毛細管側墻與雙冷源新風除濕機系統設計及供冷實驗研究

上海工程技術大學 曹 振 傅允準

0 引言

傳統對流式空調系統在運行過程中存在對流吹風感強、風機盤管的噪聲大等問題[1-2]。隨著人們對室內環境的要求越來越高，傳統空調已經無法滿足用戶需求，同時高能耗傳統空調系統不符合可持續發展的理念，而輻射空調系統由于其節能性好與舒適性高的特點越來越受到人們的青睞。

輻射空調系統問世后，國內外學者對其進行了大量的研究，成果顯著[3]。侯波等人通過數值模擬發現供水溫度對毛細管網的換熱量影響較大，而供水速度對其影響很小[4]。劉前龍通過模擬研究發現帶有空氣層的毛細管輻射吊頂的回水溫度變化較小，而石膏層毛細管輻射吊頂的回水溫度變化較大[5]。張哲經過研究發現毛細管網吊頂、側墻和地板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流速等因素對毛細管換熱量的影響[7]。陳劍波等人研發了一種適用于長江流域地區全年除濕需求的新風控溫除濕機組[8]。陳思豪等人針對常規轉輪除濕再生能耗高和除濕溫升大的缺點，提出了一種熱力完善度更高的低溫驅動雙轉輪除濕系統[9]。李鵬魁等人開發了一種新型的兩級新風除濕機，通過實驗研究了該除濕機與輻射地板聯合供暖的運行特性，發現該系統供暖效果良好且室內溫度分布均勻，舒適性較高[10]。李剛等人經研究發現采用輻射空調系統的房間內溫度分布更均勻、熱舒適性更高[11]。Bassuoni研發了一種使用兩級液體干燥劑的兩級空氣干燥機，實驗結果表明，其除濕能力比單級干燥機提高48.9%[12]。Kabeel等人通過實驗研究了一種新型除濕機的性能，該除濕機的平均除濕能力達到了10.2 g/kg[13]。

盡管國內外學者對輻射毛細管和新風除濕機都做了大量的研究，然而對于毛細管側墻與雙冷源新風除濕機聯合供冷在會議室的應用研究較少，為此，筆者以上海市某公司會議室為研究對象，設計了一套毛細管側墻與雙冷源新風除濕機聯合運行的輻射空調系統，該系統與傳統對流式空調系統相比，可以將室內溫度與濕度分開獨立控制，此外，墻面輻射末端調節溫度可使豎直方向溫度梯度更小，雙冷源新風除濕機比普通除濕機的除濕效果更佳。針對該系統的供冷運行特性進行了測試研究，其結果為輻射空調系統的應用提供了一定的補充，同時也為輻射空調系統在辦公室的應用提供了一定的參考。

1 實驗房間

上海市松江區某公司1層的會議室，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，會議室內可容納人數為8人。房間內毛細管輻射末端布置在東墻和西墻，采用地板送風與頂板排風的方式，房間模型如圖1所示。

圖1 會議室模型

2 負荷計算及空調系統設計

2.1 房間負荷計算

房間為會議室，其室內設計參數應滿足GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》要求，設計參數如表1所示。

表1 系統設計參數

房間所用空調系統為毛細管側墻與雙源新風除濕機結合的輻射空調系統，室內顯熱冷負荷主要由輻射毛細管末端承擔，其余顯熱冷負荷、潛熱冷負荷及濕負荷均由雙冷源新風除濕機承擔，輻射空調系統原理如圖2所示。

圖2 輻射空調系統原理圖

2.2 輻射末端設計

采用3.5 mm×0.5 mm的PPR毛細管，輻射末端為抹灰形式的毛細管輻射側墻，其布置方式為先在磚墻面鋪設一層保溫層，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石膏板，再后將毛細管網固定在石膏板上，最后在毛細管網表面敷設一層厚度為5 mm左右的抹灰。輻射側墻的結構如圖3所示。抹灰層下的毛細管網由毛細管席并聯而成，毛細管席并聯圖見圖4。

圖3 毛細管施工圖

圖4 毛細管席并聯圖

采用抹灰安裝代號為R21的毛細管末端輻射供冷。設定夏季制冷工況的輻射末端的供/回水溫度為15 ℃/18 ℃。由室內設計溫度為26 ℃可知，輻射末端高溫冷水溫度的平均值與室內溫度的差值為9.5 ℃，根據圖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]

毛細管輻射側墻的最大布置面積為19.06 m2，所以由毛細管承擔的顯熱冷負荷為1 620 W，新風需承擔的顯熱和潛熱冷負荷為1 608 W。

2.3 新風匹配計算

由上文可知，新風承擔的顯熱冷負荷和潛熱冷負荷為1 608 W，承擔濕負荷為0.71 kg/h，即0.197 g/s，熱濕比ε的計算公式為

(1)

式中QL為新風承擔顯熱和潛熱冷負荷，W；W為室內濕負荷，g/s。

由式(1)計算得，ε=8 162 J/g。

在焓濕圖上確定室內空氣狀態點N，通過該點畫出ε=8 162 J/g的熱濕比線，取送風溫度為15 ℃，則可以確定新風的送風狀態點O的狀態參數。室內空氣狀態點N和送風狀態點O的狀態參數如表2所示。

表2 室內空氣狀態點及送風狀態點參數

消除濕負荷所需風量G1為

(2)

式中dN為室內空氣含濕量，g/kg；dO為送風含濕量，g/kg。

計算得，G1=0.09 kg/s。

承擔室內冷負荷所需風量G2為

(3)

式中hN為室內空氣的比焓，kJ/kg；hO為送風新風比焓，kJ/kg。

計算得，G2=0.09 kg/s。

消除濕負荷與承擔室內冷負荷所需風量相同，說明計算無誤。26 ℃時空氣密度為1.2 kg/m3，則所需新風體積流量V為

(4)

式中G為新風質量流量，kg/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

計算得，V=270 m3/h。

人均新風量為33.75 m3/h，GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》規定，公共建筑辦公室設計每人最小新風量為30 m3/h，所以設計風量能夠滿足人均新風要求。

2.4 設備選型

目前常用的除濕方式為轉輪除濕、溶液除濕和冷凝除濕，轉輪除濕機體積比較大，功耗也比較高，溶液除濕的鹽粒子可能會進入室內損害人體健康，冷凝除濕機體積小、功耗較低，除濕效果好，故采用雙冷源新風除濕機。根據表1可知，總濕負荷為0.71 kg/h，總新風量不低于240 m3/h，選擇的雙冷源新風除濕機新風量為300 m3/h，送風機功率為120 W，總功率為646 W，除濕能力為4.9 kg/h。

雙冷源新風除濕機的內部結構如圖6所示。

圖6 雙冷源新風除濕機內部結構

由圖6可知，雙冷源新風除濕機內部主要由過濾段、表冷段、再熱段、濕膜加濕段及送風段組成。室外新風經過全熱換熱器后溫度降至30 ℃左右，經過雙冷源新風除濕機內的表冷段后溫度降至22 ℃左右，然后進入直膨式蒸發器，利用氟利昂制冷進行深度除濕，經過除濕段后其溫度為8.9 ℃左右，含濕量為7 g/kg左右，經過風冷式冷凝器再熱后溫度達到15 ℃左右，最后被送入室內，濕膜加濕段不啟動。

上海屬于夏熱冬冷地區，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)水機組，本系統的主機選用空氣源熱泵主機，主要承擔室內冷負荷、新風預冷負荷、除濕機內部的冷凝負荷，所選空氣源熱泵主機名義制冷量為9.5 kW，COP為2.63，額定水流量為1.63 m3/h。

3 實驗與分析

3.1 測試內容與實驗儀器

本次實驗主要目的是測試毛細管側墻與雙冷源新風除濕機運行下室內的溫度分布及變化情況、室內相對濕度的變化情況、毛細管側墻表面的結露狀況及除濕機的除濕性能。測試溫度分布的Pt100溫度傳感器布置在3個桿上，并將這3個桿進行編號，每根桿上分別在0.5、1.0、1.5、2.0 m高度布置1個溫度傳感器，桿上傳感器的布置及桿在房間內的位置分別如圖7、8所示，在室內中心處放置1臺溫濕度計用于測試室內相對濕度變化，同時還在室外和室內送風口處各放置1臺溫濕度計，用于測試除濕機性能。

圖7 豎直方向溫度測點布置

圖8 水平方向溫度測點布置

本次實驗所使用的儀器主要有Pt100溫度傳感器(精度為±0.1 ℃)、數據采集器、溫濕度計(精度為±0.1 ℃、±2%)、臺式計算機及溫度傳感器布置桿。

本次測試日期為2019年7月25日，時間為09：00—16:00。

3.2 結果與分析

3.2.1室外溫度和濕度

室外環境的溫度和相對濕度的變化如圖9所示。

圖9 室外溫度和相對濕度變化

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

3.2.2熱泵主機供回水溫度

空氣源熱泵主機供回水溫度變化如圖10所示。

圖10 熱泵主機供回水溫度變化

由圖10可知，開機40 min左右，空氣源熱泵主機的供水溫度就達到了15 ℃，開機1 h后主機的供回水溫度波動幅度均小于1 ℃，基本達到了穩定，穩定時供水溫度為15.6 ℃，回水溫度為18.5 ℃,比輻射末端的設計供/回水溫度15 ℃/18 ℃高出0.5 ℃左右，這會導致輻射末端的供冷能力減弱，引起熱泵主機供回水溫度偏高的原因可能有兩點：一是熱泵主機的進出水口保溫措施沒有做好，造成冷量損失；二是熱泵主機中的制冷劑不足，導致主機的制冷量不夠。

3.2.3新風除濕機出風參數

雙冷源新風除濕機出風參數變化情況如圖11所示，風口及室外空氣含濕量如圖12所示。

圖11 新風除濕機出風參數

圖12 風口及室外空氣含濕量

由圖11可知，開機后60 min內除濕機送風口新風溫濕度均不穩定，60 min后送風相對濕度達到穩定，為40%左右，溫度為22 ℃左右，但溫度仍緩慢降低，2 h后送風溫度降低至21 ℃左右，并且保持穩定。造成測量送風溫度比設計送風溫度偏高的主要原因有兩點：一是雙冷源新風除濕機的再熱段溫度控制精度問題；二是雙冷源新風除濕機至地板送風口的風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，除濕機送風口新風含濕量穩定時為7 g/kg。由此可知，雙冷源新風除濕機的除濕性能良好。

3.2.4輻射側墻壁面及毛細管表面溫度

輻射側墻壁面及毛細管表面溫度的變化如圖13所示。

圖13 輻射側墻及毛細管溫度變化

由圖13可知，開機后毛細管表面溫度及抹灰墻面的溫度都迅速下降，約30 min之后，溫度出現波動，但總體呈下降趨勢，約2.5 h之后，毛細管輻射側墻表面溫度及內部的毛細管溫度達到穩定，壁面溫度為21.5 ℃左右，內部的毛細管溫度為21 ℃左右，二者溫差為0.5 ℃左右。

3.2.5輻射板結露情況

室內溫度、相對濕度、露點溫度及輻射側墻壁面溫度的變化如圖14所示。

圖14 室內溫度、相對濕度、露點溫度及輻射側墻壁面溫度的變化

由圖14可知，開機后室內的相對濕度、輻射側墻壁面溫度及露點溫度都逐漸降低，運行約2 h后室內溫度、輻射側墻壁面溫度、相對濕度及露點溫度達到穩定，此時壁面溫度為22 ℃左右，相對濕度為52%左右，露點溫度為15 ℃。穩定1 h后室內的相對濕度及露點溫度迅速升高，運行4 h后相對濕度和露點溫度又迅速降低，之后露點溫度在15 ℃附近波動，波動幅度為±2 ℃。整體來看，開機15 min時室內露點溫度低于輻射側墻表面溫度3 ℃左右，隨后輻射側墻與露點溫度的差值逐漸增大，室內露點溫度始終低于輻射側墻溫度，所以不會發生結露風險。

第3.0、4.5、5.5 h室內相對濕度突然增大，這是由于溫濕度計正對著會議室的門，實驗過程中有人員開門進出會議室，開門使室外高溫高濕的空氣進入室內，造成了相對濕度迅速升高，當關上門后室內相對濕度又逐漸降低至50%左右。

3.2.6室內溫度分布及變化

室內溫度分布主要由1號、2號和3號桿上的溫度傳感器測得，3根桿的溫度變化情況如圖15所示。

圖15 室內溫度分布及變化

由圖15a可知，初始時刻1號桿上4個測點溫度都在29～30 ℃之間，開機后溫度開始下降，70 min后4個測點溫度降至27 ℃左右，150 min后溫度都降低至26 ℃左右，約3 h后桿上4個測點溫度值都穩定在26.5～27.5 ℃之間，穩定之后每個測點溫度值波動幅度均小于0.2 ℃，測點位置越高，溫度越高，1號測桿溫度的最高值與最低值相差1 ℃左右。由圖15b可知，2號桿的4個測點初始溫度也在29～30 ℃之間，開機150 min后溫度降低至27 ℃左右，隨后4個測點溫度逐漸達到穩定，穩定時2.0 m測點溫度為28 ℃左右，1.0 m與1.5 m測點溫度均在27.5 ℃左右，0.5 m測點溫度在26.5 ℃左右。由圖15c可知，3號桿的溫度變化與1號桿基本相同。整體來看，室內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 結論

1) 測試期間室外溫度先升高后降低，而室內溫度自開機后逐漸降低并達到穩定；室外空氣含濕量在22～24 g/kg之間波動，而室內送風口新風穩定后的含濕量始終穩定在7 g/kg左右。

2) 開機初始時刻室內露點溫度最高，開機之后，雖然露點溫度存在波動，但整體呈下降趨勢，而且露點溫度始終低于毛細管側墻表面溫度，且兩者之間差值最小值為4 ℃，所以該系統運行過程中不會出現結露現象。

3) 系統運行2.5 h后室內溫度達到穩定，溫度為27 ℃左右，相對濕度在47%～60%之間；送風溫度偏高，測試期間不斷有人員開門進出，同時輻射末端的供水溫度偏高導致輻射末端的供冷能力減弱，這三方面因素造成了室內溫度穩定時為27.5 ℃左右，比設計的26 ℃高1.5 ℃左右。建議后期類似工程應適當增大毛細管的敷設面積。

4) 室內環境穩定時，豎直方向不同測點最大溫差為1 ℃左右，3根桿上測點所測溫度變化趨勢基本相同，室內溫度梯度較小，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，運行約2.5 h后房間環境才達到穩定，由此可知該系統響應時間較長。