串—并聯(lián)干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)性能的研究

陳 華，段鼎立，吳愛(ài)俠

1 前言

人體對(duì)溫度、濕度十分敏感，因此控制室內(nèi)空氣溫濕度是空調(diào)系統(tǒng)的重要任務(wù)。相對(duì)濕度對(duì)室內(nèi)的熱舒適性有重要影響，相對(duì)濕度較低的環(huán)境可以使人感到空氣新鮮，提高人體舒適感；室內(nèi)相對(duì)濕度增大，呼吸道疾病和非特異性癥狀（如疲勞，頭痛）的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大幅增加［1，2］。

國(guó)內(nèi)對(duì)于干式風(fēng)機(jī)盤管的研究頗多，張秀平等對(duì)不同型號(hào)的干式風(fēng)機(jī)盤管和標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組進(jìn)行了大量試驗(yàn)測(cè)試，得到不同工況條件下的技術(shù)參數(shù)［3，4］。通過(guò)焓差法對(duì)某一風(fēng)機(jī)盤管干工況運(yùn)行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，廣州大學(xué)的裴清清等測(cè)得風(fēng)機(jī)盤管干工況的最佳供水溫度為17 ℃［5］。2013年，JB/T 11524-2013《干式風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組》也已經(jīng)頒布實(shí)施。同時(shí)，國(guó)內(nèi)研究者對(duì)干式盤管加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了許多理論性探討［6，7］。陳華等對(duì)串聯(lián)干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)冷凍水流量進(jìn)行試驗(yàn)研究［8］，為了探究干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在高溫高濕地區(qū)的適應(yīng)性，吳愛(ài)俠等進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到DCDV系統(tǒng)全年運(yùn)行可極大降低結(jié)露時(shí)間的結(jié)論［9］。目前串并聯(lián)干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)均有應(yīng)用，串聯(lián)系統(tǒng)冷水機(jī)組供回水溫差增大，水流量減少，多采用大溫差冷水機(jī)組。

因此，采用干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)將熱濕負(fù)荷解耦，利用風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)部分顯熱負(fù)荷、新風(fēng)承擔(dān)全部濕負(fù)荷和部分顯熱負(fù)荷，使風(fēng)機(jī)盤管處于干工況運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)溫濕度獨(dú)立控制。本文對(duì)串、并聯(lián)干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。串聯(lián)系統(tǒng)：新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管冷源相同，水系統(tǒng)串聯(lián)連接；并聯(lián)系統(tǒng)：新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管冷源獨(dú)立，水系統(tǒng)并聯(lián)連接。建立串、并聯(lián)干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，分析不同室外工況及室內(nèi)負(fù)荷顯熱比對(duì)串聯(lián)和并聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、室內(nèi)空氣狀態(tài)的影響和變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

干式風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備包括：新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組、恒溫水箱、水箱、水泵。新風(fēng)系統(tǒng)包括：新風(fēng)管道、新風(fēng)機(jī)組等。干式風(fēng)機(jī)盤管將室內(nèi)回風(fēng)與經(jīng)新風(fēng)機(jī)組處理后的室外新風(fēng)在混合室內(nèi)混合，再送入室內(nèi)。該試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)水管管道上的閥門改變水系統(tǒng)的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)串并聯(lián)連接形式。串聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，關(guān)閉閥門 1，5，6，7，其余閥門開啟，冷凍水由恒溫水浴為新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管提供，即冷凍水先后進(jìn)入新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管，利用新風(fēng)機(jī)組溫度較低的回水為風(fēng)機(jī)盤管提供冷量；運(yùn)行并聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，關(guān)閉閥門2，3，4，其余閥門開啟；由恒溫水浴為新風(fēng)機(jī)組提供冷凍水，水箱為風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組提供高溫冷凍水。在新風(fēng)機(jī)組入口、出口及干式風(fēng)機(jī)盤管出口分別布置風(fēng)速儀和溫-濕度傳感器，用于測(cè)量新風(fēng)與風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)出口空氣溫-濕度及風(fēng)量。在冷凍水供回水干管及空調(diào)機(jī)組末端進(jìn)出口水管分別布置T型熱電偶，用于測(cè)量水溫。在風(fēng)機(jī)盤管供水管、恒溫水浴出水管分別安裝渦輪流量變送器，用于測(cè)量水流量。試驗(yàn)系統(tǒng)中的測(cè)量?jī)x器性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量?jī)x器及精度

試驗(yàn)測(cè)試不同室外工況及負(fù)荷顯熱比條件下串聯(lián)和并聯(lián)兩種空調(diào)系統(tǒng)的性能和室內(nèi)空氣狀態(tài)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 串聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)

焓差室室內(nèi)環(huán)境間設(shè)有電加熱器和蒸汽加濕裝置，可調(diào)節(jié)加熱量和加濕量來(lái)調(diào)整房間熱濕負(fù)荷，本試驗(yàn)中設(shè)定系統(tǒng)全熱冷負(fù)荷為2.1 kW；室內(nèi)溫度設(shè)定24.5 ℃、相對(duì)濕度設(shè)定55%；冷凍水出水溫度控制為7 ℃，回風(fēng)量500 m3/h。測(cè)試不同室外工況及負(fù)荷顯熱比對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行性能以及室內(nèi)狀態(tài)的影響。

3.1.1 室外工況對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能及室內(nèi)狀態(tài)的影響

室內(nèi)負(fù)荷率為1，顯熱比（SHR）為0.85，水量為320 kg/h，新回風(fēng)比為0.2（新風(fēng)風(fēng)量為100 m3/h、回風(fēng)風(fēng)量為500 m3/h），測(cè)試不同室外工況下空調(diào)系統(tǒng)性能及室內(nèi)空氣溫濕度、水溫的變化情況。

圖2為室外相對(duì)濕度分別為50%和65%時(shí)在不同干球溫度條件下新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管制冷性能比較。由圖可知，隨干球溫度的升高，新風(fēng)機(jī)組的顯熱和潛熱制冷量明顯增加，但風(fēng)機(jī)盤管制冷能力降低，新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)室內(nèi)顯熱與潛熱負(fù)荷減少，系統(tǒng)提供室內(nèi)冷量顯熱比增大。

圖2 新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)盤制冷性能

相對(duì)濕度增加，新風(fēng)機(jī)組的顯熱制冷量增幅較小，增幅約為1.3%；潛熱制冷量增幅顯著，增幅達(dá)到53.9%以上；系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)冷量的顯熱比率增加；而新風(fēng)及系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)荷都降低。

圖3為室外相對(duì)濕度為50%和65%時(shí)不同干球溫度條件下室內(nèi)溫濕度變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)室外相對(duì)濕度為50%時(shí)，該空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度從24.5 ℃變化至25.3 ℃，溫度波動(dòng)小，僅為0.8 ℃；當(dāng)室外相對(duì)濕度為65%時(shí)，該空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度波動(dòng)也不大。由分析可知：采用串聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)，隨著室外溫濕度增加，均會(huì)造成室內(nèi)溫度略微增加。而室內(nèi)相對(duì)濕度的變化規(guī)律卻與之不同，隨著室外溫度增加，室內(nèi)相對(duì)濕度先增加后降低，變化范圍在1.6%之內(nèi)。

圖3 2種室外相對(duì)濕度、不同室外溫度條件時(shí)室內(nèi)溫濕度變化

圖4 為新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管供回水溫度隨室外溫度的變化狀態(tài)。

圖4 2種室外相對(duì)濕度、不同室外溫度條件時(shí)供回水溫度變化

從圖可見(jiàn)，室外溫度的升高及室外相對(duì)濕度的增加，均可引起新風(fēng)機(jī)組供水溫度、風(fēng)機(jī)盤管供回水溫度的升高。室外溫度25，29 ℃，風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)水溫度為9.56～10.50 ℃，供水溫度低，致使風(fēng)機(jī)盤管有凝水產(chǎn)生。室外溫度33 ℃，室溫高于設(shè)定值1.30 ℃。分析可知：因?yàn)樾嘛L(fēng)負(fù)荷增大，新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷減小，且風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)水溫度提高，其提供冷量也相應(yīng)減少，所以系統(tǒng)提供冷量減少，故室溫偏高于設(shè)定值。

3.1.2 負(fù)荷顯熱比對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

室內(nèi)負(fù)荷率為1；SHR為0.75，水量為320 kg/h，新風(fēng)回風(fēng)比為0.2，相對(duì)濕度為65%，室外溫度為25～33℃，測(cè)試串聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能的變化情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同室外工況下室內(nèi)負(fù)荷顯熱比為0.75時(shí)空調(diào)機(jī)組制冷性能

結(jié)合圖2（b）可知，當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷顯熱比降低至0.75，風(fēng)機(jī)盤管的制冷量增加，增幅為1.5%；室內(nèi)濕負(fù)荷的增加，使該工況下風(fēng)機(jī)盤管均承擔(dān)部分濕負(fù)荷；當(dāng)室外溫度由25 ℃增加到33 ℃，風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)的濕負(fù)荷減少7.3%～24.0%。系統(tǒng)提供室內(nèi)顯冷量及顯熱比隨室外溫度變化見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)提供室內(nèi)顯冷量及顯熱比隨室外溫度變化

可見(jiàn)，系統(tǒng)提供冷量的顯熱比均明顯高于室內(nèi)顯熱比0.75的要求。

3.2 并聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)

室內(nèi)負(fù)荷率小于0.5的條件下，采用較高溫冷凍水為風(fēng)機(jī)盤管提供冷量的并聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同室外工況及不同負(fù)荷顯熱比對(duì)并聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能和室內(nèi)參數(shù)狀態(tài)影響。

3.2.1 室外工況對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

室內(nèi)負(fù)荷率為0.5（1.1 kW），SHR為0.8，回風(fēng)風(fēng)量為400 m3/h，風(fēng)機(jī)盤管供水溫度為16.6～17.6 ℃，室外溫度為22～30 ℃，對(duì)并聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 室外不同溫度下的空調(diào)系統(tǒng)制冷性能

由圖6可知，室外濕度85%，室外溫度升高1 ℃，新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷增加1.2%、新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)室內(nèi)潛熱負(fù)荷增加0.7%；室外濕度45%，室外溫度升高2℃，新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)的室內(nèi)顯熱負(fù)荷增加0.3%、新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)室內(nèi)潛熱負(fù)荷增加2.6%。分析得到，室外工況變化時(shí)，新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)的室內(nèi)熱濕負(fù)荷變化較小，而風(fēng)機(jī)盤管的冷量由獨(dú)立水箱內(nèi)高溫冷凍水提供，因此其制冷量變化亦較小。

3.2.2 負(fù)荷顯熱比對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能及室內(nèi)狀態(tài)的影響

室內(nèi)負(fù)荷率分別為0.4（風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)量為320 m3/h）、0.5（風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)量為400 m3/h），SHR為0.75～0.85，室外溫度25 ℃、室外相對(duì)濕度65%試驗(yàn)測(cè)試空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行性能及室內(nèi)溫濕度狀態(tài)，結(jié)果如圖7～8所示。

圖7（a）為室內(nèi)負(fù)荷率0.4時(shí)空調(diào)系統(tǒng)制冷性能。由圖可知，隨室內(nèi)顯熱負(fù)荷的增加，系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)荷變化較小。室內(nèi)負(fù)荷顯熱比由0.75增大至0.85，系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)冷量的顯熱比約為0.75，且僅在室內(nèi)負(fù)荷顯熱比為0.75時(shí)符合要求。圖7（b）給出了在室內(nèi)負(fù)荷率為0.5時(shí)空調(diào)系統(tǒng)制冷性能。顯熱比由0.75增大至0.85，系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷變化0.6%～1.3%，承擔(dān)的室內(nèi)總負(fù)荷變化1.0%～2.4%，風(fēng)機(jī)盤管的制冷量變化2.3%～4.7%，相比于較負(fù)荷率為0.4時(shí)，變化幅度都有所減?。幌到y(tǒng)提供室內(nèi)冷量的顯熱比為0.78～0.79，與室內(nèi)負(fù)荷顯熱比要求偏離。在顯熱比一定時(shí)，相比負(fù)荷率為0.4，當(dāng)負(fù)荷率為0.5時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際承擔(dān)的室內(nèi)濕負(fù)荷增加0.9%～3.2%，系統(tǒng)承擔(dān)的總負(fù)荷約增加17.5%；而承擔(dān)的室內(nèi)顯熱比稍有增加，小于4%。

圖7 室內(nèi)不同負(fù)荷率的空調(diào)系統(tǒng)制冷性能

由圖8可以看出，當(dāng)顯熱比增加，穩(wěn)定后的室內(nèi)溫度升高，室內(nèi)濕度卻隨之降低，且波動(dòng)范圍都較大。負(fù)荷率為0.4時(shí)，顯熱比由0.75增大至0.85，室內(nèi)溫度變化范圍為1.7℃；相對(duì)濕度變化超過(guò)9.5%。負(fù)荷率為0.5時(shí)，顯熱比由0.75增大至0.85，室內(nèi)溫度為變化范圍為1.8℃；相對(duì)濕度變化超過(guò)10.5%。分析可見(jiàn)，室內(nèi)顯熱比的變化對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響較大。但負(fù)荷率的改變會(huì)引起風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)量的改變，故負(fù)荷率對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響較小，分別相差0.2～0.4 ℃、1%～2%。而且，顯熱比對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響隨著負(fù)荷率的增加而增大。

圖8 室內(nèi)溫濕度隨顯熱比的變化

4 結(jié)論

（1）對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)而言，當(dāng)SHR=0.85時(shí)，干球溫度升高，系統(tǒng)提供室內(nèi)冷量的顯熱比增大，但室內(nèi)溫濕度波動(dòng)很??；相對(duì)濕度增加，新風(fēng)機(jī)組潛熱制冷量明顯增加，達(dá)53.9%以上。當(dāng)SHR=0.75時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管承擔(dān)了相應(yīng)濕負(fù)荷，造成室內(nèi)相對(duì)濕度高于60%，致使風(fēng)機(jī)盤管濕工況運(yùn)行。

（2）對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)而言，干球溫度及相對(duì)濕度對(duì)室內(nèi)熱濕負(fù)荷影響微弱，但室內(nèi)顯熱比對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響明顯，SHR由0.75增加到0.85，室內(nèi)溫度波動(dòng)超過(guò)1.7 ℃，相對(duì)濕度變化超過(guò)9.5%；但是，負(fù)荷率對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響不大，分別相差約0.2～0.4 ℃、1%～2%，且顯熱比對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響隨著負(fù)荷率的增加而增大。

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