双冷源新风机组除湿性能测试研究

宗天晴，王永彬，曹 振，傅允准

（1.上海工程技术大学，上海 201620；2.芜湖中集瑞江汽车有限公司，安徽芜湖 241000）

0 引言

新风机组作为辐射空调系统的重要组成部分，其除湿性能对整个辐射空调系统的运行效果及舒适性都具有重要影响，因此有必要对新风机组的除湿性能进行深入研究。殷平［1］对国内外除湿机的发展与研究现状进行了综合性的论述分析，对转轮除湿机、盐溶液除湿机和冷凝除湿机进行对比分析，其中冷凝除湿机由于其能耗低和除湿性能优良的优点仍将是使用最广泛的除湿机。国内外学者对冷凝除湿机做了大量的研究，陈剑波等［2］研发了一种适用于长江流域的两种冷凝器并联的新风除湿机，并根据一年中各个季节除湿需求的不同设计了3种不同的运行模式，通过实验研究发现，该除湿机在全年运行工况中基本可以满足建筑的除湿需求。李鹏魁等［3］通过试验研究了两级新风除湿机在冬季供暖工况下的运行特性，同时还研究了其与毛细管联合供暖的运行特性，结果表明，将两级新风除湿机与毛细管结合对室内进行供暖时，除湿机供热量比其单独运行时的供热量会减小约29.1%。KANG等［4］通过理论分析发现采用板式换热器或热管换热器进行冷热回收，可以减少制冷系统的制冷负荷20%～30%，提高新风除湿机的单位除湿量能耗15%或者更多。GALVIN［5］通过试验发现使用除湿机对室内空气进行除湿会比传统除湿方式节约大量的电能。陈旭等［6］通过试验与数值模拟结合的方法研究了室外空气温度对板翅式新风机组除湿性能的影响，研究表明当室外空气温度在10～-10 ℃时，板翅式换热芯温度交换效率随室外空气温度降低而降低，湿度交换效率随室外温度升高而降低，焓值交换效率趋于平稳状态。翁文兵等［7］通过对双蒸发温度制冷循环的理论分析发现，随着高低压级蒸发温度差的提高，双蒸发温度制冷系统与单蒸发温度系统的制冷量和COP比值逐渐增大。吉煜［8］通过试验测试的方法对两种双冷源新风机组的适用性进行分析，研究发现，预冷型直膨式新风机组的除湿能力强于双温表冷型新风机组，适用范围更广。赵红梅［9］总结了双冷源新风机组的节能方向主要分为回风能量的回收利用、再热能量的有效控制利用与冷凝水的回收利用。

综合以上研究可以发现，前人研究主要集中于新风机组的节能效果与除湿效果上，本研究分别从主机供水温度、再热前温度、送风量3个因素对双冷源新风机组除湿效果的影响进行分析，研究结果对辐射空调系统的设计以及制定双冷源新风机组在实际应用时的运行策略都具有一定的参考价值。

1 双冷源新风机组结构及工作原理

1.1 机组结构

双冷源新风机组内的新风通道设有过滤段、表冷段（表冷器）、除湿段（蒸发器）、再热段（调温换热器）、湿膜加湿段、送风段（风机）。其中，由空气源热泵机组向表冷器提供7 ℃的冷冻水进行初步表冷除湿。双冷源机组的结构如图1所示。

图1 双冷源新风机组结构示意Fig.1 Schematic structural diagram of the double-cold source fresh air handling unit

直膨除湿段包括制冷压缩机、用于深度除湿的蒸发器、水冷式冷凝器以及风冷冷凝器作为再热段，加热除湿后的冷空气，并且可以根据再热后的温度调节进入盘管的热水流量从而调节再热量（再热调节温度范围14～22 ℃）。

1.2 工作原理

（1）过渡季节时，在有除湿要求的情况下，表冷器内有冷冻水流过，新风先后经过表冷器预冷、蒸发器冷却除湿、再热段加热，最后被送入室内，送风温度可根据需要可在18～26 ℃之间设定调节。

（2）夏季时，室外新风经全热交换器预冷后进入双冷源新风机组，进入双冷源新风机组的新风依次经过表冷器预冷除湿、蒸发器深度降温除湿、再热段升温，最后被进入室内，湿膜加湿段不工作。

（3）冬季时，新风经过全热交换器预热后进入双冷源新风机组，进入双冷源新风机组的新风依次经过再热段加热、湿膜加湿段加湿，最后被进入室内。

2 试验系统及试验方案

2.1 试验系统

本次试验于2020年8月1日至3日在上海某大学进行，系统原理如图2所示。辐射空调系统中的新风机组为风量350 m3/h的DP-350R型双冷源新风机组，具体参数见表1。新风采用地送风方式、顶板回风的形式，辐射末端与双冷源新风机组共同使用同一台主机，主机选取制冷量为9.5 kW，制热量为11.5 kW的DP-PKR100型空气源热泵主机，具体参数见表2。

图2 辐射空调系统Fig.2 Schematic diagram of the system

表1 新风机组参数Tab.1 Parameters of fresh air handling unit

表2 空气源热泵主机参数Tab.2 Parameters of air-source heat pump main unit

2.2 仪器仪表

本次试验所用到的测试仪器及其参数见表3。

表3 试验仪器参数Tab.3 Parameters of experimental instrument

2.3 试验工况

（1）进行双冷源新风机组实际运行除湿效果测试时，只需开启双冷源新风机组与辐射顶板系统，使其连续运行16 h即可，机组运行过程中使用温湿度计采集室内送风口处以及室外空气的温度与相对湿度，数据采集频率为1次/min。

（2）对不同参数下双冷源新风机组除湿效果进行测试时，分别改变双冷源新风的进水温度、再热前温度及送风量，测试期间采集室内送风口的温湿和相对湿度，每个工况测试时间为30～60 min，具体工况见表4。试验所需的不同参数的设定均是通过室内控制面板完成的，数据采集的方式与频率与前一组试验相同。

表4 双冷源新风除湿机性能测试工况Tab.4 Performance testing conditions of double-cold source fresh air dehumidifier

3 试验结果

定义新风机组进风口与出风口空气含湿量之差为新风机组的单位质量空气的除湿量，以下简称除湿量。

3.1 双冷源新风机组与单冷源新风机组除湿性能对比

3.1.1 双冷源新风机组除湿性能测试结果

双冷源新风机组在夏季供冷工况下的主机供水温度通常为20 ℃，再热前温度为6 ℃，双冷源新风机组除湿量与主机供回水温度分别如图3，4所示。

图3 名义工况下运行时的除湿量Fig.3 Dehumidification capacity under the nominal operating conditions of the main unit

由图3可知，测试进行至8 h左右时，室外空气的含湿量逐渐趋于稳定，稳定时的室外空气平均含湿量为26 g/kg左右，双冷源新风机组在室内送风侧的平均含湿量约为8 g/kg，其平均除湿量约为18 g/kg左右。由图4可知，主机供水温度基本稳定在20.5 ℃左右，回水温度为23 ℃左右。

图4 主机供回水温度Fig.4 Supply and return water temperature

3.1.2 单冷源新风机组除湿性能测试结果

单冷源新风机组是仅使用单一冷源对新风进行除湿处理的一种新风机组，本实验房间为单冷源新风机组与辐射顶板联合供冷，该房间的辐射空调系统与前述辐射空调系统基本相同，唯一不同的是该房间使用的新风机组为单冷源新风机组。

单冷源新风机组除湿量与主机供、回水温度分别如图5，6所示。由图5可知，单冷源新风机组的除湿量从6 g/kg逐渐增大至17 g/kg，机组平均除湿量在7.5 g/kg左右，室内侧送风含湿量则一直稳定在10 g/kg左右，由图6可知，测试期间单冷源新风机组的供水温度在6～10 ℃，回水温度在10～14 ℃之间，供水温度与回水温度都比较稳定，能够保证单冷源新风机组除湿性能测试结果的准确性。

图5 进、出风含湿量与除湿量Fig.5 The humidity and dehumidification capacity of inlet and outlet air

图6 主机供、回水温度Fig.6 Supply and return water temperature of the main unit

综合对比双冷源新风机组与单冷源新风机组的除湿性能可以发现，在实际运行过程中，单冷源新风机组的送风含湿量仅能达到10 g/kg，而双冷源新风机组送风含湿量可以稳定在8 g/kg，比单冷源新风机组低2 g/kg左右，而且其平均除湿量比单冷源新风机组的除湿量高10 g/kg左右。所以，双冷源新风机组除湿性能比单冷源新风机组的性能更好。

3.2 不同供水温度下双冷源新风机组除湿性能测试结果

通过控制面板将主机供水温度分别设定为16，20，22 ℃，则不同工况下的除湿量与供、回水温度分别如图7～12所示。

图7 供水温度为16 ℃时机组除湿量Fig.7 Dehumidification capacity of the unit when the supply water temperature is 16 ℃

图8 供水温度为16 ℃时主机供、回水温度Fig.8 Supply and return water temperature of the main unit when the supply water temperature is 16 ℃

图9 供水温度为20 ℃时机组除湿量Fig.9 Dehumidification capacity of the unit when the supply water temperature is 20 ℃

图10 供水温度为20 ℃时主机供、回水温度Fig.10 Supply and return water temperature of the main unit when the supply water temperature is 20 ℃

图11 供水温度为22 ℃时机组除湿量Fig.11 Dehumidification capacity of the unit when the supply water temperature is 22 ℃

图12 供水温度为22 ℃时主机供、回水温度Fig.12 Supply and return water temperature of the main unit when the supply water temperature is 22 ℃

由图9，10可知，主机供水温度设定为20 ℃时，大约5 min后主机供、回水温度达到稳定，稳定时的主机实际供回水温度为20.5/22.5 ℃，双冷源新风机组的出风口含湿量约为9.5 g/kg，除湿量约为12 g/kg左右；由图11，12可知，当主机供水温度设定为22 ℃时，大约5 min后主机供回水温度达到稳定，稳定时的主机实际供回水温度为22.4/24.6 ℃，双冷源新风机组出风口平均含湿量为11.5 g/kg左右，平均除湿量约为9 g/kg左右。综合来看，随着主机供水温度的升高，双冷源新风机组的除湿量逐渐降低，供水温度分别为20，22 ℃时除湿量比供水温度为16 ℃时分别降低了14.3%，17.9%。

3.3 不同再热前温度下双冷源新风机组除湿性能测试结果

通过控制面板分别设定再热前温度为6，8，10 ℃，则不同工况下的除湿量如图13，14所示。

图13 不同再热前温度下的除湿量Fig.13 Dehumidification capacity under different temperatures before reheating of the main unit

分析图13可知，除湿量随时间在一定的范围内波动，再热前温度为6 ℃时，除湿量平均值为14.6 g/kg，波动幅度为1 g/kg左右；再热前温度为8 ℃时，除湿量平均值为13 g/kg，波动幅度为2 g/kg左右；再热前温度为10 ℃时，除湿量平均值为11.5 g/kg，波动幅度为1 g/kg左右。分析图14可知，3种工况下，主机实际供/回水平均温度为20.5/22.5 ℃；总体上可以看出再热前温度越低，除湿量越大，与再热前温度为6 ℃时相比，再热前温度分别为8 ℃和10 ℃时除湿量分别减少10.96%和21.23%。

图14 不同再热前温度下的主机供、回水温度Fig.14 Supply and return water temperature of the main unit under different temperatures before reheating of the main unit

3.4 不同送风量下双冷源新风机组除湿性能测试结果

双冷源新风机组共有高、中、低3个档位，经过测试后可知3个档位的风量分别为207.4，103.7，72.6 m3/h，不同风量与机组出风口含湿量的关系如图15所示，不同风量与除湿量之间的关系如图16所示，主机供、回水温度如图17所示。

图15 不同风量下的出风口含湿量Fig.15 The outlet humidity under different air volumes

图16 不同风量下的除湿量Fig.16 Dehumidification capacity under different air volumes

图17 不同风量下主机供、回水温度Fig.17 Supply and return water temperature of the main unit under different air volumes

由图16，17可知，随着送风量的增大，除湿机出风口的含湿量会逐渐升高，送风量分别为207.4，103.7，72.6 m3/h 时对应的出风含湿量平均值分别为 9.07，7.85，7.57 g/kg，对应的除湿量平均值分别为 12.31，13.26，13.88 g/kg，与风量为72.6 m3/h时相比，风量分别为103.7，207.4 m3/h的除湿量分别降低4.47%，11.31%。3种工况下主机实际平均供回水温度分别为20.3，22.5 ℃。

4 结论

（1）双冷源新风机组在其名义工况下的单位质量新风的除湿量在18～25 g/kg之间，且其出风含湿量稳定在8 g/kg左右，除湿效果良好；

（2）双冷源新风机组主机进水温度的提高、再热前温度的升高、送风量的增大都会降低双冷源新风机组的除湿能力，导致室内送风的含湿量升高。