泳池用除濕熱泵系統(tǒng)溫濕度控制策略及除濕效率評價

劉　洋，萬言興

（大連市建筑設(shè)計研究院有限公司，遼寧大連116021）

泳池用除濕熱泵系統(tǒng)溫濕度控制策略及除濕效率評價

劉洋，萬言興

（大連市建筑設(shè)計研究院有限公司，遼寧大連116021）

泳池用除濕熱泵系統(tǒng)配置有獨(dú)立的壓縮機(jī)及冷凝器，具有系統(tǒng)設(shè)置靈活、蒸發(fā)溫度低，自控程度較高等特點(diǎn)。本文結(jié)合某泳館改造實(shí)例，對該項(xiàng)目用泳池除濕熱泵系統(tǒng)的溫濕度控制策略進(jìn)行分析，并通過實(shí)測的溫濕度數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的除濕效率進(jìn)行了評估。

泳池除濕熱泵；熱濕負(fù)荷計算；溫濕度控制策略；除濕效率；焓濕圖

0　引言

大連某綜合性體育館于2003年建成并開始投入使用，總建筑面積17128m2，包括一個無觀眾席、建筑面積為2300m2的標(biāo)準(zhǔn)十道游泳館。原設(shè)計方案為整個體育館采用集中冷站，泳館部分采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)。運(yùn)行數(shù)年，泳館結(jié)露現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)腐蝕、空調(diào)設(shè)備失效等問題，影響泳池的使用安全及效果。分析主要原因：一是原設(shè)計體育館冷源，單臺主機(jī)的冷量遠(yuǎn)大于泳館的降溫除濕負(fù)荷，為了節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，除非有大型的慶典或體育賽事，冷水機(jī)組一般較少開啟。二是原設(shè)計采用傳統(tǒng)水盤管的普通空調(diào)箱全空氣系統(tǒng)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)其基本運(yùn)行模式為在冬夏季設(shè)計工況下的參數(shù)，定新風(fēng)量系統(tǒng)，難以滿足復(fù)雜的氣候變化條件。三是末端采用普通風(fēng)口形式、氣流組織為上送上回形式，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防結(jié)露措施不好。四是原有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)窗墻比大、熱工性能較差。本文針對上述問題提出解決方案，重點(diǎn)對空調(diào)冷熱源系統(tǒng)形式及溫濕度控制策略進(jìn)行對比分析，并對改造后的泳館溫濕度的效果進(jìn)行實(shí)測評估，對系統(tǒng)的除濕效率進(jìn)行了計算。

圖1　改造前空調(diào)冷、熱水系統(tǒng)原理圖

1　改造方案分析

1.1分析冷熱源方案

原設(shè)計方案如圖1所示，由于集中供冷機(jī)房的設(shè)備較少開啟，在游泳館需要除濕時，常常需要開一臺較大供冷量的制冷機(jī)組為游泳館制冷，但業(yè)主為了節(jié)能運(yùn)行，采用間歇啟動，時常導(dǎo)致供冷溫度太高無法滿足除濕要求。若單獨(dú)另設(shè)一臺小型制冷機(jī)組，制冷機(jī)冷量以保證泳池夏季冷負(fù)荷及除濕負(fù)荷為主，但采用集中冷凍水的空調(diào)系統(tǒng)，其冷卻塔受室外天氣（如高溫高濕天氣）影響，會導(dǎo)致冷凍水溫不穩(wěn)定，或盤管選型不合適，較常出現(xiàn)的問題是機(jī)器的露點(diǎn)溫度難以滿足各種工況下的空氣除濕要求，較難精確控制空調(diào)送風(fēng)的濕度，且夏季和過渡季需依賴其它再熱熱源，才能保證設(shè)計的送風(fēng)溫度。

圖2　泳池用除濕熱泵系統(tǒng)工作原理

通過對以上技術(shù)方案對比，最終確定采用泳池用除濕熱泵空調(diào)系統(tǒng)，工作原理如圖2所示。由于自帶獨(dú)立壓縮機(jī)及冷凝器，該系統(tǒng)的運(yùn)行時間可獨(dú)立控制，給游泳的運(yùn)營管理帶來更大的靈活性。和常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)保證制冷劑的蒸發(fā)溫度直供，有效調(diào)節(jié)空氣除濕所需的露點(diǎn)溫度，對于除濕要求特別高的場所也可以采用雙冷源配置，即配置集中冷凍水系統(tǒng)和氟利昂直膨式系統(tǒng)，可以確保在最不利的設(shè)計工況下也能保證除濕效果。同時該系統(tǒng)也結(jié)合了熱泵的工作原理，配置了三套表冷器，可全年保證高溫高濕的室內(nèi)空氣通過蒸發(fā)冷卻的方式進(jìn)行除濕降溫，同時其冷凝熱及壓縮機(jī)做功的能量可部分回收。回收的熱量優(yōu)先用于空調(diào)送風(fēng)的二次加熱，以保證精確的送風(fēng)溫差，剩余熱量則可通過池水換熱器對泳池的循環(huán)熱水進(jìn)行熱量補(bǔ)充，最后無法利用的熱量則通過室外風(fēng)冷冷凝器排放。該系統(tǒng)同時配置溫濕度傳感控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同季節(jié)智能調(diào)節(jié)不同的運(yùn)行工況。

1.2具體改造措施

1）將泳池空調(diào)系統(tǒng)調(diào)整為獨(dú)立壓縮機(jī)和冷凝器的除濕熱泵空調(diào)系統(tǒng)；2）提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，根據(jù)防結(jié)露溫差，計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小熱阻，增加隔熱層，并通過減少窗墻比、增加防潮隔汽膜的方式進(jìn)行土建改造；3）優(yōu)化場館內(nèi)的氣流組織變?yōu)樯纤拖禄氐姆绞?，并通過可調(diào)節(jié)角度的噴口將空調(diào)送風(fēng)送至圍護(hù)結(jié)構(gòu)處，有效提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度，減輕結(jié)露現(xiàn)象。4）重新設(shè)計泳池周邊區(qū)域的地?zé)峒吧崞飨到y(tǒng)；

2　熱濕負(fù)荷計算

2.1濕負(fù)荷計算

泳池參數(shù)設(shè)定如下：池水溫度T=26℃，室內(nèi)空氣干球溫度ta=28℃，相對濕度φ=70%，露點(diǎn)溫度tl=21. 8℃。泳池的散濕量主要分三部分，即池水散濕量、池邊散濕量、人員散濕量。池水散濕量采用ASHRAE推薦的公式（1）[1]，池邊的散濕量采用公式（2）[2]，人員散濕量采用公式（3）[2]分別計算。

式中W1—池水散濕量，kg/h；

AP—泳池面積，本工程1250m2；

m—人員活動修正系數(shù)，用于公共或?qū)W校的游泳池時，m=1；

v—主體空氣的風(fēng)速，本工程取0.2m/s；

Y—水表面溫度下（T=26℃）的汽化潛熱[3]，2439.6kJ/kg；

ΔP=Pw－Pa，其中Pw為水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力[4]，3.401KPa（26℃）；

Pa—主體空氣的水蒸氣分壓力[4]，2.680kPa；（ta=28℃，φ=70%）；

W2—池邊散濕量，kg/h；

ta—室內(nèi)空調(diào)計算干球溫度，28℃；

tw—室內(nèi)空調(diào)計算濕球溫度，23.6℃；

F—池邊面積，本工程890m2；

f—潤濕系數(shù)（0.2～0.4）[2]，本工程取0.2；

W3—人員散濕量，kg/h；

E—單位人員散濕量，取0.203Kg/h·人；

n—人數(shù)；

n1—群集系數(shù)，經(jīng)調(diào)查，本泳館更衣箱為300個，池邊人數(shù)約為50-60人，則n=300，n1=0.2。

計算結(jié)果W1為139.2kg/h，W2為13.4kg/h，W3為12.2kg/h，總散濕量為164.8kg/h。

2.2冷熱負(fù)荷分析及熱濕比

為滿足室內(nèi)的溫、濕度設(shè)計要求，采用公式（4）[4]計算室內(nèi)空氣處理過程的熱濕比。

式中Q—房間冷、熱負(fù)荷，kJ/h；

W—房間的濕負(fù)荷，kg/h；

ε—房間計算熱濕比，kJ/kg；

泳館冬季熱負(fù)荷主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量和池水蒸發(fā)進(jìn)入空氣的潛熱負(fù)荷組成，由于池邊散濕以及人體散濕蒸發(fā)是將空氣的顯熱轉(zhuǎn)化潛熱，故不計入熱負(fù)荷。在計算中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的顯熱負(fù)荷主要由地板輻射系統(tǒng)和散熱器系統(tǒng)承擔(dān)，池水蒸發(fā)的潛熱負(fù)荷則由除濕熱泵系統(tǒng)承擔(dān)。分析公式（1）～（3），當(dāng)室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點(diǎn)不變時，潛熱負(fù)荷與室外空氣狀態(tài)點(diǎn)無關(guān)，所以冬季室內(nèi)空氣處理過程的熱濕比為恒定的數(shù)值。對于冬季工況，Qd=342360kJ/h，Wd=164.8kg/h，則εd=2078kJ/kg。

泳館夏季冷負(fù)荷包括兩部分，一是圍護(hù)結(jié)構(gòu)、人員、燈光、設(shè)備等冷負(fù)荷，在設(shè)計工況下[5]的計算值為134.7kW，這部分冷負(fù)荷是隨天氣變化的。二是池水蒸發(fā)進(jìn)入空氣的潛熱負(fù)荷，這部分計算值與冬季一致。對于夏季設(shè)計工況下：Qx=827280kJ/h，Wx=164.8kg/h，熱濕比εx=5020kJ/kg。

3　溫濕度控制策略分析

3.1冬季及過渡季空氣處理過程

冬季除濕熱泵的處理過程如圖3所示。過室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)Tn作冬季室內(nèi)熱濕比線（εd），并根據(jù)設(shè)計風(fēng)量確定能滿足除濕要求的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)TS0。除濕熱泵的主要空氣處理過程如下：室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)入機(jī)組后，排風(fēng)機(jī)按設(shè)定比例排出部分空氣，剩余的回風(fēng)（Tn）經(jīng)蒸發(fā)器冷卻除濕至機(jī)器露點(diǎn)狀態(tài)To（干球溫度19.3℃，相對濕度90%），冷凝器將回收的熱量以及壓縮機(jī)做功以再熱的方式對低溫低濕的空氣進(jìn)行等濕加熱過程至Th1，該狀態(tài)點(diǎn)與設(shè)定比例的室外新風(fēng)Tw1進(jìn)行混合，混合點(diǎn)Ts1在冬季處理過程的等εd線，且Ts1的狀態(tài)點(diǎn)的含濕量小于Ts0，可以滿足室內(nèi)除濕的設(shè)計要求。

經(jīng)計算，在規(guī)范[5]中冬季設(shè)計工況下（室外空調(diào)計算溫度Tw1=-14.3℃），當(dāng)新風(fēng)比為15%時，蒸發(fā)器回收的熱量正好可以滿足送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的再熱要求，不需要另外的熱源。在相同新風(fēng)比例下，當(dāng)冬季室外溫度升高時（Tw2），空氣蒸發(fā)冷卻的過程不變，可通過減少再熱量，將處理后的空氣（Th2）與室外新風(fēng)（Tw2）混合，保證混合狀態(tài)點(diǎn)（Ts2）仍在冬季室內(nèi)熱濕比線（εd）。

對于過渡季稍冷季節(jié)，因?yàn)橛攫^也要保持一定的溫度，所以空氣處理過程與冬季較為相似，但再熱量需求較少，冷凝器回收的熱量可以轉(zhuǎn)移至池水加熱系統(tǒng)。

3.2夏季空氣處理過程

圖3　冬季除濕熱泵系統(tǒng)空氣處理過程

圖4　夏季除濕熱泵系統(tǒng)空氣處理過程

夏季除濕熱泵的處理過程如圖4所示，在規(guī)范[5]設(shè)計工況下，過室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)Tn作夏季室內(nèi)熱濕比線（εx），并根據(jù)設(shè)計風(fēng)量確定能滿足除濕要求的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)Ts0。除濕熱泵的主要空氣處理過程如下：室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)入機(jī)組后，排風(fēng)機(jī)按設(shè)定比例排出部分空氣，剩余的回風(fēng)（Tn）經(jīng)蒸發(fā)器冷卻除濕至機(jī)器露點(diǎn)狀態(tài)To（干球溫度19.3℃，相對濕度90%），經(jīng)計算，該狀態(tài)點(diǎn)與設(shè)定比例30%的室外新風(fēng)Tw1進(jìn)行混合，混合點(diǎn)Ts1在夏季處理過程的等εx線上，且Ts1的狀態(tài)點(diǎn)的含濕量小于Ts0，可以滿足室內(nèi)除濕的設(shè)計要求，同時送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)也高于室內(nèi)的露點(diǎn)溫度，可避免出現(xiàn)送風(fēng)氣流“起霧”。在夏季設(shè)計工況下，除濕回收的熱量以及壓縮機(jī)做功將優(yōu)先用于池水換熱器進(jìn)行熱量補(bǔ)充。

對于夏季其它工況，由于冷負(fù)荷隨天氣變化，夏季室內(nèi)熱濕比線（εx）并不是一個恒定值，當(dāng)冷負(fù)荷較設(shè)計工況減小時，熱濕比線數(shù)值變小，機(jī)器露點(diǎn)保持不變，只需要調(diào)節(jié)再熱量，滿足混合后的空氣狀態(tài)點(diǎn)在熱濕比線上即可。

4　除濕效率評價及分析

4.1溫濕度實(shí)測數(shù)據(jù)曲線

圖5、圖6所示為泳館改造前后幕墻照片。泳池改造竣工后，在2014年11月份和2015年6月初對泳池的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行測試，并分別挑選冬夏典型日實(shí)測數(shù)據(jù)繪制如圖7～圖10所示。

圖5　改造前冬季泳館幕墻照片

圖6　改造后冬季泳館幕墻照片

圖7　冬季典型日泳池相對濕度測試數(shù)據(jù)

4.2數(shù)據(jù)分析

從圖5～圖10中可以看出，改造后泳池實(shí)測的溫濕度控制效果可以滿足設(shè)計要求。分析圖7、圖8冬季典型日數(shù)據(jù)，在早間無人時，泳池的濕度較低，這是因?yàn)闊o人活動時，泳池表面蒸發(fā)速度較慢。同時，管理人員打開頂部的通風(fēng)窗通風(fēng)。在地面進(jìn)行地板采暖的同時，利用空氣的熱壓作用將水面附近的高溫高濕空氣從上部排走，將室外的空氣靠負(fù)壓引入，減少了除濕負(fù)荷。

另外，泳館的溫度和相對濕度在11：00～12：00和14：00～17：00二個區(qū)間會有較明顯的提升，其除濕量也較其它時段增加，分析原因：1）在這二個時間段游泳人數(shù)較多，游泳館的上午人數(shù)一般在幾十個人左右，而在中午時間段人數(shù)會有較大幅度的增加，一般在150人至200人之間，下午時段人數(shù)最多，最多可達(dá)到250～300人。分析前述濕負(fù)荷計算可知，人員散濕量及人數(shù)增加導(dǎo)致的池邊散濕量對泳館散濕量的影響大約占總濕負(fù)荷的10%。2）泳館的主要外圍幕墻均朝南，在正午及下午時段、太陽輻射強(qiáng)度最大，泳池會吸收較多的輻射得熱，分析公式（1）的影響因素，當(dāng)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)一定時，池水溫度越高，池水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力增加，池水散濕量越大，經(jīng)測算，在本工程設(shè)計工況下，池水溫度較設(shè)計工況提高1℃，則散濕量增加約29%。

圖8　冬季典型日泳池溫度測試數(shù)據(jù)

圖9　夏季典型日泳池相對濕度測試數(shù)據(jù)

圖10　夏季典型日泳池溫度測試數(shù)據(jù)

分析圖9、圖10夏季典型日數(shù)據(jù)，泳池的設(shè)定相對濕度調(diào)低為55%，露點(diǎn)溫度16.8℃。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泳池管理人員將夏季泳池水溫和室溫均分別調(diào)低了1℃。分析原因：泳館在4月底停止集中連續(xù)供暖，調(diào)整為不定時的間歇供暖；同時氣象數(shù)據(jù)顯示，大連地區(qū)在5月份至6月份上旬，晝夜溫差較大，夜間溫度一般為13～17℃之間，在這段時間將泳池的露點(diǎn)溫度調(diào)低，可有效減輕結(jié)露現(xiàn)象。

圖11　冬季典型日單位輸入功率除濕量曲線

4.3除濕效率計算

關(guān)于泳池除濕熱泵的除濕效率評價，目前國內(nèi)尚無相關(guān)規(guī)范定義。本文借鑒規(guī)范[6]GBT 19411-2003《除濕機(jī)》中單位輸入功率除濕量的概念，其適用范圍為以機(jī)械制冷方式除濕，以冷凝熱為再熱方式的除濕機(jī)，這與泳池除濕熱泵的工作原理是相吻合的。計算公式如下：

對于本工程，其測試條件是在上述冬季典型日，從10：00～16：00共6h，輸入功率的測算方法是在每個小時內(nèi)間隔15min監(jiān)測一次壓縮機(jī)的電流，并據(jù)此折算出小時內(nèi)平均電流強(qiáng)度，除濕量是每個小時測試凝結(jié)水的重量。冬季典型日運(yùn)行工況下的單位輸入功率除濕量曲線如圖11所示。

典型日測算的除濕效率平均值為2.91，該數(shù)值高于規(guī)范[6]中名義除濕量在40～60 kg/h區(qū)間中單位輸入功率除濕量1.95 kg/（h·kW）的標(biāo)準(zhǔn)，參考《除濕機(jī)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》[7]申請備案稿中的風(fēng)冷型除濕機(jī)名義除濕量＞10kg/h區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)值為2.85（kg/h·kW），也具有較好的節(jié)能性。

5　結(jié)語

采用帶獨(dú)立壓縮機(jī)的除濕熱泵系統(tǒng)作為泳館除濕方案，有效保證制冷劑的蒸發(fā)溫度直供，自控程度高管理方便，實(shí)測結(jié)果顯示控濕效果穩(wěn)定、除濕效率較高，可以滿足設(shè)計要求。且熱泵系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)移、節(jié)能性能好。

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

[2]魏文宇，丁高，張力.游泳館空調(diào)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]邱信立，廉樂明，李力能.工程熱力學(xué)[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992.

[4]趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

[5]中國建筑科學(xué)研究院.GB50736-2012.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[6]合肥通用機(jī)械研究所.GBT 19411-2003.除濕機(jī)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[7]百度文庫.除濕機(jī)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范（申請備案稿）[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

劉洋（1978-），男，遼寧營口人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：建筑能耗分析。

2015-09-17

2015-10-08