雙冷源熱回收調(diào)溫型冷卻除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

張龍愛 王傳華 屈清杲 廖永亮

(珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070)

目前我國(guó)建筑運(yùn)行能耗約占全國(guó)總能耗的25%[1]，建筑節(jié)能是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的三大主要任務(wù)之一(工業(yè)節(jié)能、交通節(jié)能、建筑節(jié)能)[2]，而其中大型公共建筑的總面積不足我國(guó)城鎮(zhèn)民用建筑面積的5%，用電量卻占建筑總用電量的25%[3]，因此大型公共建筑節(jié)能高效空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于節(jié)能減排意義重大。

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、舒適、健康的特點(diǎn)，近幾年在機(jī)場(chǎng)航站樓等大型公共建筑中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[4-5]。大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)中，新風(fēng)負(fù)荷在夏季冷負(fù)荷中的占比達(dá)到29%以上[6-7]。因此，新風(fēng)負(fù)荷除濕設(shè)備是溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是降低能耗的重要一環(huán)[8]。目前國(guó)內(nèi)新風(fēng)除濕系統(tǒng)主要采用鹽溶液除濕和冷卻除濕兩種方法，鹽溶液除濕存在體積大、價(jià)格昂貴、具有一定腐蝕性等缺點(diǎn)[9-10]；冷卻除濕系統(tǒng)因技術(shù)成熟、成本較低得到廣泛應(yīng)用；但目前還存在耗電量較高、送風(fēng)溫度較低容易產(chǎn)生濕冷感等問(wèn)題[11]，需要在系統(tǒng)節(jié)能及送風(fēng)溫度控制方面進(jìn)行完善。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種雙冷源熱回收調(diào)溫型冷卻除濕系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行理論分析并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析其可行性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按照溫濕度獨(dú)立控制理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用高溫、低溫兩種冷源對(duì)新風(fēng)顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷分開處理；通過(guò)再熱器對(duì)送風(fēng)進(jìn)行熱回收，達(dá)到節(jié)能及送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)的目的。

1.1.1 風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室外新風(fēng)依次經(jīng)過(guò)預(yù)冷、冷卻除濕、再熱升溫3個(gè)過(guò)程，最后通過(guò)風(fēng)管送到房間內(nèi)。負(fù)責(zé)輸配的送風(fēng)機(jī)采用EC變頻風(fēng)機(jī)，可以根據(jù)新風(fēng)需求調(diào)節(jié)送風(fēng)量。3個(gè)過(guò)程具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 風(fēng)系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of wind system

1)預(yù)冷過(guò)程：新風(fēng)通過(guò)進(jìn)水水溫為16～20 ℃[12]的高溫水盤管(預(yù)冷器)進(jìn)行預(yù)冷，該過(guò)程以顯熱換熱為主。

2)冷卻除濕過(guò)程：預(yù)冷后的空氣進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻除濕，該過(guò)程以潛熱換熱為主。

3)再熱調(diào)溫過(guò)程：除濕后的空氣溫度低，相對(duì)濕度大，通過(guò)再熱器進(jìn)行調(diào)溫，達(dá)到人體舒適性要求的送風(fēng)溫度及相對(duì)濕度。

1.1.2 氟系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氟系統(tǒng)采用蒸氣壓縮式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)原理如圖2所示，具體設(shè)計(jì)方案如下：

圖2 氟系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of refrigerant system

1)壓縮機(jī)：采用變頻設(shè)計(jì)，可以根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

2)冷凝器：為實(shí)現(xiàn)寬范圍調(diào)溫的功能，采用雙冷凝器并聯(lián)設(shè)計(jì)[13-14]，主冷凝器負(fù)責(zé)冷凝散熱，其形式可選用水冷冷凝器、風(fēng)冷冷凝器或水冷冷凝器與預(yù)冷器串聯(lián)3種方案，再熱冷凝器(風(fēng)冷翅片式)負(fù)責(zé)送風(fēng)熱量回收及溫度調(diào)節(jié)。

3)蒸發(fā)器：采用翅片盤管式換熱器，負(fù)責(zé)對(duì)于預(yù)冷后的空氣進(jìn)行冷卻除濕。

4)其他部件：系統(tǒng)采用電子膨脹閥節(jié)流，在壓縮機(jī)吸氣口設(shè)置汽液分離器，防止壓縮機(jī)液擊。

1.1.3 主冷凝器方案優(yōu)選

上述主冷凝器可選用風(fēng)冷冷凝器、水冷冷凝器或水冷冷凝器與預(yù)冷器串聯(lián)3種方案，相應(yīng)的系統(tǒng)原理圖分別如圖3～圖5所示。風(fēng)冷冷凝器采用翅片盤管式結(jié)構(gòu)，通過(guò)室內(nèi)排風(fēng)帶走制冷劑熱量；水冷冷凝器使用滿液式殼管換熱器，進(jìn)出水與冷卻塔連接，通過(guò)冷卻塔帶走制冷劑熱量；水冷冷凝器與預(yù)冷器串聯(lián)的方案，使用高溫冷源冷凍水帶走制冷劑熱量。對(duì)3種冷凝散熱器方案進(jìn)行制冷循環(huán)計(jì)算并進(jìn)行COP對(duì)比，確認(rèn)水冷冷凝器方案為能效最佳方案，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同冷凝散熱方案COP對(duì)比Tab.1 Comparison of COP of different condensation cooling schemes

圖3 風(fēng)冷冷凝系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of the air-cooled condensing system

圖4 水冷冷凝系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of the water-cooled condensing system

圖5 水冷冷凝器與預(yù)冷器串聯(lián)系統(tǒng)原理Fig.5 Principle of the series system of the water-cooled condenser and the pre-cooler

1.2 換熱設(shè)計(jì)計(jì)算

按照十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“公共交通樞紐建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)與示范”課題要求，以某機(jī)場(chǎng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，新風(fēng)量取1.2×104m3/h，具體空氣處理過(guò)程及換熱器換熱過(guò)程設(shè)計(jì)計(jì)算如下。

1.2.1 送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)確定

溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)中的新風(fēng)設(shè)計(jì)送風(fēng)點(diǎn)，是以確保消除房間內(nèi)余濕且保證送風(fēng)舒適度為原則而確定，潘云鋼[15]提出夏季設(shè)計(jì)工況下，新風(fēng)送風(fēng)含濕量ds和送風(fēng)溫度ts應(yīng)滿足表2要求，即ds≤dsmax且ts≥tsmin，其中dN為不同室溫下室內(nèi)含濕量。

表2 不同室溫時(shí)的dN、dsmax和tsminTab.2 dN,dsmax and tsmin at different room temperature

室內(nèi)溫度為18 ℃時(shí)，除濕系統(tǒng)需承擔(dān)的總負(fù)荷(顯熱負(fù)荷和濕負(fù)荷)最大，故將室內(nèi)溫度18 ℃對(duì)送風(fēng)溫度和含濕量的要求作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即空調(diào)設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)工況35/27 ℃條件下，送風(fēng)含濕量目標(biāo)值為7.5 g/(kg干空氣)，送風(fēng)溫度目標(biāo)值為15 ℃。

1.2.2 換熱量計(jì)算

1)再熱量

該過(guò)程為等濕升溫過(guò)程，顯熱換熱，換熱量計(jì)算：

Q再熱=cM(ts-tw2)/1 000

(1)

式中：Q再熱為再熱量，kW；c為空氣比熱容，J/(kg·℃)；M為空氣的質(zhì)量流量，kg/s；ts、tw2分別為送風(fēng)點(diǎn)及蒸發(fā)器出口點(diǎn)的溫度，℃。

蒸發(fā)器出口點(diǎn)的相對(duì)濕度按照機(jī)器露點(diǎn)相對(duì)濕度取值，因含濕量在前文已分析確定，故該點(diǎn)的溫度值可以相應(yīng)得出。

2)預(yù)冷器換熱器

室外溫度點(diǎn)按照標(biāo)準(zhǔn)工況35/27 ℃，露點(diǎn)溫度為24.33 ℃；預(yù)冷器按照進(jìn)水16 ℃、出水21 ℃設(shè)計(jì)，因進(jìn)水溫度低于露點(diǎn)溫度，其換熱過(guò)程以顯熱為主，伴隨小部分的潛熱換熱，按照預(yù)冷至21.3 ℃進(jìn)行設(shè)計(jì)，換熱量計(jì)算[16]：

Q預(yù)冷=M(hw-hw1)

(2)

式中：Q預(yù)冷為預(yù)冷器換熱量，kW；hw、hw1分別為新風(fēng)、預(yù)冷后狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg。

3)除濕蒸發(fā)器換熱量

根據(jù)上面計(jì)算，可以得出預(yù)冷后空氣狀態(tài)點(diǎn)，除濕蒸發(fā)器換熱量計(jì)算：

Q蒸發(fā)=M(hw1-hw2)

(3)

式中：Q蒸發(fā)為蒸發(fā)器換熱量，kW；hw2為蒸發(fā)器出口狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg。

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，可得出各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)及3個(gè)換熱器需求的換熱量，計(jì)算結(jié)果如表3所示。得出空氣處理過(guò)程各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)如圖6所示，室外新風(fēng)(W)先經(jīng)過(guò)預(yù)冷器進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷后的空氣(W1)進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻除濕，再將空氣由(W2)點(diǎn)通過(guò)再熱處理至(S)點(diǎn)。

圖6 空氣處理過(guò)程Fig.6 Air treatment process

表3 空氣處理狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)及換熱量計(jì)算結(jié)果Tab.3 Air treatment state point parameters and heat exchange calculation results

2 送風(fēng)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍及能效實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)計(jì)算可以確定，通過(guò)預(yù)冷、除濕及再熱的過(guò)程，可以將送風(fēng)控制在需要的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；采用雙冷源、水冷冷凝散熱器及熱回收再熱器等方案，可以使系統(tǒng)能效比達(dá)到最佳。為驗(yàn)證實(shí)際可以達(dá)到的效果，進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試，對(duì)送風(fēng)參數(shù)及能效比進(jìn)行確認(rèn)。

2.1 樣機(jī)情況及實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)換熱需求，對(duì)設(shè)備元器件進(jìn)行選型，具體元器件配置如表4所示。為驗(yàn)證不同室內(nèi)溫度要求下送風(fēng)參數(shù)及能效，設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案如表5所示。

表4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)配置表Tab.4 Test prototype configuration table

表5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試工況Tab.5 Test conditions of the test prototype

2.2 實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)在空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室通過(guò)了國(guó)家認(rèn)可機(jī)構(gòu)CNAS的認(rèn)證審查。實(shí)驗(yàn)裝置依據(jù)GB/T 17758—2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[17]采用空氣焓差法測(cè)試。

Q=qmi(ha1-ha2)/[V′n(1+Wn)]

(4)

式中：Q為制冷量，kW；qmi為風(fēng)量，m3/s；ha1、ha2分別為進(jìn)、送風(fēng)焓值，kJ/kg；V′n為嘴前空氣的比體積，m3/kg；Wn為噴嘴前絕對(duì)含濕量。

實(shí)驗(yàn)間設(shè)備及被測(cè)樣機(jī)布置如圖7所示，測(cè)試照片如圖8所示。被測(cè)樣機(jī)連接風(fēng)量測(cè)量裝置和水管，實(shí)驗(yàn)室通過(guò)開啟空氣處理機(jī)組(包括循環(huán)風(fēng)機(jī)和換熱盤管、除濕盤管、加濕器、電加熱)來(lái)平衡風(fēng)量箱排出的冷風(fēng)，保持室內(nèi)環(huán)境條件，水系統(tǒng)通過(guò)變頻水泵調(diào)節(jié)水流量，冷卻水經(jīng)過(guò)冷卻水箱，通過(guò)板式換熱器與實(shí)驗(yàn)室工況機(jī)組進(jìn)行能量交換，達(dá)到調(diào)節(jié)冷卻水溫的目的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)電腦采集記錄，機(jī)組運(yùn)行工況達(dá)到穩(wěn)定后，連續(xù)運(yùn)行2 h，通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控軟件等距取7組測(cè)試數(shù)據(jù)，取平均值作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的測(cè)量結(jié)果。

圖7 制冷量測(cè)試裝置原理Fig.7 Principle of refrigeration capacity test device

圖8 樣機(jī)測(cè)試Fig.8 Prototype test

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 壓縮機(jī)頻率對(duì)送風(fēng)參數(shù)的影響

為使送風(fēng)參數(shù)滿足舒適性要求，將送風(fēng)溫度及濕度控制在合理范圍內(nèi)，可以通過(guò)制冷系統(tǒng)及預(yù)冷水系統(tǒng)兩方面的調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。

制冷系統(tǒng)方面，壓縮機(jī)頻率決定制冷系統(tǒng)質(zhì)量流量，其調(diào)節(jié)可改變送風(fēng)溫度。根據(jù)表5中的工況，預(yù)冷器水流量為18.3 m3/h，在40～65 Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率，可得出不同風(fēng)量下機(jī)組送風(fēng)溫度和送風(fēng)含濕量隨壓縮機(jī)頻率變化情況，結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知，送風(fēng)溫度隨壓縮機(jī)頻率的升高呈先下降后上升的趨勢(shì)，不同風(fēng)量下最低送風(fēng)溫度所對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)頻率不同；送風(fēng)含濕量隨壓縮機(jī)頻率的升高呈下降趨勢(shì)，且風(fēng)量越大出風(fēng)含濕量越高。

圖9 壓縮機(jī)頻率對(duì)送風(fēng)溫度的影響Fig.9 Effect of compressor frequency on supply air temperature

圖10 壓縮機(jī)頻率對(duì)送風(fēng)含濕量的影響Fig.10 Effect of compressor frequency on supply air humidity ratio

2.3.2 預(yù)冷器水流量對(duì)送風(fēng)參數(shù)的影響

預(yù)冷水系統(tǒng)方面，通過(guò)水流量調(diào)節(jié)，可使預(yù)冷量發(fā)生改變，進(jìn)而影響出風(fēng)參數(shù)。在表5工況下，設(shè)定壓縮機(jī)頻率為55 Hz，維持預(yù)冷器進(jìn)水溫度為16 ℃，通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)冷器水流量分別為0、2.3、4.6、9.2、18.3 m3/h，可得出不同風(fēng)量下機(jī)組送風(fēng)溫度和送風(fēng)含濕量隨預(yù)冷量的變化情況，結(jié)果如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可知，送風(fēng)溫度和送風(fēng)含濕量均隨預(yù)冷器換熱量的增加而降低。

圖11 預(yù)冷器水流量對(duì)送風(fēng)溫度的影響Fig.11 Effect of water flow inside cooling coils on supply air temperature

圖12 預(yù)冷器水流量對(duì)送風(fēng)含濕量的影響Fig.12 Effect of water flow inside cooling coils on supply air humidity ratio

2.3.3 送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)可行性驗(yàn)證及分析

根據(jù)壓縮機(jī)頻率和預(yù)冷器水流量對(duì)送風(fēng)參數(shù)的影響，按不同室溫下對(duì)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的要求，調(diào)節(jié)樣機(jī)送風(fēng)參數(shù)，確認(rèn)樣機(jī)對(duì)送風(fēng)參數(shù)的調(diào)節(jié)能力。

按照表5調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)工況及冷卻水進(jìn)水工況，樣機(jī)測(cè)試時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)量、節(jié)流電子膨脹閥步數(shù)、壓縮機(jī)頻率及預(yù)冷器水流量，使送風(fēng)溫度和含濕量達(dá)到表5要求，結(jié)果如圖13所示。

當(dāng)室溫低于22 ℃時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率、節(jié)流電子膨脹閥步數(shù)或新風(fēng)量，可使送風(fēng)參數(shù)達(dá)到要求；當(dāng)室溫高于23 ℃時(shí)，需通過(guò)預(yù)冷器水流量控制出風(fēng)參數(shù)達(dá)到要求。

圖13中的AK線即為前述送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的限值，機(jī)組實(shí)測(cè)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)均在AK線以上，說(shuō)明該系統(tǒng)可以適應(yīng)不同室溫下調(diào)溫和除濕的需求。

圖13 送風(fēng)參數(shù)調(diào)節(jié)Fig.13 Parameter setting of supply air

2.3.4 系統(tǒng)能效情況驗(yàn)證及分析

與2.3.3測(cè)試過(guò)程相同，對(duì)機(jī)組制冷量及輸入功率進(jìn)行記錄，其中制冷量由進(jìn)、送風(fēng)的焓差得出，包括預(yù)冷器換熱量、蒸發(fā)器換熱量、扣除再熱量，輸入功率為壓縮機(jī)功率。樣機(jī)能效值計(jì)算[18]：

(5)

式中：Q為測(cè)試的制冷量，kW；N1為測(cè)試功率及壓縮機(jī)功耗，kW；N2為水冷冷凝器的冷卻水泵和冷卻塔功耗，kW，按照每300 W制冷量增加10 W計(jì)算；N3為預(yù)冷水盤管制冷折合電耗，kW，按照冷水系統(tǒng)的COP為9.5計(jì)算(16/21 ℃高溫冷源)。

按照上式計(jì)算，可得到樣機(jī)在適應(yīng)不同調(diào)溫和除濕需求下的COP，與常規(guī)冷卻除濕系統(tǒng)的COP對(duì)比，如圖14所示。由圖14可知，機(jī)組能效為4.21～6.99，在室溫21 ℃時(shí)達(dá)到最高，相對(duì)常規(guī)冷卻除濕系統(tǒng)能效提高0～93.6%[19]，室溫越低能效提高越顯著。

圖14 能效對(duì)比Fig.14 Comparison of COP

3 結(jié)論

針對(duì)公共交通建筑對(duì)能耗和送風(fēng)品質(zhì)的要求，提出一種雙冷源熱回收調(diào)溫型冷卻除濕系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1)通過(guò)雙冷源、雙冷凝器以及雙變流量設(shè)計(jì)，可有效提升機(jī)組整體能效；基于高溫冷源COP為9.5的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的能效相對(duì)普通冷卻除濕系統(tǒng)提升幅度最高可達(dá)93.6%。

2)通過(guò)合理的熱回收再熱冷凝器設(shè)計(jì)，調(diào)溫型除濕機(jī)可以解決送風(fēng)溫度較低而產(chǎn)生濕冷感的問(wèn)題，在不同含濕量下，調(diào)溫能力可以滿足舒適性送風(fēng)要求，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，送風(fēng)溫度最高可調(diào)至25.0 ℃。

3)該系統(tǒng)中再熱器與冷凝散熱器為并聯(lián)設(shè)計(jì)，該方案提高了送風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)能力[20]，但同時(shí)系統(tǒng)過(guò)冷度降低，最終影響系統(tǒng)能效。后續(xù)可以對(duì)兩個(gè)冷凝器的連接方式進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高系統(tǒng)能效。