，即回风量Gh1=5GW，总风量G1=6GW，代入式(1)，得到室内总除湿量D1=0.034 68GW。由式(2)得Gh2=7GW，G2=8GW=1.33G1。也就是说等露点温度送风，热回收优先型机组的送风量是除湿优先型机组的133%，增大33%，当新回风比增加时，这个比例更大。

当蒸发器出口定露点温度时，除湿优先型机组蒸发器入口温湿度较高，冷凝器入口的温度相对较低，而热回收优先型机组风速较大，所以2个机组的COP基本一致。除湿优先型机组可以做到更小的风量，可以节约初投资和运行费用。

3) 送风量相同，计算蒸发器的出口空气含湿量。

若保持机组送风量相同，则需调整热回收优先型机组蒸发器出口空气的露点温度，使机组送风出口空气含湿量与除湿优先型机组相同。仍假定采用除湿优先型机组新回风比为1∶5，计算2种类型机组的除湿量，得到D1=D2。

经计算，调整后的露点含湿量为7.24 g/kg，查焓湿图可得，露点空气温度需降低至送风温度7.2 ℃、相对湿度95%。若想达到此露点温度，就要降低蒸发温度，从而会导致机组COP降低，压缩机容量和设备容量增大。

可见，对于夏季而言，空调以降温降湿为主，采用除湿优先型机组容量小于热回收优先型，初投资和运行费相对较低。

2.2.2冬季辅助热源容量的选择比较

2种机组辅助热源容量的不同点在于，热回收优先型机组排风状态点为除湿后的状态点，除湿优先型机组排风状态点为室内状态点。作为一个整体考虑，辅助热源容量差值为排风的热回收量：

式中ΔQ为除湿优先型机组与热回收优先型机组辅助热源差值，kW；GP为机组排风流量，kg/h；hN为室内空气的比焓，kJ/kg；hL为除湿后的空气比焓，kJ/kg；COP1为机组蒸发器制冷量与耗电量之比。

就辅助热源容量而言，热回收优先型机组需要的容量小于除湿优先型机组。

2.3 节能比较

1) 夏季节能比较。

根据上述分析可知，与热回收优先型机组相比，除湿优先型机组可以做到更小的装机容量、更高的能效比，可以节约初投资，也更节能。

2) 冬季节能比较。

冬季节能对比分析结果见表3。由表3可以看出，热回收优先型机组的工况条件优于除湿优先型机组，所以热回收优先型机组更节能。

表3 机组工况对比

3 优化后的热回收优先型空气处理流程

结合以上分析，笔者在热回收优先型机组空气处理流程的基础上作了优化，优化后机组的空气处理流程见图5。

1.蒸发器；2.回风机；3.冷凝器；4.加热盘管；5.送风机；6.排风机；V3、V4.阀门。图5 优化后空调机组空气处理流程示意图

室外空气含湿量大于室内时，打开阀门V1、V4和排风机，关闭阀门V2、V3，此时空气处理流程同除湿优先型。

当冬季、过渡季室外空气含湿量小于室内时，打开阀门V2、V3，关闭V1、V4和排风机，此时空气处理过程同热回收优先型。

机组除湿(制冷)容量及工况可以按照除湿优先型的夏季计算方法选型。

泳池专用空调机组辅助加热量的容量计算方法按照热回收优先型空气处理流程冬季计算方法选型。优化后的机组制冷(除湿)容量与辅助加热设备容量均较小，既可以避免夏季热回收优先型机组制冷后的回风需与新风混合，也避免了除湿优先型机组冬季排风不经过热回收就排放的浪费。过渡季及冬季尽最大限度回收排风热量，可以减少装机容量，节约初投资和运行成本。

计算优化后可能的最大热回收量及热回收效率。已知空气进出口参数(见表2)，空气密度取1.13 kg/m3，COP1一般为3.2，新风量取8.64 m3/(m2·h)[5]。根据式(3)计算得到优化后泳池单位面积排风热回收量为0.107 kW/m2。

定义排风热回收率为排风热回收量与其对应耗电量之比，当COP1为3.2时，该值为4.2。

当然，排风热回收量还与新回风比及蒸发器的蒸发温度有关。如何实现高效热回收有待进一步研究。目前可以借鉴泳池热泵专用空调机组热回收优先型的控制逻辑及方案。

4 结语

室内游泳池空调负荷大，需要兼顾热、湿、风量的平衡，因此室内游泳池空调设计至关重要。本文对目前常用的2种泳池专用空调机组的空气处理流程进行了总结分类，分析了2种空气处理流程的优缺点及适用条件。提出了一种根据季节改变新排风流向的空气处理流程，优化后的空气处理流程，可以满足不同季节对制冷、制热、除湿、空气处理、热回收等功能需求，在保证舒适性的前提下，可减少初投资、降低运行成本，充分回收冷凝热。如何统一规划池水水温控制与空调用能，进一步实现最佳节能方式有待探索。希望本文能起到抛砖引玉的作用。