雙冷源新風機組除濕性能測試研究

宗天晴，王永彬，曹 振，傅允準

（1.上海工程技術大學，上海 201620；2.蕪湖中集瑞江汽車有限公司，安徽蕪湖 241000）

0 引言

新風機組作為輻射空調系統(tǒng)的重要組成部分，其除濕性能對整個輻射空調系統(tǒng)的運行效果及舒適性都具有重要影響，因此有必要對新風機組的除濕性能進行深入研究。殷平［1］對國內外除濕機的發(fā)展與研究現(xiàn)狀進行了綜合性的論述分析，對轉輪除濕機、鹽溶液除濕機和冷凝除濕機進行對比分析，其中冷凝除濕機由于其能耗低和除濕性能優(yōu)良的優(yōu)點仍將是使用最廣泛的除濕機。國內外學者對冷凝除濕機做了大量的研究，陳劍波等［2］研發(fā)了一種適用于長江流域的兩種冷凝器并聯(lián)的新風除濕機，并根據(jù)一年中各個季節(jié)除濕需求的不同設計了3種不同的運行模式，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，該除濕機在全年運行工況中基本可以滿足建筑的除濕需求。李鵬魁等［3］通過試驗研究了兩級新風除濕機在冬季供暖工況下的運行特性，同時還研究了其與毛細管聯(lián)合供暖的運行特性，結果表明，將兩級新風除濕機與毛細管結合對室內進行供暖時，除濕機供熱量比其單獨運行時的供熱量會減小約29.1%。KANG等［4］通過理論分析發(fā)現(xiàn)采用板式換熱器或熱管換熱器進行冷熱回收，可以減少制冷系統(tǒng)的制冷負荷20%～30%，提高新風除濕機的單位除濕量能耗15%或者更多。GALVIN［5］通過試驗發(fā)現(xiàn)使用除濕機對室內空氣進行除濕會比傳統(tǒng)除濕方式節(jié)約大量的電能。陳旭等［6］通過試驗與數(shù)值模擬結合的方法研究了室外空氣溫度對板翅式新風機組除濕性能的影響，研究表明當室外空氣溫度在10～-10 ℃時，板翅式換熱芯溫度交換效率隨室外空氣溫度降低而降低，濕度交換效率隨室外溫度升高而降低，焓值交換效率趨于平穩(wěn)狀態(tài)。翁文兵等［7］通過對雙蒸發(fā)溫度制冷循環(huán)的理論分析發(fā)現(xiàn)，隨著高低壓級蒸發(fā)溫度差的提高，雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)與單蒸發(fā)溫度系統(tǒng)的制冷量和COP比值逐漸增大。吉煜［8］通過試驗測試的方法對兩種雙冷源新風機組的適用性進行分析，研究發(fā)現(xiàn)，預冷型直膨式新風機組的除濕能力強于雙溫表冷型新風機組，適用范圍更廣。趙紅梅［9］總結了雙冷源新風機組的節(jié)能方向主要分為回風能量的回收利用、再熱能量的有效控制利用與冷凝水的回收利用。

綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，前人研究主要集中于新風機組的節(jié)能效果與除濕效果上，本研究分別從主機供水溫度、再熱前溫度、送風量3個因素對雙冷源新風機組除濕效果的影響進行分析，研究結果對輻射空調系統(tǒng)的設計以及制定雙冷源新風機組在實際應用時的運行策略都具有一定的參考價值。

1 雙冷源新風機組結構及工作原理

1.1 機組結構

雙冷源新風機組內的新風通道設有過濾段、表冷段（表冷器）、除濕段（蒸發(fā)器）、再熱段（調溫換熱器）、濕膜加濕段、送風段（風機）。其中，由空氣源熱泵機組向表冷器提供7 ℃的冷凍水進行初步表冷除濕。雙冷源機組的結構如圖1所示。

圖1 雙冷源新風機組結構示意Fig.1 Schematic structural diagram of the double-cold source fresh air handling unit

直膨除濕段包括制冷壓縮機、用于深度除濕的蒸發(fā)器、水冷式冷凝器以及風冷冷凝器作為再熱段，加熱除濕后的冷空氣，并且可以根據(jù)再熱后的溫度調節(jié)進入盤管的熱水流量從而調節(jié)再熱量（再熱調節(jié)溫度范圍14～22 ℃）。

1.2 工作原理

（1）過渡季節(jié)時，在有除濕要求的情況下，表冷器內有冷凍水流過，新風先后經過表冷器預冷、蒸發(fā)器冷卻除濕、再熱段加熱，最后被送入室內，送風溫度可根據(jù)需要可在18～26 ℃之間設定調節(jié)。

（2）夏季時，室外新風經全熱交換器預冷后進入雙冷源新風機組，進入雙冷源新風機組的新風依次經過表冷器預冷除濕、蒸發(fā)器深度降溫除濕、再熱段升溫，最后被進入室內，濕膜加濕段不工作。

（3）冬季時，新風經過全熱交換器預熱后進入雙冷源新風機組，進入雙冷源新風機組的新風依次經過再熱段加熱、濕膜加濕段加濕，最后被進入室內。

2 試驗系統(tǒng)及試驗方案

2.1 試驗系統(tǒng)

本次試驗于2020年8月1日至3日在上海某大學進行，系統(tǒng)原理如圖2所示。輻射空調系統(tǒng)中的新風機組為風量350 m3/h的DP-350R型雙冷源新風機組，具體參數(shù)見表1。新風采用地送風方式、頂板回風的形式，輻射末端與雙冷源新風機組共同使用同一臺主機，主機選取制冷量為9.5 kW，制熱量為11.5 kW的DP-PKR100型空氣源熱泵主機，具體參數(shù)見表2。

圖2 輻射空調系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of the system

表1 新風機組參數(shù)Tab.1 Parameters of fresh air handling unit

表2 空氣源熱泵主機參數(shù)Tab.2 Parameters of air-source heat pump main unit

2.2 儀器儀表

本次試驗所用到的測試儀器及其參數(shù)見表3。

表3 試驗儀器參數(shù)Tab.3 Parameters of experimental instrument

2.3 試驗工況

（1）進行雙冷源新風機組實際運行除濕效果測試時，只需開啟雙冷源新風機組與輻射頂板系統(tǒng)，使其連續(xù)運行16 h即可，機組運行過程中使用溫濕度計采集室內送風口處以及室外空氣的溫度與相對濕度，數(shù)據(jù)采集頻率為1次/min。

（2）對不同參數(shù)下雙冷源新風機組除濕效果進行測試時，分別改變雙冷源新風的進水溫度、再熱前溫度及送風量，測試期間采集室內送風口的溫濕和相對濕度，每個工況測試時間為30～60 min，具體工況見表4。試驗所需的不同參數(shù)的設定均是通過室內控制面板完成的，數(shù)據(jù)采集的方式與頻率與前一組試驗相同。

表4 雙冷源新風除濕機性能測試工況Tab.4 Performance testing conditions of double-cold source fresh air dehumidifier

3 試驗結果

定義新風機組進風口與出風口空氣含濕量之差為新風機組的單位質量空氣的除濕量，以下簡稱除濕量。

3.1 雙冷源新風機組與單冷源新風機組除濕性能對比

3.1.1 雙冷源新風機組除濕性能測試結果

雙冷源新風機組在夏季供冷工況下的主機供水溫度通常為20 ℃，再熱前溫度為6 ℃，雙冷源新風機組除濕量與主機供回水溫度分別如圖3，4所示。

圖3 名義工況下運行時的除濕量Fig.3 Dehumidification capacity under the nominal operating conditions of the main unit

由圖3可知，測試進行至8 h左右時，室外空氣的含濕量逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時的室外空氣平均含濕量為26 g/kg左右，雙冷源新風機組在室內送風側的平均含濕量約為8 g/kg，其平均除濕量約為18 g/kg左右。由圖4可知，主機供水溫度基本穩(wěn)定在20.5 ℃左右，回水溫度為23 ℃左右。

圖4 主機供回水溫度Fig.4 Supply and return water temperature

3.1.2 單冷源新風機組除濕性能測試結果

單冷源新風機組是僅使用單一冷源對新風進行除濕處理的一種新風機組，本實驗房間為單冷源新風機組與輻射頂板聯(lián)合供冷，該房間的輻射空調系統(tǒng)與前述輻射空調系統(tǒng)基本相同，唯一不同的是該房間使用的新風機組為單冷源新風機組。

單冷源新風機組除濕量與主機供、回水溫度分別如圖5，6所示。由圖5可知，單冷源新風機組的除濕量從6 g/kg逐漸增大至17 g/kg，機組平均除濕量在7.5 g/kg左右，室內側送風含濕量則一直穩(wěn)定在10 g/kg左右，由圖6可知，測試期間單冷源新風機組的供水溫度在6～10 ℃，回水溫度在10～14 ℃之間，供水溫度與回水溫度都比較穩(wěn)定，能夠保證單冷源新風機組除濕性能測試結果的準確性。

圖5 進、出風含濕量與除濕量Fig.5 The humidity and dehumidification capacity of inlet and outlet air

圖6 主機供、回水溫度Fig.6 Supply and return water temperature of the main unit

綜合對比雙冷源新風機組與單冷源新風機組的除濕性能可以發(fā)現(xiàn)，在實際運行過程中，單冷源新風機組的送風含濕量僅能達到10 g/kg，而雙冷源新風機組送風含濕量可以穩(wěn)定在8 g/kg，比單冷源新風機組低2 g/kg左右，而且其平均除濕量比單冷源新風機組的除濕量高10 g/kg左右。所以，雙冷源新風機組除濕性能比單冷源新風機組的性能更好。

3.2 不同供水溫度下雙冷源新風機組除濕性能測試結果

通過控制面板將主機供水溫度分別設定為16，20，22 ℃，則不同工況下的除濕量與供、回水溫度分別如圖7～12所示。

圖7 供水溫度為16 ℃時機組除濕量Fig.7 Dehumidification capacity of the unit when the supply water temperature is 16 ℃

圖8 供水溫度為16 ℃時主機供、回水溫度Fig.8 Supply and return water temperature of the main unit when the supply water temperature is 16 ℃

圖9 供水溫度為20 ℃時機組除濕量Fig.9 Dehumidification capacity of the unit when the supply water temperature is 20 ℃

圖10 供水溫度為20 ℃時主機供、回水溫度Fig.10 Supply and return water temperature of the main unit when the supply water temperature is 20 ℃

圖11 供水溫度為22 ℃時機組除濕量Fig.11 Dehumidification capacity of the unit when the supply water temperature is 22 ℃

圖12 供水溫度為22 ℃時主機供、回水溫度Fig.12 Supply and return water temperature of the main unit when the supply water temperature is 22 ℃

由圖9，10可知，主機供水溫度設定為20 ℃時，大約5 min后主機供、回水溫度達到穩(wěn)定，穩(wěn)定時的主機實際供回水溫度為20.5/22.5 ℃，雙冷源新風機組的出風口含濕量約為9.5 g/kg，除濕量約為12 g/kg左右；由圖11，12可知，當主機供水溫度設定為22 ℃時，大約5 min后主機供回水溫度達到穩(wěn)定，穩(wěn)定時的主機實際供回水溫度為22.4/24.6 ℃，雙冷源新風機組出風口平均含濕量為11.5 g/kg左右，平均除濕量約為9 g/kg左右。綜合來看，隨著主機供水溫度的升高，雙冷源新風機組的除濕量逐漸降低，供水溫度分別為20，22 ℃時除濕量比供水溫度為16 ℃時分別降低了14.3%，17.9%。

3.3 不同再熱前溫度下雙冷源新風機組除濕性能測試結果

通過控制面板分別設定再熱前溫度為6，8，10 ℃，則不同工況下的除濕量如圖13，14所示。

圖13 不同再熱前溫度下的除濕量Fig.13 Dehumidification capacity under different temperatures before reheating of the main unit

分析圖13可知，除濕量隨時間在一定的范圍內波動，再熱前溫度為6 ℃時，除濕量平均值為14.6 g/kg，波動幅度為1 g/kg左右；再熱前溫度為8 ℃時，除濕量平均值為13 g/kg，波動幅度為2 g/kg左右；再熱前溫度為10 ℃時，除濕量平均值為11.5 g/kg，波動幅度為1 g/kg左右。分析圖14可知，3種工況下，主機實際供/回水平均溫度為20.5/22.5 ℃；總體上可以看出再熱前溫度越低，除濕量越大，與再熱前溫度為6 ℃時相比，再熱前溫度分別為8 ℃和10 ℃時除濕量分別減少10.96%和21.23%。

圖14 不同再熱前溫度下的主機供、回水溫度Fig.14 Supply and return water temperature of the main unit under different temperatures before reheating of the main unit

3.4 不同送風量下雙冷源新風機組除濕性能測試結果

雙冷源新風機組共有高、中、低3個檔位，經過測試后可知3個檔位的風量分別為207.4，103.7，72.6 m3/h，不同風量與機組出風口含濕量的關系如圖15所示，不同風量與除濕量之間的關系如圖16所示，主機供、回水溫度如圖17所示。

圖15 不同風量下的出風口含濕量Fig.15 The outlet humidity under different air volumes

圖16 不同風量下的除濕量Fig.16 Dehumidification capacity under different air volumes

圖17 不同風量下主機供、回水溫度Fig.17 Supply and return water temperature of the main unit under different air volumes

由圖16，17可知，隨著送風量的增大，除濕機出風口的含濕量會逐漸升高，送風量分別為207.4，103.7，72.6 m3/h 時對應的出風含濕量平均值分別為 9.07，7.85，7.57 g/kg，對應的除濕量平均值分別為 12.31，13.26，13.88 g/kg，與風量為72.6 m3/h時相比，風量分別為103.7，207.4 m3/h的除濕量分別降低4.47%，11.31%。3種工況下主機實際平均供回水溫度分別為20.3，22.5 ℃。

4 結論

（1）雙冷源新風機組在其名義工況下的單位質量新風的除濕量在18～25 g/kg之間，且其出風含濕量穩(wěn)定在8 g/kg左右，除濕效果良好；

（2）雙冷源新風機組主機進水溫度的提高、再熱前溫度的升高、送風量的增大都會降低雙冷源新風機組的除濕能力，導致室內送風的含濕量升高。