毛细管侧墙与双冷源新风除湿机系统设计及供冷实验研究

上海工程技术大学 曹 振 傅允准

0 引言

传统对流式空调系统在运行过程中存在对流吹风感强、风机盘管的噪声大等问题[1-2]。随着人们对室内环境的要求越来越高，传统空调已经无法满足用户需求，同时高能耗传统空调系统不符合可持续发展的理念，而辐射空调系统由于其节能性好与舒适性高的特点越来越受到人们的青睐。

辐射空调系统问世后，国内外学者对其进行了大量的研究，成果显著[3]。侯波等人通过数值模拟发现供水温度对毛细管网的换热量影响较大，而供水速度对其影响很小[4]。刘前龙通过模拟研究发现带有空气层的毛细管辐射吊顶的回水温度变化较小，而石膏层毛细管辐射吊顶的回水温度变化较大[5]。张哲经过研究发现毛细管网吊顶、侧墙和地板3种不同辐射末端供冷的舒适性差异不大[6]。吴子恒利用Fluent研究了管间距和管内流速等因素对毛细管换热量的影响[7]。陈剑波等人研发了一种适用于长江流域地区全年除湿需求的新风控温除湿机组[8]。陈思豪等人针对常规转轮除湿再生能耗高和除湿温升大的缺点，提出了一种热力完善度更高的低温驱动双转轮除湿系统[9]。李鹏魁等人开发了一种新型的两级新风除湿机，通过实验研究了该除湿机与辐射地板联合供暖的运行特性，发现该系统供暖效果良好且室内温度分布均匀，舒适性较高[10]。李刚等人经研究发现采用辐射空调系统的房间内温度分布更均匀、热舒适性更高[11]。Bassuoni研发了一种使用两级液体干燥剂的两级空气干燥机，实验结果表明，其除湿能力比单级干燥机提高48.9%[12]。Kabeel等人通过实验研究了一种新型除湿机的性能，该除湿机的平均除湿能力达到了10.2 g/kg[13]。

尽管国内外学者对辐射毛细管和新风除湿机都做了大量的研究，然而对于毛细管侧墙与双冷源新风除湿机联合供冷在会议室的应用研究较少，为此，笔者以上海市某公司会议室为研究对象，设计了一套毛细管侧墙与双冷源新风除湿机联合运行的辐射空调系统，该系统与传统对流式空调系统相比，可以将室内温度与湿度分开独立控制，此外，墙面辐射末端调节温度可使竖直方向温度梯度更小，双冷源新风除湿机比普通除湿机的除湿效果更佳。针对该系统的供冷运行特性进行了测试研究，其结果为辐射空调系统的应用提供了一定的补充，同时也为辐射空调系统在办公室的应用提供了一定的参考。

1 实验房间

上海市松江区某公司1层的会议室，长7.3 m、宽5.8 m、高3.0 m，吊顶采用石膏板，东墙和北墙为内墙，西墙和南墙为外墙，外窗位于西墙和南墙上，东墙、北墙、西墙、南墙及外窗的面积分别为21.9、17.4、18.8、12.9、7.5 m2，会议室内可容纳人数为8人。房间内毛细管辐射末端布置在东墙和西墙，采用地板送风与顶板排风的方式，房间模型如图1所示。

图1 会议室模型

2 负荷计算及空调系统设计

2.1 房间负荷计算

房间为会议室，其室内设计参数应满足GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》要求，设计参数如表1所示。

表1 系统设计参数

房间所用空调系统为毛细管侧墙与双源新风除湿机结合的辐射空调系统，室内显热冷负荷主要由辐射毛细管末端承担，其余显热冷负荷、潜热冷负荷及湿负荷均由双冷源新风除湿机承担，辐射空调系统原理如图2所示。

图2 辐射空调系统原理图

2.2 辐射末端设计

采用3.5 mm×0.5 mm的PPR毛细管，辐射末端为抹灰形式的毛细管辐射侧墙，其布置方式为先在砖墙面铺设一层保温层，保温层的材料为绝热挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)，然后在保温层外铺设石膏板，再后将毛细管网固定在石膏板上，最后在毛细管网表面敷设一层厚度为5 mm左右的抹灰。辐射侧墙的结构如图3所示。抹灰层下的毛细管网由毛细管席并联而成，毛细管席并联图见图4。

图3 毛细管施工图

图4 毛细管席并联图

采用抹灰安装代号为R21的毛细管末端辐射供冷。设定夏季制冷工况的辐射末端的供/回水温度为15 ℃/18 ℃。由室内设计温度为26 ℃可知，辐射末端高温冷水温度的平均值与室内温度的差值为9.5 ℃，根据图5[14]查得抹灰辐射板的供冷能力为85 W/m2。

图5 墙面供冷能力[14]

毛细管辐射侧墙的最大布置面积为19.06 m2，所以由毛细管承担的显热冷负荷为1 620 W，新风需承担的显热和潜热冷负荷为1 608 W。

2.3 新风匹配计算

由上文可知，新风承担的显热冷负荷和潜热冷负荷为1 608 W，承担湿负荷为0.71 kg/h，即0.197 g/s，热湿比ε的计算公式为

(1)

式中QL为新风承担显热和潜热冷负荷，W；W为室内湿负荷，g/s。

由式(1)计算得，ε=8 162 J/g。

在焓湿图上确定室内空气状态点N，通过该点画出ε=8 162 J/g的热湿比线，取送风温度为15 ℃，则可以确定新风的送风状态点O的状态参数。室内空气状态点N和送风状态点O的状态参数如表2所示。

表2 室内空气状态点及送风状态点参数

消除湿负荷所需风量G1为

(2)

式中dN为室内空气含湿量，g/kg；dO为送风含湿量，g/kg。

计算得，G1=0.09 kg/s。

承担室内冷负荷所需风量G2为

(3)

式中hN为室内空气的比焓，kJ/kg；hO为送风新风比焓，kJ/kg。

计算得，G2=0.09 kg/s。

消除湿负荷与承担室内冷负荷所需风量相同，说明计算无误。26 ℃时空气密度为1.2 kg/m3，则所需新风体积流量V为

(4)

式中G为新风质量流量，kg/s；ρ为空气密度，kg/m3。

计算得，V=270 m3/h。

人均新风量为33.75 m3/h，GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定，公共建筑办公室设计每人最小新风量为30 m3/h，所以设计风量能够满足人均新风要求。

2.4 设备选型

目前常用的除湿方式为转轮除湿、溶液除湿和冷凝除湿，转轮除湿机体积比较大，功耗也比较高，溶液除湿的盐粒子可能会进入室内损害人体健康，冷凝除湿机体积小、功耗较低，除湿效果好，故采用双冷源新风除湿机。根据表1可知，总湿负荷为0.71 kg/h，总新风量不低于240 m3/h，选择的双冷源新风除湿机新风量为300 m3/h，送风机功率为120 W，总功率为646 W，除湿能力为4.9 kg/h。

双冷源新风除湿机的内部结构如图6所示。

图6 双冷源新风除湿机内部结构

由图6可知，双冷源新风除湿机内部主要由过滤段、表冷段、再热段、湿膜加湿段及送风段组成。室外新风经过全热换热器后温度降至30 ℃左右，经过双冷源新风除湿机内的表冷段后温度降至22 ℃左右，然后进入直膨式蒸发器，利用氟利昂制冷进行深度除湿，经过除湿段后其温度为8.9 ℃左右，含湿量为7 g/kg左右，经过风冷式冷凝器再热后温度达到15 ℃左右，最后被送入室内，湿膜加湿段不启动。

上海属于夏热冬冷地区，为满足办公楼夏季供冷、冬季供暖需要，选用空气源热泵式冷(热)水机组，本系统的主机选用空气源热泵主机，主要承担室内冷负荷、新风预冷负荷、除湿机内部的冷凝负荷，所选空气源热泵主机名义制冷量为9.5 kW，COP为2.63，额定水流量为1.63 m3/h。

3 实验与分析

3.1 测试内容与实验仪器

本次实验主要目的是测试毛细管侧墙与双冷源新风除湿机运行下室内的温度分布及变化情况、室内相对湿度的变化情况、毛细管侧墙表面的结露状况及除湿机的除湿性能。测试温度分布的Pt100温度传感器布置在3个杆上，并将这3个杆进行编号，每根杆上分别在0.5、1.0、1.5、2.0 m高度布置1个温度传感器，杆上传感器的布置及杆在房间内的位置分别如图7、8所示，在室内中心处放置1台温湿度计用于测试室内相对湿度变化，同时还在室外和室内送风口处各放置1台温湿度计，用于测试除湿机性能。

图7 竖直方向温度测点布置

图8 水平方向温度测点布置

本次实验所使用的仪器主要有Pt100温度传感器(精度为±0.1 ℃)、数据采集器、温湿度计(精度为±0.1 ℃、±2%)、台式计算机及温度传感器布置杆。

本次测试日期为2019年7月25日，时间为09：00—16:00。

3.2 结果与分析

3.2.1室外温度和湿度

室外环境的温度和相对湿度的变化如图9所示。

图9 室外温度和相对湿度变化

由图9可知，初始时刻室外环境的温度为32.5 ℃，相对湿度为75%左右，约3 h后温度升高至37 ℃，相对湿度降低至55%左右，此后温度逐渐降低，而相对湿度则逐渐升高，约6 h后相对湿度达到78%左右，温度则降低至32 ℃左右。

3.2.2热泵主机供回水温度

空气源热泵主机供回水温度变化如图10所示。

图10 热泵主机供回水温度变化

由图10可知，开机40 min左右，空气源热泵主机的供水温度就达到了15 ℃，开机1 h后主机的供回水温度波动幅度均小于1 ℃，基本达到了稳定，稳定时供水温度为15.6 ℃，回水温度为18.5 ℃,比辐射末端的设计供/回水温度15 ℃/18 ℃高出0.5 ℃左右，这会导致辐射末端的供冷能力减弱，引起热泵主机供回水温度偏高的原因可能有两点：一是热泵主机的进出水口保温措施没有做好，造成冷量损失；二是热泵主机中的制冷剂不足，导致主机的制冷量不够。

3.2.3新风除湿机出风参数

双冷源新风除湿机出风参数变化情况如图11所示，风口及室外空气含湿量如图12所示。

图11 新风除湿机出风参数

图12 风口及室外空气含湿量

由图11可知，开机后60 min内除湿机送风口新风温湿度均不稳定，60 min后送风相对湿度达到稳定，为40%左右，温度为22 ℃左右，但温度仍缓慢降低，2 h后送风温度降低至21 ℃左右，并且保持稳定。造成测量送风温度比设计送风温度偏高的主要原因有两点：一是双冷源新风除湿机的再热段温度控制精度问题；二是双冷源新风除湿机至地板送风口的风管保温措施做得不好。

由图12可知，室外空气含湿量在22～24 g/kg之间，除湿机送风口新风含湿量稳定时为7 g/kg。由此可知，双冷源新风除湿机的除湿性能良好。

3.2.4辐射侧墙壁面及毛细管表面温度

辐射侧墙壁面及毛细管表面温度的变化如图13所示。

图13 辐射侧墙及毛细管温度变化

由图13可知，开机后毛细管表面温度及抹灰墙面的温度都迅速下降，约30 min之后，温度出现波动，但总体呈下降趋势，约2.5 h之后，毛细管辐射侧墙表面温度及内部的毛细管温度达到稳定，壁面温度为21.5 ℃左右，内部的毛细管温度为21 ℃左右，二者温差为0.5 ℃左右。

3.2.5辐射板结露情况

室内温度、相对湿度、露点温度及辐射侧墙壁面温度的变化如图14所示。

图14 室内温度、相对湿度、露点温度及辐射侧墙壁面温度的变化

由图14可知，开机后室内的相对湿度、辐射侧墙壁面温度及露点温度都逐渐降低，运行约2 h后室内温度、辐射侧墙壁面温度、相对湿度及露点温度达到稳定，此时壁面温度为22 ℃左右，相对湿度为52%左右，露点温度为15 ℃。稳定1 h后室内的相对湿度及露点温度迅速升高，运行4 h后相对湿度和露点温度又迅速降低，之后露点温度在15 ℃附近波动，波动幅度为±2 ℃。整体来看，开机15 min时室内露点温度低于辐射侧墙表面温度3 ℃左右，随后辐射侧墙与露点温度的差值逐渐增大，室内露点温度始终低于辐射侧墙温度，所以不会发生结露风险。

第3.0、4.5、5.5 h室内相对湿度突然增大，这是由于温湿度计正对着会议室的门，实验过程中有人员开门进出会议室，开门使室外高温高湿的空气进入室内，造成了相对湿度迅速升高，当关上门后室内相对湿度又逐渐降低至50%左右。

3.2.6室内温度分布及变化

室内温度分布主要由1号、2号和3号杆上的温度传感器测得，3根杆的温度变化情况如图15所示。

图15 室内温度分布及变化

由图15a可知，初始时刻1号杆上4个测点温度都在29～30 ℃之间，开机后温度开始下降，70 min后4个测点温度降至27 ℃左右，150 min后温度都降低至26 ℃左右，约3 h后杆上4个测点温度值都稳定在26.5～27.5 ℃之间，稳定之后每个测点温度值波动幅度均小于0.2 ℃，测点位置越高，温度越高，1号测杆温度的最高值与最低值相差1 ℃左右。由图15b可知，2号杆的4个测点初始温度也在29～30 ℃之间，开机150 min后温度降低至27 ℃左右，随后4个测点温度逐渐达到稳定，稳定时2.0 m测点温度为28 ℃左右，1.0 m与1.5 m测点温度均在27.5 ℃左右，0.5 m测点温度在26.5 ℃左右。由图15c可知，3号杆的温度变化与1号杆基本相同。整体来看，室内温度竖直方向梯度为0.5 ℃/m，温度梯度较小，温度分布均匀，舒适性较高。

4 结论

1) 测试期间室外温度先升高后降低，而室内温度自开机后逐渐降低并达到稳定；室外空气含湿量在22～24 g/kg之间波动，而室内送风口新风稳定后的含湿量始终稳定在7 g/kg左右。

2) 开机初始时刻室内露点温度最高，开机之后，虽然露点温度存在波动，但整体呈下降趋势，而且露点温度始终低于毛细管侧墙表面温度，且两者之间差值最小值为4 ℃，所以该系统运行过程中不会出现结露现象。

3) 系统运行2.5 h后室内温度达到稳定，温度为27 ℃左右，相对湿度在47%～60%之间；送风温度偏高，测试期间不断有人员开门进出，同时辐射末端的供水温度偏高导致辐射末端的供冷能力减弱，这三方面因素造成了室内温度稳定时为27.5 ℃左右，比设计的26 ℃高1.5 ℃左右。建议后期类似工程应适当增大毛细管的敷设面积。

4) 室内环境稳定时，竖直方向不同测点最大温差为1 ℃左右，3根杆上测点所测温度变化趋势基本相同，室内温度梯度较小，温度分布均匀，房间的热舒适性也较高；由温度变化曲线可得，运行约2.5 h后房间环境才达到稳定，由此可知该系统响应时间较长。