不同除濕方式戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)能耗研究*

中國建筑科學(xué)研究院有限公司 李 娜 王永紅 張 欽 黃 濤

0 引言

輻射空調(diào)系統(tǒng)由于具有較高的舒適性，越來越受到市場(chǎng)的青睞。目前，集中式輻射空調(diào)+置換新風(fēng)技術(shù)應(yīng)用于新建住宅小區(qū)的項(xiàng)目在國內(nèi)為數(shù)不少且頗受好評(píng)。此外，隨著新建住宅項(xiàng)目的減少，如何將輻射空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于改造項(xiàng)目也成為了行業(yè)人員亟需解決的問題。戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)可以應(yīng)用于有戶式空調(diào)需求的改造項(xiàng)目及新建建筑。近些年來，國內(nèi)戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸增多，大家也比較關(guān)心戶式輻射空調(diào)的能耗問題[1]，但是相關(guān)研究及數(shù)據(jù)對(duì)比較少。不同的新風(fēng)除濕方式對(duì)熱泵、新風(fēng)機(jī)及輸配設(shè)備的要求不同，從而決定了戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)的能耗水平不同。輻射空調(diào)系統(tǒng)中采用的新風(fēng)除濕技術(shù)主要有以下5種：冷水式除濕、制冷劑直膨式除濕、雙冷源除濕、溶液除濕、轉(zhuǎn)輪除濕。在保證舒適度的前提下，這幾種除濕方式，哪一種更節(jié)能，更適用于戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)，是本文研究的主要問題。

1 戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)的不同除濕方式

冷水式除濕是利用通有低溫水的冷卻盤管(表冷器)對(duì)新風(fēng)進(jìn)行除濕，其基本原理是利用低溫水把空氣溫度冷卻降低到低于其露點(diǎn)溫度，空氣中的水分凝結(jié)，從而達(dá)到除濕的目的[2]。冷水式除濕是一種簡(jiǎn)單、可靠的除濕方式。制冷劑直膨式除濕是采用制冷劑直接蒸發(fā)降溫，對(duì)新風(fēng)進(jìn)行除濕的空氣處理方式[3]，類似于家用空調(diào)機(jī)的原理。雙冷源除濕是新風(fēng)除濕需要的制冷量由2種不同溫度的冷源承擔(dān)[4]，其實(shí)現(xiàn)的形式呈現(xiàn)多樣化，且在實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用的同時(shí)，尋求新風(fēng)機(jī)組更大的節(jié)能空間[5]。

溶液除濕是利用吸濕性溶液能夠吸收空氣中水分的特性對(duì)空氣除濕的方法。溶液除濕裝置分成2個(gè)部分：吸收部和再生部。轉(zhuǎn)輪除濕是利用固體吸附材料能夠吸收空氣中水分的特性對(duì)空氣除濕的方法。轉(zhuǎn)輪除濕也需要高溫再生段。對(duì)于戶式空調(diào)系統(tǒng)，不方便使用太陽能、地?zé)崮艿鹊推肺荒茉磥頋M足再生需求，而以高品位的電能來滿足再生需求則導(dǎo)致新風(fēng)除濕系統(tǒng)能耗增加[6]。同時(shí)，溶液除濕和轉(zhuǎn)輪除濕設(shè)備戶式化、小型化的技術(shù)復(fù)雜、成本較高?？梢?，現(xiàn)階段溶液除濕和轉(zhuǎn)輪除濕方式不適用于戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)。

本文以同一實(shí)際建筑為例，針對(duì)采用冷水式除濕、制冷劑直膨式除濕、雙冷源除濕的戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行對(duì)比研究。

2 建筑概況及設(shè)備選型

2.1 建筑概述及冷負(fù)荷情況

位于北京的某節(jié)能住宅樣板間，戶內(nèi)面積為121 m2，層高為2.8 m2，外墻及屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.1 W/(m2·K)，外窗傳熱系數(shù)為0.6 W/(m2·K)，遮陽系數(shù)為0.5。建筑平面如圖1所示。

圖1 某節(jié)能居住建筑平面圖

空調(diào)系統(tǒng)末端采用吊頂輻射板+地面新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)量為300 m3/h。

通過計(jì)算，初步確定空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷為8.1 kW(其中輻射系統(tǒng)負(fù)荷為3.0 kW，新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷為5.1 kW)。

2.2 不同除濕方式空調(diào)系統(tǒng)原理及設(shè)備選型

2.2.1 冷水式除濕

新風(fēng)機(jī)組要求冷源側(cè)提供7 ℃的低溫冷水，所以空氣源熱泵機(jī)組出水溫度需要設(shè)定為7 ℃。用板式換熱器制取輻射系統(tǒng)所需的17 ℃的高溫冷水，板式換熱器二次側(cè)水溫的調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為17～20 ℃；系統(tǒng)有2個(gè)水環(huán)路，需要一次冷水水泵和二次輻射用水泵。新風(fēng)機(jī)組中未設(shè)置熱回收段，新風(fēng)處理過程為冷卻降溫除濕。原理如圖2所示，設(shè)備選型情況見表1。

圖2 冷水式除濕方式原理圖

表1 冷水式除濕方式主要設(shè)備選型

2.2.2 制冷劑直膨式除濕

新風(fēng)與除濕用空氣源熱泵內(nèi)的制冷劑直接換熱，不需要水作為中間媒介；輻射用空氣源熱泵可以直接出高溫冷水，高溫冷水的溫度調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為17～20 ℃，直接供給輻射末端用；系統(tǒng)僅有一個(gè)水環(huán)路，僅需要輻射用水泵。新風(fēng)機(jī)組中未設(shè)置熱回收段。新風(fēng)處理過程為冷卻降溫除濕。原理如圖3所示，設(shè)備選型情況見表2。

2.2.3 雙冷源除濕

圖3 制冷劑直膨式除濕方式原理圖

表2 制冷劑直膨式除濕方式主要設(shè)備選型

新風(fēng)機(jī)組內(nèi)部有壓縮機(jī)，可以通過自身的壓縮機(jī)制取低溫冷水來達(dá)到低溫除濕的目的，所以對(duì)一次側(cè)的水溫要求不高?？諝庠礋岜每梢韵螂p冷源新風(fēng)機(jī)組及輻射末端提供溫度一致的水冷冷源?？諝庠礋岜玫某鏊疁囟日{(diào)節(jié)范圍設(shè)定為17～20 ℃；雙冷源新風(fēng)機(jī)組利用溫度較高的水預(yù)冷新風(fēng)；自帶壓縮機(jī)，可以深度除濕；并回收部分冷凝熱對(duì)低溫低濕的空氣再熱，向室內(nèi)提供溫度適宜、濕度低的新風(fēng)，避免了低溫送風(fēng)產(chǎn)生的不舒適感；系統(tǒng)水環(huán)路所需水溫一致，僅需要一個(gè)空氣源熱泵用水泵。新風(fēng)機(jī)組僅有冷凝回收段，無回風(fēng)熱回收段。與前2種除濕方式相比，新風(fēng)在冷卻降溫除濕后，還經(jīng)歷了冷凝熱回收的等濕升溫過程。雙冷源新風(fēng)機(jī)組有預(yù)冷和冷凝熱回收段，減少了一部分壓縮機(jī)能耗，但是由于相應(yīng)的風(fēng)機(jī)能耗、水泵能耗都有所增加[7]，整機(jī)COP不會(huì)太高。本文采用的雙冷源新風(fēng)機(jī)組額定狀態(tài)參數(shù)為某廠家提供的實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)。雙冷源除濕方式原理如圖4所示，設(shè)備選型情況見表3。

圖4 雙冷源除濕方式原理圖

3 系統(tǒng)模型的建立與模擬

3.1 模型建立

表3 雙冷源除濕方式主要設(shè)備選型

采用模塊化的仿真軟件TRNSYS對(duì)戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。首先，采用TRNBuild建立建筑模型，并生成type56建筑模塊，此模塊中已經(jīng)包含輻射系統(tǒng)末端(輻射板)系統(tǒng)，只需要在外部輸入輻射系統(tǒng)的水量、水溫即可。然后，在TRNSYS Studio中引入建筑模塊(type65)、空氣源熱泵模塊(type665)、冷水除濕模塊(type508)、板式換熱器模塊(type657)、風(fēng)冷直膨式除濕模塊(type665)、水冷機(jī)組模塊(type666)等，按照實(shí)際建筑及設(shè)備選型情況設(shè)定模塊的內(nèi)部參數(shù)，并建立各個(gè)模塊之間的聯(lián)系。

模型采用北京的室外氣象參數(shù)。室外溫度、水溫、水量、風(fēng)溫的變化都會(huì)影響空氣源熱泵的性能，實(shí)際制冷能力、功率會(huì)隨之變化。本文采用TRNSYS軟件中的空氣源熱泵模塊、風(fēng)冷直膨式除濕模塊、冷水除濕模塊自帶的性能參數(shù)文件。當(dāng)風(fēng)溫、水溫等參數(shù)變化時(shí)，模型自動(dòng)模擬出相應(yīng)的制冷量、功率等。

建立了冷水式除濕、制冷劑直膨式除濕、雙冷源除濕3種方式下的戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)的TRNSYS模型。圖5為雙冷源除濕方式的TRNSYS模型示意圖。

圖5 雙冷源除濕方式的TRNSYS模型示意圖

3.2 模擬結(jié)果分析

對(duì)冷水式除濕、制冷劑直膨式除濕、雙冷源除濕3種方式的戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，模擬時(shí)段為6月1日至8月31日，全天制冷。系統(tǒng)耗電量及室內(nèi)溫度情況如圖6、7所示。

圖6 3種除濕方式耗電量比較

圖7 3種除濕方式室內(nèi)溫度比較

1) 采用制冷劑直膨式除濕方式時(shí)，輻射用熱泵出水直接進(jìn)輻射末端，新風(fēng)除濕用熱泵直接出低溫風(fēng)，使得該方式的系統(tǒng)能耗較低；風(fēng)溫、水溫控制較好的情況下，容易達(dá)到較低的室內(nèi)環(huán)境溫度。

2) 采用雙冷源除濕方式時(shí)，由于雙冷源新風(fēng)機(jī)組有冷凝回收再熱功能，送風(fēng)溫度較冷水式及制冷劑直膨式高，使得空調(diào)房間室內(nèi)溫度略高于冷水式除濕方式；空氣源熱泵可以直接出高溫水，熱泵的耗電量相對(duì)較少，同時(shí)新風(fēng)機(jī)組預(yù)熱及冷凝熱回收功能也會(huì)減少一定的電量消耗。

針對(duì)本建筑情況，按照電價(jià)0.5元/(kW·h)計(jì)算，冷水式除濕輻射空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行費(fèi)用為24.7元/m2，制冷劑直膨式除濕輻射空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行費(fèi)用為18.4元/m2，雙冷源除濕輻射空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行費(fèi)用為20.3元/m2。制冷劑直膨式除濕方式較冷水式除濕方式能耗低約15%，較雙冷源除濕方式低約10%。

以上3種除濕方式的模型室內(nèi)設(shè)定溫度均為26 ℃，但是實(shí)際運(yùn)行下來室內(nèi)溫度有所差異。通過調(diào)整模型設(shè)定參數(shù)使得室內(nèi)溫度較為一致時(shí)，制冷劑直膨式除濕方式系統(tǒng)能耗相對(duì)更低(18.0元/m2)，雙冷源除濕能耗(20.3元/m2)仍低于冷水式除濕方式(24.6元/m2)。

需要說明的是，軟件模擬結(jié)果是對(duì)水溫、風(fēng)溫的控制較為理想狀態(tài)下的結(jié)果。而實(shí)際上由于制冷劑除濕方式時(shí)機(jī)組的換熱效率高、速度快，出風(fēng)溫度很難控制，會(huì)出現(xiàn)出風(fēng)溫度較低且波動(dòng)大的情況，影響空調(diào)的舒適性效果。而水冷式除濕時(shí)，機(jī)組換熱效率相對(duì)低，但出風(fēng)溫度可以控制得比較平穩(wěn)，有利于空調(diào)舒適性的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

1) 采用冷水式除濕的戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)同時(shí)需要低溫冷水和高溫冷水(需要一次和二次水泵)，空氣源熱泵出水溫度較低，這些方面都不利于系統(tǒng)的節(jié)能。

2) 采用制冷劑直膨式除濕的戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)僅需要一個(gè)輻射循環(huán)泵，空氣源熱泵直接出高溫冷水，新風(fēng)直接采用制冷劑直膨除濕，換熱效率高，從而較為節(jié)能。

3) 采用雙冷源除濕的戶式輻射空調(diào)系統(tǒng)僅需要輻射循環(huán)泵，新風(fēng)機(jī)組有冷凝熱回收功能，可以對(duì)低溫新風(fēng)進(jìn)行再熱，避免了送風(fēng)溫度低引起的不舒適感。但是由于二次壓縮機(jī)的存在，使得能耗相對(duì)制冷劑直膨式除濕還是高一些。

4) 在保證除濕及溫度控制效果穩(wěn)定、設(shè)備可靠的前提下，制冷劑直膨式除濕方式節(jié)能性較好。