毛細(xì)管側(cè)墻與雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及供冷實(shí)驗(yàn)研究

上海工程技術(shù)大學(xué) 曹 振 傅允準(zhǔn)

0 引言

傳統(tǒng)對(duì)流式空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在對(duì)流吹風(fēng)感強(qiáng)、風(fēng)機(jī)盤管的噪聲大等問題[1-2]。隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求越來越高，傳統(tǒng)空調(diào)已經(jīng)無法滿足用戶需求，同時(shí)高能耗傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)不符合可持續(xù)發(fā)展的理念，而輻射空調(diào)系統(tǒng)由于其節(jié)能性好與舒適性高的特點(diǎn)越來越受到人們的青睞。

輻射空調(diào)系統(tǒng)問世后，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，成果顯著[3]。侯波等人通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)供水溫度對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)的換熱量影響較大，而供水速度對(duì)其影響很小[4]。劉前龍通過模擬研究發(fā)現(xiàn)帶有空氣層的毛細(xì)管輻射吊頂?shù)幕厮疁囟茸兓^小，而石膏層毛細(xì)管輻射吊頂?shù)幕厮疁囟茸兓^大[5]。張哲經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管網(wǎng)吊頂、側(cè)墻和地板3種不同輻射末端供冷的舒適性差異不大[6]。吳子恒利用Fluent研究了管間距和管內(nèi)流速等因素對(duì)毛細(xì)管換熱量的影響[7]。陳劍波等人研發(fā)了一種適用于長江流域地區(qū)全年除濕需求的新風(fēng)控溫除濕機(jī)組[8]。陳思豪等人針對(duì)常規(guī)轉(zhuǎn)輪除濕再生能耗高和除濕溫升大的缺點(diǎn)，提出了一種熱力完善度更高的低溫驅(qū)動(dòng)雙轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)[9]。李鵬魁等人開發(fā)了一種新型的兩級(jí)新風(fēng)除濕機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)研究了該除濕機(jī)與輻射地板聯(lián)合供暖的運(yùn)行特性，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)供暖效果良好且室內(nèi)溫度分布均勻，舒適性較高[10]。李剛等人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)采用輻射空調(diào)系統(tǒng)的房間內(nèi)溫度分布更均勻、熱舒適性更高[11]。Bassuoni研發(fā)了一種使用兩級(jí)液體干燥劑的兩級(jí)空氣干燥機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其除濕能力比單級(jí)干燥機(jī)提高48.9%[12]。Kabeel等人通過實(shí)驗(yàn)研究了一種新型除濕機(jī)的性能，該除濕機(jī)的平均除濕能力達(dá)到了10.2 g/kg[13]。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對(duì)輻射毛細(xì)管和新風(fēng)除濕機(jī)都做了大量的研究，然而對(duì)于毛細(xì)管側(cè)墻與雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)聯(lián)合供冷在會(huì)議室的應(yīng)用研究較少，為此，筆者以上海市某公司會(huì)議室為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套毛細(xì)管側(cè)墻與雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的輻射空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)對(duì)流式空調(diào)系統(tǒng)相比，可以將室內(nèi)溫度與濕度分開獨(dú)立控制，此外，墻面輻射末端調(diào)節(jié)溫度可使豎直方向溫度梯度更小，雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)比普通除濕機(jī)的除濕效果更佳。針對(duì)該系統(tǒng)的供冷運(yùn)行特性進(jìn)行了測(cè)試研究，其結(jié)果為輻射空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用提供了一定的補(bǔ)充，同時(shí)也為輻射空調(diào)系統(tǒng)在辦公室的應(yīng)用提供了一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)房間

上海市松江區(qū)某公司1層的會(huì)議室，長7.3 m、寬5.8 m、高3.0 m，吊頂采用石膏板，東墻和北墻為內(nèi)墻，西墻和南墻為外墻，外窗位于西墻和南墻上，東墻、北墻、西墻、南墻及外窗的面積分別為21.9、17.4、18.8、12.9、7.5 m2，會(huì)議室內(nèi)可容納人數(shù)為8人。房間內(nèi)毛細(xì)管輻射末端布置在東墻和西墻，采用地板送風(fēng)與頂板排風(fēng)的方式，房間模型如圖1所示。

圖1 會(huì)議室模型

2 負(fù)荷計(jì)算及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 房間負(fù)荷計(jì)算

房間為會(huì)議室，其室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)滿足GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

房間所用空調(diào)系統(tǒng)為毛細(xì)管側(cè)墻與雙源新風(fēng)除濕機(jī)結(jié)合的輻射空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷主要由輻射毛細(xì)管末端承擔(dān)，其余顯熱冷負(fù)荷、潛熱冷負(fù)荷及濕負(fù)荷均由雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)承擔(dān)，輻射空調(diào)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 輻射空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2.2 輻射末端設(shè)計(jì)

采用3.5 mm×0.5 mm的PPR毛細(xì)管，輻射末端為抹灰形式的毛細(xì)管輻射側(cè)墻，其布置方式為先在磚墻面鋪設(shè)一層保溫層，保溫層的材料為絕熱擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)，然后在保溫層外鋪設(shè)石膏板，再后將毛細(xì)管網(wǎng)固定在石膏板上，最后在毛細(xì)管網(wǎng)表面敷設(shè)一層厚度為5 mm左右的抹灰。輻射側(cè)墻的結(jié)構(gòu)如圖3所示。抹灰層下的毛細(xì)管網(wǎng)由毛細(xì)管席并聯(lián)而成，毛細(xì)管席并聯(lián)圖見圖4。

圖3 毛細(xì)管施工圖

圖4 毛細(xì)管席并聯(lián)圖

采用抹灰安裝代號(hào)為R21的毛細(xì)管末端輻射供冷。設(shè)定夏季制冷工況的輻射末端的供/回水溫度為15 ℃/18 ℃。由室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26 ℃可知，輻射末端高溫冷水溫度的平均值與室內(nèi)溫度的差值為9.5 ℃，根據(jù)圖5[14]查得抹灰輻射板的供冷能力為85 W/m2。

圖5 墻面供冷能力[14]

毛細(xì)管輻射側(cè)墻的最大布置面積為19.06 m2，所以由毛細(xì)管承擔(dān)的顯熱冷負(fù)荷為1 620 W，新風(fēng)需承擔(dān)的顯熱和潛熱冷負(fù)荷為1 608 W。

2.3 新風(fēng)匹配計(jì)算

由上文可知，新風(fēng)承擔(dān)的顯熱冷負(fù)荷和潛熱冷負(fù)荷為1 608 W，承擔(dān)濕負(fù)荷為0.71 kg/h，即0.197 g/s，熱濕比ε的計(jì)算公式為

(1)

式中QL為新風(fēng)承擔(dān)顯熱和潛熱冷負(fù)荷，W；W為室內(nèi)濕負(fù)荷，g/s。

由式(1)計(jì)算得，ε=8 162 J/g。

在焓濕圖上確定室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)N，通過該點(diǎn)畫出ε=8 162 J/g的熱濕比線，取送風(fēng)溫度為15 ℃，則可以確定新風(fēng)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O的狀態(tài)參數(shù)。室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)N和送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O的狀態(tài)參數(shù)如表2所示。

表2 室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)及送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

消除濕負(fù)荷所需風(fēng)量G1為

(2)

式中dN為室內(nèi)空氣含濕量，g/kg；dO為送風(fēng)含濕量，g/kg。

計(jì)算得，G1=0.09 kg/s。

承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷所需風(fēng)量G2為

(3)

式中hN為室內(nèi)空氣的比焓，kJ/kg；hO為送風(fēng)新風(fēng)比焓，kJ/kg。

計(jì)算得，G2=0.09 kg/s。

消除濕負(fù)荷與承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷所需風(fēng)量相同，說明計(jì)算無誤。26 ℃時(shí)空氣密度為1.2 kg/m3，則所需新風(fēng)體積流量V為

(4)

式中G為新風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

計(jì)算得，V=270 m3/h。

人均新風(fēng)量為33.75 m3/h，GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，公共建筑辦公室設(shè)計(jì)每人最小新風(fēng)量為30 m3/h，所以設(shè)計(jì)風(fēng)量能夠滿足人均新風(fēng)要求。

2.4 設(shè)備選型

目前常用的除濕方式為轉(zhuǎn)輪除濕、溶液除濕和冷凝除濕，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)體積比較大，功耗也比較高，溶液除濕的鹽粒子可能會(huì)進(jìn)入室內(nèi)損害人體健康，冷凝除濕機(jī)體積小、功耗較低，除濕效果好，故采用雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)。根據(jù)表1可知，總濕負(fù)荷為0.71 kg/h，總新風(fēng)量不低于240 m3/h，選擇的雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)新風(fēng)量為300 m3/h，送風(fēng)機(jī)功率為120 W，總功率為646 W，除濕能力為4.9 kg/h。

雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由圖6可知，雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)內(nèi)部主要由過濾段、表冷段、再熱段、濕膜加濕段及送風(fēng)段組成。室外新風(fēng)經(jīng)過全熱換熱器后溫度降至30 ℃左右，經(jīng)過雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)內(nèi)的表冷段后溫度降至22 ℃左右，然后進(jìn)入直膨式蒸發(fā)器，利用氟利昂制冷進(jìn)行深度除濕，經(jīng)過除濕段后其溫度為8.9 ℃左右，含濕量為7 g/kg左右，經(jīng)過風(fēng)冷式冷凝器再熱后溫度達(dá)到15 ℃左右，最后被送入室內(nèi)，濕膜加濕段不啟動(dòng)。

上海屬于夏熱冬冷地區(qū)，為滿足辦公樓夏季供冷、冬季供暖需要，選用空氣源熱泵式冷(熱)水機(jī)組，本系統(tǒng)的主機(jī)選用空氣源熱泵主機(jī)，主要承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷、新風(fēng)預(yù)冷負(fù)荷、除濕機(jī)內(nèi)部的冷凝負(fù)荷，所選空氣源熱泵主機(jī)名義制冷量為9.5 kW，COP為2.63，額定水流量為1.63 m3/h。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 測(cè)試內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)儀器

本次實(shí)驗(yàn)主要目的是測(cè)試毛細(xì)管側(cè)墻與雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)運(yùn)行下室內(nèi)的溫度分布及變化情況、室內(nèi)相對(duì)濕度的變化情況、毛細(xì)管側(cè)墻表面的結(jié)露狀況及除濕機(jī)的除濕性能。測(cè)試溫度分布的Pt100溫度傳感器布置在3個(gè)桿上，并將這3個(gè)桿進(jìn)行編號(hào)，每根桿上分別在0.5、1.0、1.5、2.0 m高度布置1個(gè)溫度傳感器，桿上傳感器的布置及桿在房間內(nèi)的位置分別如圖7、8所示，在室內(nèi)中心處放置1臺(tái)溫濕度計(jì)用于測(cè)試室內(nèi)相對(duì)濕度變化，同時(shí)還在室外和室內(nèi)送風(fēng)口處各放置1臺(tái)溫濕度計(jì)，用于測(cè)試除濕機(jī)性能。

圖7 豎直方向溫度測(cè)點(diǎn)布置

圖8 水平方向溫度測(cè)點(diǎn)布置

本次實(shí)驗(yàn)所使用的儀器主要有Pt100溫度傳感器(精度為±0.1 ℃)、數(shù)據(jù)采集器、溫濕度計(jì)(精度為±0.1 ℃、±2%)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)及溫度傳感器布置桿。

本次測(cè)試日期為2019年7月25日，時(shí)間為09：00—16:00。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1室外溫度和濕度

室外環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度的變化如圖9所示。

圖9 室外溫度和相對(duì)濕度變化

由圖9可知，初始時(shí)刻室外環(huán)境的溫度為32.5 ℃，相對(duì)濕度為75%左右，約3 h后溫度升高至37 ℃，相對(duì)濕度降低至55%左右，此后溫度逐漸降低，而相對(duì)濕度則逐漸升高，約6 h后相對(duì)濕度達(dá)到78%左右，溫度則降低至32 ℃左右。

3.2.2熱泵主機(jī)供回水溫度

空氣源熱泵主機(jī)供回水溫度變化如圖10所示。

圖10 熱泵主機(jī)供回水溫度變化

由圖10可知，開機(jī)40 min左右，空氣源熱泵主機(jī)的供水溫度就達(dá)到了15 ℃，開機(jī)1 h后主機(jī)的供回水溫度波動(dòng)幅度均小于1 ℃，基本達(dá)到了穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)供水溫度為15.6 ℃，回水溫度為18.5 ℃,比輻射末端的設(shè)計(jì)供/回水溫度15 ℃/18 ℃高出0.5 ℃左右，這會(huì)導(dǎo)致輻射末端的供冷能力減弱，引起熱泵主機(jī)供回水溫度偏高的原因可能有兩點(diǎn)：一是熱泵主機(jī)的進(jìn)出水口保溫措施沒有做好，造成冷量損失；二是熱泵主機(jī)中的制冷劑不足，導(dǎo)致主機(jī)的制冷量不夠。

3.2.3新風(fēng)除濕機(jī)出風(fēng)參數(shù)

雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)出風(fēng)參數(shù)變化情況如圖11所示，風(fēng)口及室外空氣含濕量如圖12所示。

圖11 新風(fēng)除濕機(jī)出風(fēng)參數(shù)

圖12 風(fēng)口及室外空氣含濕量

由圖11可知，開機(jī)后60 min內(nèi)除濕機(jī)送風(fēng)口新風(fēng)溫濕度均不穩(wěn)定，60 min后送風(fēng)相對(duì)濕度達(dá)到穩(wěn)定，為40%左右，溫度為22 ℃左右，但溫度仍緩慢降低，2 h后送風(fēng)溫度降低至21 ℃左右，并且保持穩(wěn)定。造成測(cè)量送風(fēng)溫度比設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度偏高的主要原因有兩點(diǎn)：一是雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)的再熱段溫度控制精度問題；二是雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)至地板送風(fēng)口的風(fēng)管保溫措施做得不好。

由圖12可知，室外空氣含濕量在22～24 g/kg之間，除濕機(jī)送風(fēng)口新風(fēng)含濕量穩(wěn)定時(shí)為7 g/kg。由此可知，雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)的除濕性能良好。

3.2.4輻射側(cè)墻壁面及毛細(xì)管表面溫度

輻射側(cè)墻壁面及毛細(xì)管表面溫度的變化如圖13所示。

圖13 輻射側(cè)墻及毛細(xì)管溫度變化

由圖13可知，開機(jī)后毛細(xì)管表面溫度及抹灰墻面的溫度都迅速下降，約30 min之后，溫度出現(xiàn)波動(dòng)，但總體呈下降趨勢(shì)，約2.5 h之后，毛細(xì)管輻射側(cè)墻表面溫度及內(nèi)部的毛細(xì)管溫度達(dá)到穩(wěn)定，壁面溫度為21.5 ℃左右，內(nèi)部的毛細(xì)管溫度為21 ℃左右，二者溫差為0.5 ℃左右。

3.2.5輻射板結(jié)露情況

室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度及輻射側(cè)墻壁面溫度的變化如圖14所示。

圖14 室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度及輻射側(cè)墻壁面溫度的變化

由圖14可知，開機(jī)后室內(nèi)的相對(duì)濕度、輻射側(cè)墻壁面溫度及露點(diǎn)溫度都逐漸降低，運(yùn)行約2 h后室內(nèi)溫度、輻射側(cè)墻壁面溫度、相對(duì)濕度及露點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)壁面溫度為22 ℃左右，相對(duì)濕度為52%左右，露點(diǎn)溫度為15 ℃。穩(wěn)定1 h后室內(nèi)的相對(duì)濕度及露點(diǎn)溫度迅速升高，運(yùn)行4 h后相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度又迅速降低，之后露點(diǎn)溫度在15 ℃附近波動(dòng)，波動(dòng)幅度為±2 ℃。整體來看，開機(jī)15 min時(shí)室內(nèi)露點(diǎn)溫度低于輻射側(cè)墻表面溫度3 ℃左右，隨后輻射側(cè)墻與露點(diǎn)溫度的差值逐漸增大，室內(nèi)露點(diǎn)溫度始終低于輻射側(cè)墻溫度，所以不會(huì)發(fā)生結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。

第3.0、4.5、5.5 h室內(nèi)相對(duì)濕度突然增大，這是由于溫濕度計(jì)正對(duì)著會(huì)議室的門，實(shí)驗(yàn)過程中有人員開門進(jìn)出會(huì)議室，開門使室外高溫高濕的空氣進(jìn)入室內(nèi)，造成了相對(duì)濕度迅速升高，當(dāng)關(guān)上門后室內(nèi)相對(duì)濕度又逐漸降低至50%左右。

3.2.6室內(nèi)溫度分布及變化

室內(nèi)溫度分布主要由1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)桿上的溫度傳感器測(cè)得，3根桿的溫度變化情況如圖15所示。

圖15 室內(nèi)溫度分布及變化

由圖15a可知，初始時(shí)刻1號(hào)桿上4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度都在29～30 ℃之間，開機(jī)后溫度開始下降，70 min后4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度降至27 ℃左右，150 min后溫度都降低至26 ℃左右，約3 h后桿上4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值都穩(wěn)定在26.5～27.5 ℃之間，穩(wěn)定之后每個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值波動(dòng)幅度均小于0.2 ℃，測(cè)點(diǎn)位置越高，溫度越高，1號(hào)測(cè)桿溫度的最高值與最低值相差1 ℃左右。由圖15b可知，2號(hào)桿的4個(gè)測(cè)點(diǎn)初始溫度也在29～30 ℃之間，開機(jī)150 min后溫度降低至27 ℃左右，隨后4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度逐漸達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)2.0 m測(cè)點(diǎn)溫度為28 ℃左右，1.0 m與1.5 m測(cè)點(diǎn)溫度均在27.5 ℃左右，0.5 m測(cè)點(diǎn)溫度在26.5 ℃左右。由圖15c可知，3號(hào)桿的溫度變化與1號(hào)桿基本相同。整體來看，室內(nèi)溫度豎直方向梯度為0.5 ℃/m，溫度梯度較小，溫度分布均勻，舒適性較高。

4 結(jié)論

1) 測(cè)試期間室外溫度先升高后降低，而室內(nèi)溫度自開機(jī)后逐漸降低并達(dá)到穩(wěn)定；室外空氣含濕量在22～24 g/kg之間波動(dòng)，而室內(nèi)送風(fēng)口新風(fēng)穩(wěn)定后的含濕量始終穩(wěn)定在7 g/kg左右。

2) 開機(jī)初始時(shí)刻室內(nèi)露點(diǎn)溫度最高，開機(jī)之后，雖然露點(diǎn)溫度存在波動(dòng)，但整體呈下降趨勢(shì)，而且露點(diǎn)溫度始終低于毛細(xì)管側(cè)墻表面溫度，且兩者之間差值最小值為4 ℃，所以該系統(tǒng)運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。

3) 系統(tǒng)運(yùn)行2.5 h后室內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定，溫度為27 ℃左右，相對(duì)濕度在47%～60%之間；送風(fēng)溫度偏高，測(cè)試期間不斷有人員開門進(jìn)出，同時(shí)輻射末端的供水溫度偏高導(dǎo)致輻射末端的供冷能力減弱，這三方面因素造成了室內(nèi)溫度穩(wěn)定時(shí)為27.5 ℃左右，比設(shè)計(jì)的26 ℃高1.5 ℃左右。建議后期類似工程應(yīng)適當(dāng)增大毛細(xì)管的敷設(shè)面積。

4) 室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，豎直方向不同測(cè)點(diǎn)最大溫差為1 ℃左右，3根桿上測(cè)點(diǎn)所測(cè)溫度變化趨勢(shì)基本相同，室內(nèi)溫度梯度較小，溫度分布均勻，房間的熱舒適性也較高；由溫度變化曲線可得，運(yùn)行約2.5 h后房間環(huán)境才達(dá)到穩(wěn)定，由此可知該系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長。