一種新型熱濕獨立控制系統(tǒng)冬季工況下的實驗研究

黃 溢 江 宇 葛天舒 王如竹

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

根據(jù)近年來能源領(lǐng)域的研究和實踐，建筑耗能已約占社會總能耗的1/3，而建筑能耗的55%用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(制冷，采暖，通風(fēng))。隨著建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展和人民對居住環(huán)境要求的日益提高，這個比重還會繼續(xù)增加。因此，如何使空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足室內(nèi)舒適度要求的同時達(dá)到節(jié)能是相關(guān)領(lǐng)域的重要研究課題。

目前廣泛應(yīng)用于建筑中的壓縮式熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要存在以下不足:

1)系統(tǒng)往往更加側(cè)重室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，而室內(nèi)濕度的調(diào)節(jié)并不能被很好地控制。夏季工況下，空氣的露點溫度為15℃左右，考慮到傳熱溫差，需要很低的蒸發(fā)溫度(5℃左右)才能將空氣過冷除濕到設(shè)計的濕度，過低的送風(fēng)溫度常導(dǎo)致房間內(nèi)溫度分布不均勻，并不符合人體舒適度的要求。

2)而在冬季，此類空調(diào)只能提高房間溫度，卻無法滿足加濕的要求，這也是人在冬天開空調(diào)的房間會通常會感覺干燥的原因。

3)室內(nèi)濕度控制不好會對建筑和室內(nèi)電器的正常使用造成如墻壁和地板老化過快等不良影響。

4)傳統(tǒng)壓縮式熱泵空調(diào)不能提供任何新風(fēng)，長時間緊閉門窗會使室內(nèi)空氣的二氧化碳濃度增高，不利于人體健康。

總結(jié)上述不足可以看出，由于壓縮系統(tǒng)對熱濕負(fù)荷進行集中處理導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加，并且難以滿足房間舒適度的要求。為了有效克服這些問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者對熱濕獨立控制的空調(diào)系統(tǒng)進行了研究。此類系統(tǒng)通過除濕設(shè)備(固體除濕轉(zhuǎn)輪或液體除濕器)單獨處理空氣中的濕負(fù)荷，然后通過蒸發(fā)冷卻對空氣降溫，實現(xiàn)了濕負(fù)荷和熱負(fù)荷的分開處理和獨立控制。一些研究者對基于溶液除濕的復(fù)合式熱泵循環(huán)進行了研究［1－5］，另有一些研究者對基于干燥劑除濕的復(fù)合式熱泵循環(huán)進行了研究［6－10］。綜合研究者們的研究成果，基于液體除濕的復(fù)合式除濕熱泵循環(huán)驅(qū)動再生溫度在55～75℃之間，太陽能、發(fā)電廢熱等低品位能源可以用來提供循環(huán)所需再生熱能。但是此類系統(tǒng)存在送風(fēng)帶液問題，影響送風(fēng)質(zhì)量且會對蒸發(fā)器產(chǎn)生腐蝕，運行和維護成本較高。基于固體除濕的復(fù)合式除濕熱泵循環(huán)免除了液體除濕的帶液問題，但需要更高的再生溫度，可達(dá)140℃，導(dǎo)致系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，體積增加，成本居高不下［11］。

近期，日本大金公司研制出了一種新型的濕負(fù)荷處理系統(tǒng)DESICA，并將其與高顯熱的VRV結(jié)合，構(gòu)成一種新型熱濕獨立控制系統(tǒng)。為了驗證新型系統(tǒng)的性能，通過上海冬季工況下的現(xiàn)地實驗，對DESICA的COP、顯熱和潛熱負(fù)荷的處理能力以及能耗進行了實驗研究，并對 DESICA＆VRV復(fù)合系統(tǒng)與HRV＆VRV復(fù)合系統(tǒng)進行舒適度和能耗的實驗比較。

1 系統(tǒng)描述

1.1 濕負(fù)荷處理系統(tǒng)DESICA

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪式除濕系統(tǒng)，是將需要空氣直接引入轉(zhuǎn)輪處理潛熱負(fù)荷，再通過一個蒸發(fā)冷卻器對空氣進行冷卻處理顯熱負(fù)荷。由于固體除濕過程中伴隨吸附熱的產(chǎn)生，系統(tǒng)的濕負(fù)荷處理效果很難提高同時對驅(qū)動熱源也提出了更高的要求。為了有效克服這些問題，新型的濕負(fù)荷處理系統(tǒng)DESICA采用將干燥劑和熱泵循環(huán)相結(jié)合的方法。與轉(zhuǎn)輪式除濕系統(tǒng)不同，此類系統(tǒng)將干燥劑涂覆于顯熱交換器翅片表面構(gòu)成吸附式熱交換器，干燥劑用于吸附空氣中的水分，而熱泵循環(huán)可以對干燥劑進行直接冷卻(或者加熱)達(dá)到高效濕負(fù)荷處理的效果。

DESICA系統(tǒng)具體的工作原理如圖1和圖2所示。系統(tǒng)包括一個壓縮機，一個膨脹閥和兩個吸附式熱交換器和一套風(fēng)閥系統(tǒng)，通過一個四位換向閥按一定的周期轉(zhuǎn)換制冷劑的流向，兩個吸附式熱交換器輪流充當(dāng)蒸發(fā)器和冷凝器。當(dāng)吸附式熱交換器充當(dāng)蒸發(fā)器時，表面的干燥劑吸附流經(jīng)空氣的水分，達(dá)到除濕的目的。而當(dāng)吸附式熱交換器充當(dāng)冷凝器時，表面的干燥劑向流經(jīng)空氣放出水分，達(dá)到加濕(再生)的目的。DESICA的進風(fēng)口(Outdoor Air簡稱OA)，排風(fēng)口(Exhaust Air簡稱EA)連接室外，送風(fēng)口(Supply Air，簡稱 SA)，回風(fēng)口(Return Air簡稱 RA)連接室內(nèi)。并且在EA和SA處各裝有一臺風(fēng)機。

如圖1所示，除濕/制冷工況下，工作狀態(tài)1和2互相切換，當(dāng)DESICA處于工作狀態(tài)1時，換熱器1充當(dāng)蒸發(fā)器。OA含濕量較大(圖中白色小點表示水蒸氣)，OA流經(jīng)蒸發(fā)器時，水蒸氣被涂在蒸發(fā)器表面的干燥劑吸收，OA含濕量降低，在此過程中，流經(jīng)蒸發(fā)器的制冷劑不僅帶走吸附所產(chǎn)生的吸附熱，還對OA進行降溫，如此，高溫高濕的OA經(jīng)過處理，成為低溫低濕的SA，然后被送入房間。

與此同時，換熱器2充當(dāng)冷凝器。壓縮后的高溫制冷劑進入冷凝器，加熱干燥劑，吸附于干燥劑上的水分被釋放出來。同時RA流經(jīng)冷凝器，帶走熱量以及釋放出的水分，成為EA被排放到環(huán)境中去。除濕材料得到解吸再生。

當(dāng)換熱器1上的除濕材料吸收的水蒸氣接近飽和，吸濕能力下降時，四位換向閥改變制冷劑流向，風(fēng)閥改變空氣的流向，DESICA由工作狀態(tài)1切換為工作狀態(tài)2，冷凝器和蒸發(fā)器互換，即除濕材料得到再生的換熱器2充當(dāng)蒸發(fā)器，對OA進行除濕和降溫，而除濕材料中吸入一定量水蒸氣的換熱器1充當(dāng)冷凝器，向RA釋放熱量和水分，換熱器1上的除濕材料得到解析再生。當(dāng)換熱器2上的除濕材料吸濕飽和時，再次改變制冷劑流向和風(fēng)向，DESICA切換回工作狀態(tài)1，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)不間斷地除濕降溫功能。

在加濕/制熱工況下，如圖2所示，DESICA處于工作狀態(tài)1時，換熱器1充當(dāng)冷凝器，低溫低濕的OA流經(jīng)冷凝器，成為高溫高濕的SA被送入房間，換熱器2充當(dāng)蒸發(fā)器，高溫高濕的RA流經(jīng)蒸發(fā)器，得到降溫除濕，成為EA被排到室外。換熱器2的除濕材料吸濕飽和時，DESICA切換成工作狀態(tài)2，換熱器1充當(dāng)蒸發(fā)器，當(dāng)換熱器1的除濕材料吸濕飽和時，DESICA再次切換回工作狀態(tài)1，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)不間斷地加濕升溫功能。

圖1 DESICA除濕＆制冷原理圖(DAIKIN制圖)Fig．1 Schematic diagram of DESICA on dehumidification ＆cooling condition(by DAIKIN)

1.2 全熱交換器

圖2 DESICA加濕＆制熱原理圖(DAIKIN制圖)Fig．2 Schematic diagram of DESICA on humidification ＆heating condition(by DAIKIN)

全熱交換器有四個通風(fēng)口，OA，SA，RA，EA，進風(fēng)和回風(fēng)進行熱交換。夏季，低溫回風(fēng)對高溫送風(fēng)進行降溫;冬季，高溫回風(fēng)對低溫回風(fēng)進行升溫。通過熱交換，減少了通風(fēng)過程中的熱量損失。

1.3 VRV熱泵空調(diào)系統(tǒng)

VRV空調(diào)系統(tǒng)全稱是Varied Refrigerant Volume，簡稱VRV，是一種通過改變壓縮機轉(zhuǎn)速來改變制冷劑流量的空調(diào)系統(tǒng)。一臺室外機能夠向若干個室內(nèi)機輸送制冷劑。本實驗采用了兩套VRV機組，分別與DESICA和HRV配合運行。每套機組由一臺室外機和三臺室內(nèi)機組成。

2 實驗方案

2.1 被調(diào)空間

選取上海交通大學(xué)中意綠色能源樓的一個學(xué)生工作室作為被調(diào)空間，同時安裝了DESICA＆VRV系統(tǒng)和HRV＆VRV系統(tǒng)。該實驗房間長11.2 m，寬6.4 m，高3.0 m，房間內(nèi)常駐人員為15人，光照負(fù)荷400 W，電器負(fù)荷1500 W。

圖3設(shè)備安裝示意圖Fig．3 System installation layout

圖4測點安排示意圖Fig．4 Measurements layout

2.2 系統(tǒng)選型

本實驗所采用的DESICA，HRV，VRV的技術(shù)參數(shù)如表1～表3所示。

表1 DESICA技術(shù)參數(shù)Tab．1 Technical specification of DESICA

表2 HRV技術(shù)參數(shù)Tab．2 Technical specification of HRV

表3 VRV技術(shù)參數(shù)Tab．3 Technical specification of VRV

2.3 設(shè)備安裝和測點安排

圖3顯示了DESICA、HRV以及各VRV室內(nèi)機在房間內(nèi)的安裝位置以及DESICA和HRV的風(fēng)路。圖4顯示了各傳感器的位置。

為了研究房間內(nèi)外的溫濕度情況，在室內(nèi)外安放了型號為TR－72Ui的溫濕度記錄儀(精度±0.3℃;±5%RH)，如圖4所示:

1)在室內(nèi)機的進風(fēng)口和出風(fēng)口分別裝有一個溫濕度傳感器以測量VRV的送分和回風(fēng)溫濕度，共12個。

2)在四周墻上共裝有6個溫濕度傳感器。

3)在辦公桌側(cè)方裝有9個溫濕度傳感器。

4)在西墻外側(cè)裝有一個溫濕度傳感器，以測量房間外樓內(nèi)的溫濕度。

5)在戶外裝有2個溫濕度傳感器，以測量室外工況。

以室內(nèi)墻上的6個傳感器和桌側(cè)的9個傳感器測得的平均值作為房間內(nèi)溫濕度的值。

DESICA和HRV的四個風(fēng)口分別裝有一個型號為Testo 6651溫濕度傳感器(精度±0.2℃，±．7%RH)，以記錄各風(fēng)口進出風(fēng)的溫濕度。

另外用型號為 ALWTN的電功率計(精度 ±0.5%)用來測量DESICA，HRV和VRV的電功率。

2.4 實驗運行時間表

冬季工況實驗從2012年12月10日進行到2013年1月30日。每天系統(tǒng)的開機時間為7:30，關(guān)機時間為22:00。對工作室學(xué)生室內(nèi)人數(shù)比較穩(wěn)定的9:00－17:00數(shù)據(jù)進行比較，并且為了確保室外工況的相似性，DESICA和HRV進行隔天運行的輪換運行時間表。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［12］，設(shè)定室內(nèi)目標(biāo)工況為溫度22℃，相對濕度50%。

3 實驗數(shù)據(jù)處理方法

DESICA潛熱，全熱及顯熱能力的計算由以下公式得出:

DESICA單機的COP，由以下公式計算:

每臺室內(nèi)機的制冷量和VRV系統(tǒng)總的制冷量由下列公式計算:

DESICA＆VRV系統(tǒng)COP由下式計算:

HRV的全熱能力由以下公式計算:

HRV＆VRV系統(tǒng)COP由下式計算:

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 DESICA性能結(jié)果

選取2012年12月21日的實驗情況作為DESICA運行的典型工況。圖5反應(yīng)了在實驗運行的一天里，OA/SA含濕量，室內(nèi)空氣含濕量隨時間的變化情況。數(shù)據(jù)采集間隔為15 min。從圖5可以看到，7:30實驗開始時，室內(nèi)空氣和SA的含濕量與OA的含濕量接近，為6 g/kg左右。經(jīng)過大約2 h，室內(nèi)空氣的含濕量上升到8.4 g/kg，并維持在這個水平。另外，VRV調(diào)節(jié)房間溫度，使之穩(wěn)定在21℃，從而室內(nèi)的相對濕度為54%，這是舒適的溫濕度空間。

圖5 DESICA典型工況圖Fig．5 Typical running condition of DESICA

圖6 DESICA顯熱/潛熱能力和電功率Fig．6 Sensible/latent heat capacity and power consumption of DESICA

圖6顯示了DESICA的顯熱和潛熱能力以及耗 電功率隨時間的變化情況。從圖中可以看出，在實驗的開始階段，顯熱/潛熱以及電功率有交大波動，而且波動的趨勢相似。在辦公時間段9:00－17:00，這三個值都比較穩(wěn)定，DESICA運行的平均電功率為0.409 kW。顯熱能力為2.05 kW，潛熱能力為1.47 kW，總能力3.52 kW，從而DESICA單機的COP為8.6。

DESICA單機的功率不是一成不變的，根據(jù)室外工況的不同，DESICA會自動調(diào)節(jié)運轉(zhuǎn)比率從而保證室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度(當(dāng)室外空氣濕度較高時，DESICA的運轉(zhuǎn)比率降低，功耗也就隨之降低。而當(dāng)室外空氣濕度較低時，DESICA的運轉(zhuǎn)比率升高，功耗也就隨之升高)。

圖7 DESICA單機COP，耗電功率，顯/潛熱與OA含濕量的關(guān)系Fig．7 COP，power consumption，sensible/latent heat capacity related to OA humidity ratio

取每天9:00－17:00室外含濕量，電功率，顯/潛熱的平均值，將DESICA運行的16天的數(shù)據(jù)做成圖7，從圖7可以看出，當(dāng)室外空氣的含濕量小于4.3 g/kg時，DESICA的耗電功率、顯熱和潛熱能力隨著含濕量的增加而遞減，電功率相對于自身遞減的程度比顯/潛熱的遞減程度大，從而DESICA的COP隨含濕量的增加而增加。當(dāng)室外含濕量介于4.3～6 g/kg之間時，電功率維持在0.4～0.5 kW，顯熱和潛熱變化不大，COP維持在8～9．當(dāng)室外空氣含濕量大于6 g/kg時，耗電功率有所下降，顯/潛熱下降較大，從而COP有所下降，約為7。

4.2 DESICA＆VRV復(fù)合系統(tǒng)性能以及與HRV＆VRV復(fù)合系統(tǒng)的比較

前文中提到過，DESICA主要控制室內(nèi)的濕度，只能處理一部分顯熱，室內(nèi)溫度的升高主要還是靠VRV空調(diào)來實現(xiàn)，二者的結(jié)合來控制房間內(nèi)的溫濕度。現(xiàn)在比較DESICA＆VRV系統(tǒng)和HRV＆VRV系統(tǒng)對房間舒適度的控制。

圖8 DESICA＆VRV系統(tǒng)和HRV＆VRV系統(tǒng)運行的室外工況和室內(nèi)工況Fig．8 Indoor and outdoor conditions of DESICA＆VRV system and HRV＆VRV system

從圖8中可以看出，DESICA＆VRV系統(tǒng)每個運行日，室內(nèi)工況的平均值都落在舒適區(qū)間(冬季:室內(nèi)溫度18～24℃，室內(nèi)相對濕度30% ～60%［12］)，HRV＆VRV系統(tǒng)運行時候，室內(nèi)工況只有一半左右在舒適區(qū)間內(nèi)，主要原因是室內(nèi)濕度滿足不了要求，雖然室內(nèi)含濕量略大于室外含濕量，但這部分增量主要來自于室內(nèi)人員呼吸所產(chǎn)生的水分。

HRV＆VRV系統(tǒng)對溫度的控制的精密度和準(zhǔn)確度都沒有DESICA＆VRV系統(tǒng)高。HRV所配VRV空調(diào)與DESICA所配VRV空調(diào)工作原理相同，由此可見室內(nèi)穩(wěn)定的含濕量能提高VRV空調(diào)對溫度控制的精準(zhǔn)程度。

下面比較DESICA＆VRV系統(tǒng)和 HRV＆VRV系統(tǒng)的每天的能耗。

圖9 DESICA＆VRV系統(tǒng)每日耗電量及室外溫度Fig．9 Daily energy consumption and outdoor temperature of DESICA＆VRV system

圖10 HRV＆VRV系統(tǒng)每日耗電量及室外溫度Fig．10 Daily energy consumption and outdoor temperature of HRV＆VRV system

圖9和圖10示分別顯示了DESICA＆VRV系統(tǒng)和HRV＆VRV系統(tǒng)每天9:00－17:00時間段的總耗電量和室外溫度。從圖中可以看出，DESICA＆VRV系統(tǒng)和HRV＆VRV系統(tǒng)的總耗電量總體上隨著室外溫度的升高而下降。HRV＆VRV系統(tǒng)能耗隨溫度升高而下降的趨勢更加明顯，因為HRV＆VRV系統(tǒng)主要處理的是顯熱，室內(nèi)外溫差越小，能耗越小。DESICA＆VRV系統(tǒng)能耗隨溫度升高而下降的趨勢并非很明顯，這是由于DESICA＆VRV系統(tǒng)的能耗與還與室外濕度有關(guān)。

表4顯示了DESICA＆VRV系統(tǒng)和HRV＆VRV系統(tǒng)的能耗以及COP在實驗期間的平均值。從表中可以看出，雖然DESICA單機的能耗略高于HRV單機的能耗，但DESICA在處理潛熱的同時也能提供部分顯熱，使得與DESICA配合測試的VRV空調(diào)的能耗低于與HRV配合測試的普通VRV的能耗，從而使DESICA＆VRV復(fù)合系統(tǒng)比HRV＆VRV復(fù)合系統(tǒng)更加節(jié)能，冬季工況下節(jié)能約9%。DESICA＆VRV復(fù)合系統(tǒng)的COP亦明顯高于HRV＆VRV復(fù)合系統(tǒng)，達(dá)4.4。

表4 DESICA＆VRV，HRV＆VRV系統(tǒng)能耗與COPTab．4 Energy consumption and COP of DESICA＆VRV system and HRV＆VRV system

5 結(jié)論

一種新型濕負(fù)荷處理系統(tǒng)DESICA與VRV空調(diào)相結(jié)合組成溫濕度獨立控制系統(tǒng)。對該系統(tǒng)進行現(xiàn)地實驗并與傳統(tǒng)全熱交換器HRV與VRV空調(diào)結(jié)合的系統(tǒng)做出比較，得出以下結(jié)論:

1)在冬季工況下，DESICA單機有很強的加濕能力，盡管其出風(fēng)的含濕量呈現(xiàn)周期性波動，但對房間的濕度控制很準(zhǔn)確，與VRV配合運行，能提供平均溫度21.3℃，平均濕度51.5%的室內(nèi)環(huán)境，其舒適性優(yōu)于HRV＆VRV復(fù)合系統(tǒng)。

2)DESICA單機的能耗和COP受室外含濕量的影響較大。

3)DESICA＆VRV復(fù)合系統(tǒng)和HRV＆VRV復(fù)合系統(tǒng)的能耗總體上隨室外溫度的增高而降低，DESICA＆VRV復(fù)合系統(tǒng)比HRV＆VRV復(fù)合系統(tǒng)節(jié)能約9%，DESICA＆VRV復(fù)合系統(tǒng)的COP達(dá)4.4。

符號說明

w ——含濕量，kg/kg

L——汽化潛熱，kJ/kg

T——溫度，℃

h——比焓，kJ/kg

W——電功率，kW

COP——系統(tǒng)運行效率

下標(biāo)

l——潛熱

t——全熱

s——顯熱

OA——室外空氣

SA——室內(nèi)空氣

D ——DESICA系統(tǒng)

H——全熱交換器(HRV)

V——VRV空調(diào)

o——室內(nèi)機出風(fēng)口

i——室內(nèi)機進風(fēng)口

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