雙冷源新風除濕機與輻射板聯(lián)合制冷運行特性測試研究

（上海工程技術(shù)大學，上海 201620）

0 引言

研究發(fā)現(xiàn)建筑領(lǐng)域是能源消耗的重要主體之一，占總能源消耗的30%以上［1］。而在建筑能耗中暖通空調(diào)的所占比例最大，達到了50%以上［2-3］，所以暖通空調(diào)行業(yè)的節(jié)能潛力可觀。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)存在一些缺點，首先，會造成熱濕聯(lián)合處理的能量損失。例如使用單一的低溫冷源承擔室內(nèi)顯熱負荷和濕負荷會造成能源品位的浪費［4］。為使送風溫度不過低，空氣處理過程會有再熱過程，導致能源的進一步浪費［5］。其次，使用單一冷源調(diào)節(jié)很難使室內(nèi)環(huán)境溫濕度同時滿足要求，當熱濕比不匹配時通常會犧牲濕度來優(yōu)先滿足溫度要求，最終導致室內(nèi)濕度無法滿足要求［6］。最后，傳統(tǒng)空調(diào)的除濕方式會造成潮濕面有細菌滋生，對室內(nèi)人員的健康造成影響［7］。江億等提出了溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)。由于溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)在空氣處理方式以及節(jié)約能源等方面的優(yōu)點，已經(jīng)越來越受到人們重視并且被廣泛的應用［8-9］。國內(nèi)外學者都對溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)做了相關(guān)的研究，張濤等［10］研究了溫濕度獨立控制系統(tǒng)在某醫(yī)院的應用，設(shè)計了一套溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)及運行策略以滿足不同時刻熱濕比不斷變化的要求，克服了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中難以同時滿足溫、濕度參數(shù)的要求，精準地控制房間內(nèi)的溫度與濕度。梁彩華等［11］提出了一種新型的熱濕分段處理系統(tǒng)，并分析了其原理和工作過程，并通過建立的熱濕分段處理節(jié)能計算模型以及與常規(guī)方法處理空氣進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在出風溫度為16℃時，髙溫冷水機組的COP能夠提高9.14%以上。Ling等［12］對蒸汽壓縮式熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)進行研究，為了解決承擔顯熱負荷換熱器的壓降問題，他提出了一種空氣分流方式，并建立了換熱器模型。模型計算結(jié)果顯示，用于處理顯熱負荷的換熱器在不改變換熱器面積的情況下可以提供和常規(guī)空調(diào)同等的冷量。Thosapon等［13］研究了太陽能驅(qū)動溶液除濕通風空調(diào)系統(tǒng)，得出該系統(tǒng)可以降低空氣溫度大約1.2 ℃，相對濕度降低11%。

梁秋錦等［14］通過研究毛細管輻射板的不同布置方式發(fā)現(xiàn)，在向毛細管輻射末端通18℃高溫冷水時，毛細管網(wǎng)的頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式的室內(nèi)溫度均能滿足≤28 ℃的要求，同時PMV和PPD均能滿足《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》（GB/T50785-2012）Ⅰ級熱舒適評價指標。何中凱等［15］通過建立毛細管網(wǎng)輻射板的傳熱模型，并且結(jié)合工程實際，研究了其供冷能力影響，同時分析了該影響帶來的效果。研究表明，降低供水設(shè)計溫度能夠顯著提高毛細管網(wǎng)輻射板的供冷能力，而增加抹灰厚度能夠使輻射面溫度的均勻性得到改善。秦思宇等采用建立毛細管墻體的穩(wěn)態(tài)換熱量分配比例模型與實驗相結(jié)合的方法研究了毛細管墻體穩(wěn)態(tài)特性，研究發(fā)現(xiàn)毛細管墻體積蓄和釋放的熱量對其整體換熱效果沒有影響［16-21］。

本次研究的主要內(nèi)容是對應用于上海某會議室的雙冷源新風除濕機與輻射板聯(lián)合制冷運行特性進行測試研究，研究內(nèi)容包括對房間內(nèi)溫度濕度分布和變化情況進行分析，及研究結(jié)果對該系統(tǒng)的進一步研究及工程應用具有一定的參考價值。

1 項目概況

該項目位于上海市松江區(qū)某工業(yè)園區(qū)內(nèi)，是一棟多功能辦公樓。被測試對象為第一層的會議室，會議室長7.3 m，寬5.8 m，高2.8 m，其面積為52.34 m2，室內(nèi)人數(shù)為8人，人均為新風量為30 m3/（h·P），通過天正暖通軟件計算出該房間顯熱負荷為2 975 W，濕負荷為0.71 kg/h，會議室的夏季室內(nèi)設(shè)計溫度為25 ℃，相對濕度為45%～60%左右。

2 系統(tǒng)設(shè)計

該會議內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)采用雙冷源新風除濕機與輻射板聯(lián)合制冷的方式，輻射末端為東墻、西墻的毛細管側(cè)墻以及石膏輻射吊頂。輻射側(cè)墻與輻射吊頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)分別如圖1，2所示。輻射側(cè)墻的施工方式如下，先在毛坯墻面固定一層厚度為25 mm的EPS保溫層，保溫層外固定厚度為10 mm的石膏板，石膏板外鋪設(shè)直徑為3.5 mm的毛細管網(wǎng)，鋪設(shè)總面積為18.58 m2，毛細管網(wǎng)外為10 mm厚的抹灰層，施工時將一枚Pt100溫度傳感器預埋在抹灰層內(nèi)。輻射石膏吊頂?shù)氖┕し绞饺缦?，先在樓板上固定一層吊頂?shù)装澹缓笤诘装迳喜贾妙A先做好石膏輻射板，最后在石膏輻射板表面加一層厚度約為1 mm抹灰層，其中石膏輻射板是由厚度為25 mm的保溫層、厚度為0.5 mm鋁板、直徑為10 mm的水管及厚度為10 mm石膏層構(gòu)成，其中一塊石膏板的石膏層內(nèi)也預埋一枚Pt100溫度傳感器，石膏輻射板的鋪設(shè)面積為39.42 m2，側(cè)墻與吊頂內(nèi)的毛細管材料均為PE-RT。

圖1 輻射側(cè)墻結(jié)構(gòu)

圖2 輻射吊頂結(jié)構(gòu)

輻射末端所用冷媒為水，系統(tǒng)所需要的冷媒水由安置在室外的一臺名義制冷量為9.5 kW的空氣源熱泵機組提供，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，空氣源熱泵主機為輻射吊頂和輻射墻體以及除濕機提供18 ℃的高溫冷水。進入新風除濕機的新風先經(jīng)過高溫冷水預冷，然后再由直膨蒸發(fā)器進行深度除濕。雙冷源新風除濕機的風量為240 m3/h，送風方式采用地板送風，風口布置在南墻側(cè)的下方。系統(tǒng)原理如圖3所示，雙冷源新風除濕機的工作原理如圖4所示。試驗主要采集的數(shù)據(jù)是室內(nèi)不同位置的空氣的溫度，墻體內(nèi)部及表面溫度，天花板表面及內(nèi)部溫度，室內(nèi)相對濕度，除濕機送風口的溫度和相對濕度，室外的溫度和相對濕度，以及熱泵主機供回水溫度。采用安捷倫多點溫度數(shù)據(jù)采集器、Pt100溫度傳感器和溫濕度計testo 175H1自動記錄數(shù)據(jù)，Pt100溫度傳感器精度為±0.1 ℃，溫濕度計testo 175H1精度為±0.1 ℃和±2%。數(shù)據(jù)記錄時間設(shè)置為1 min記錄一次。測點位置的選取如圖5所示，選取了房間2個不同位置放置2根高度為2 m的桿，分別在每根桿上的0.5，1.0，1.5，2.0 m處放置一個溫度傳感器，風口處、室內(nèi)及室內(nèi)則用testo 175H1記錄數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)原理

圖4 雙冷源新風除濕機工作原理

圖5 會議室測點布置

3 測試結(jié)果分析

3.1 室外溫度和濕度

室外溫度和濕度隨時間不斷變化，室外溫濕度變化曲線如圖6所示。

圖6 室外溫濕度變化

由圖6可知，9：11時室外空氣溫度為32 ℃左右，相對濕度為67%左右，經(jīng)過3 h后溫度達到35 ℃左右并在35 ℃附近波動，相對濕度達到64%左右并在64%附近波動，15：30之后溫度開始緩慢降低，相對濕度則緩慢上升。

3.2 新風除濕機組出風參數(shù)

除濕機出風參數(shù)是判定除濕機性能的重要依據(jù)，新風除濕機組出風參數(shù)如圖7所示。

圖7 除濕機出風參數(shù)

由圖7可知，開機后的30 min內(nèi)，除濕機送風的相對濕度及溫度波動很大，30 min后送風溫度和濕度開始下降，大約90 min后溫度和相對濕度都達到穩(wěn)定，溫度為22.5 ℃左右，相對濕度為40%左右。此時送風含濕量為6.8 g/kg，說明除濕機除濕性能良好，可以起到很好的除濕效果。

3.3 空氣源熱泵機組供回水溫度

空氣源熱泵機組供回水溫度如圖8所示。

圖8 風冷熱泵機組供回水溫度

由圖8可知，開機之后熱泵主機的供水溫度和回水溫度迅速下降，大約30 min后供水溫度降至18 ℃，回水溫度降至20 ℃，之后供回水溫度達到穩(wěn)定。由此可知，空氣源熱泵主機性能良好。

3.4 輻射板溫度

輻射墻體內(nèi)部及表面的溫度變化情況如圖9所示。

圖9 輻射側(cè)墻表面及內(nèi)部溫度變化

由圖9可知，初始時刻輻射墻體內(nèi)外溫度均為29 ℃左右，開機之后溫度迅速下降，墻體表面溫度隨著內(nèi)部溫度的變化而變化且具有一定的時間的滯后，2 h之后內(nèi)部溫度降到21 ℃左右達到穩(wěn)定，表面溫度降到21.5 ℃左右并達到穩(wěn)定。

輻射吊頂表面及內(nèi)部溫度變化如圖10所示。由圖10可知，初始時刻輻射吊頂內(nèi)外溫度均為29.5 ℃左右，開機之后溫度迅速下降，輻射吊頂?shù)谋砻鏈囟入S著其內(nèi)部溫度變化而變化，2 h之后內(nèi)部溫度降到22 ℃左右保持穩(wěn)定，表面溫度降到24 ℃左右并保持穩(wěn)定。

圖10 輻射吊頂表面及內(nèi)部溫度變化

輻射墻體內(nèi)外溫差僅為0.5 ℃左右，而輻射吊頂內(nèi)外溫度相差2 ℃左右，可以發(fā)現(xiàn)毛細管網(wǎng)外直接抹灰和刷涂料比使用石膏板輻射板的施工方案引起得溫升小，這是由于石膏的導熱系數(shù)比混凝土小。進行系統(tǒng)設(shè)計時應注意這2種輻射末端的搭配比例是否滿足要求。

3.5 輻射板的結(jié)露情況

露點溫度與輻射吊頂表面溫度的變化情況如圖11所示。

圖11 露點溫度與吊頂表面溫度對比

由圖11可知，初始時刻室內(nèi)溫度及吊頂溫度為28.5 ℃左右，露點溫度為24 ℃，相對濕度為75%左右，開機之后室內(nèi)溫濕度，露點溫度及吊頂表面溫度均開始下降，3 h之后吊頂溫度及室內(nèi)溫度分別降低至24，25 ℃左右并達到穩(wěn)定，而露點溫度和相對濕度則一直降低，經(jīng)過7 h相對濕度降低至47.5%左右，露點溫度降低至13 ℃左右。溫度穩(wěn)定后吊頂表面溫度與室內(nèi)溫度差值始終維持在1 ℃左右，露點溫度始終低于吊頂表面溫度，初始時其差值為4 ℃左右，開機之后其差值逐漸增大，16：11時吊頂表面溫度與室內(nèi)露點溫度差值達到了11 ℃左右。

露點溫度與墻體表面溫度的變化情況如圖12所示。

圖12 露點溫度與墻體表面溫度對比

由圖12可知，初始時刻室內(nèi)溫度及墻體溫度為29 ℃左右，露點溫度為24 ℃，相對濕度為75%左右，開機2 h后墻體溫度降低至22 ℃左右并達到穩(wěn)定，開機3 h后室內(nèi)溫度降至25 ℃左右并達到穩(wěn)定，露點溫度和相對濕度從初始時刻開始一直降低，開機7 h后相對濕度降低至47.5%左右，露點溫度降低至13 ℃左右。溫度到達穩(wěn)定時室內(nèi)溫度與墻體表面溫度相差3 ℃左右，露點溫度與墻體表面溫度初始時刻差值最小，為4 ℃左右，開機之后差值一直增大，16：11時其差值為9 ℃左右。

3.6 室內(nèi)溫度

室內(nèi)溫度主要由1號桿和2號桿上的溫度傳感器記錄，1號桿上溫度分布及變化情況如圖13所示。

圖13 1號桿溫度變化

由13圖可知，初始時刻1號桿的4個測點溫度均為29 ℃左右，開機之后溫度開始迅速下降，經(jīng)過 3 h 后 1.0，1.5，2.0 m 3 個測點溫度降到 26～26.5 ℃之間，0.5 m測點溫度降到25.5 ℃左右，溫度達到穩(wěn)定，1.5 h之后溫度又開始緩慢下降，經(jīng)過2.5 h后 1.0，1.5，2.0 m 3個測點溫度降到 26 ℃左右，0.5 m測點溫度降到25.5 ℃左右，測點位置的高度越高其溫度越高，10：00之前桿上的4個測點溫度值相差不大，10：00之后0.5 m測點溫度與其他3個測點溫度相差0.5 ℃左右，相差2%左右。

2號桿上溫度分布及變化情況如圖14所示。

圖14 2號桿溫度變化

由圖14可看出，初始時2號桿的4個測點溫度均為28.5～29℃之間，開機之后溫度開始迅速下降，經(jīng)過3 h溫度達到穩(wěn)定，1.0 m與2.0 m處測點溫度相差不大，其溫度值均為25.5 ℃左右，1.5 m測點溫度為26 ℃左右，0.5 m測點溫度為26.3 ℃左右，1 h之后溫度又開始緩慢下降，經(jīng)過3 h后1.0 m與2.0 m測點溫度降至25.2 ℃左右，1.5 m測點溫度降為25.5 ℃左右，0.5 m測點溫度為25.8 ℃左右，整體上看，測點位置的高度越高其溫度越低。

4 結(jié)論

（1）雙冷源新風除濕機與輻射板聯(lián)合制冷運行對會議室室內(nèi)環(huán)境進行調(diào)節(jié)可以起到很好的降溫除濕效果，開機2 h左右，室內(nèi)溫度可降至26 ℃左右，同時室內(nèi)相對濕度可降至53%左右，基本滿足了室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，除濕效果與降溫效果顯著。

（2）在雙冷源新風除濕機與輻射板聯(lián)合供冷運行下房間內(nèi)的溫度分布均勻，1號桿和2號桿上下最大溫差為1 ℃左右，由此可知房間豎直方向溫度梯度較小，溫度分布均勻，人體感覺很舒適。

（3）房間內(nèi)輻射墻體和吊頂?shù)谋砻鏈囟仁冀K高于露點溫度，且其最小差值為4 ℃左右，隨著開機時間的延長，輻射板表面溫度與露點溫度的差值不斷增大，因此房間內(nèi)不會出現(xiàn)結(jié)露的風險。

（4）系統(tǒng)穩(wěn)定運行時室內(nèi)除濕機送風口的送風溫度為22.5 ℃左右，相對濕度為40%左右，除濕性能良好。