毛细管重力循环柜夏季制冷除湿性能实验研究

吴林霖 梁 珍

(东华大学,上海)

0 引言

传统空调系统存在着耗能高、结露等诸多问题,毛细管重力循环柜(后文简称为重力柜)作为一种耗能低、舒适度高且集制冷、制热、除湿功能于一体的新型空调系统[1-2],渐渐进入了大众的视野。

国内外学者对重力柜进行了一系列的研究。对于重力柜独立运行时的供冷性能,葛玉箫等人通过实验测试了水温、流量等变量对重力柜供冷除湿能力的影响[3];谷德军模拟研究了柜内毛细管网的间距、排数等参数对重力柜供冷量的影响,并对重力柜的设备参数进行了优化分析[4];金梧凤等人进行了重力柜与分体式空调的性能对比实验,结果表明重力柜对地面结构具有蓄冷作用,可缓解分体式空调的吹风感[5];韩东太等人对重力柜的供冷除湿性能进行了实验研究,介绍了重力柜单位毛细管的传热面积和空气体积流量的计算[6];沈侃等人对水温、流量、风口尺寸和有无前置挡板等变量对重力柜制冷性能的影响进行了实验研究[7];Li等人根据常规空调系统存在的问题,对重力柜的制冷除湿性能的优缺点进行了分析[8];Yang等人基于可呼吸壁与毛细管辐射板相结合的原理对重力柜的供冷除湿原理及性能进行了介绍[9]。

对于重力柜与其他系统联合运行时的补冷性能,谷德军等人对重力柜+吊顶辐射复合系统进行了实验,结果表明重力柜具备较好的辅助制冷作用,且在水温7 ℃时达到最高冷量占比[10];刘异对转轮除湿+重力柜复合空调系统进行了实验,得到了水温在10～18 ℃下重力柜对流和辐射换热系数的范围[11];陈慧等人研究了毛细管顶棚和重力柜联合运行下重力柜换热性能的影响因素及其最佳运行工况[12];李翠敏将重力柜与相变板相结合,试制了合适的蓄热材料以研究重力柜的夜间蓄热特性[13]。

目前对重力柜在不同室内负荷下供冷出力的影响因素及影响范围的研究较少。因此,本文以上海松江某实验室为例,搭建重力柜实验台,对其在不同室内负荷、供水温度、供水流量和辐射板是否保温等因素下的供冷性能展开实验研究。研究结果可为重力柜系列产品未来在工程领域的设计和应用提供参考。

1 重力柜性能实验

1.1 重力柜

本次实验的重力柜的实物图见图1,重力柜的尺寸为2.25 m(高)×1.10 m(宽)×0.20 m(厚),外部为金属铝板。柜内5排毛细管,采用外径4.3 mm、厚度0.4 mm的聚丙烯(PPR)管,每排毛细管100根,单管长210 mm,同排管间距为10 mm,相邻两排管间距为30 mm,主干管内径为10 mm。夏季重力柜的运行原理如图2所示,以冷热空气的密度差作为驱动力,促使空气在重力作用下自然循环,由下风口送出的冷空气形成冷却的“空气湖”后通过房间内部的热源吸热,自然向上循环流动,整个过程使人有较好的舒适感。

图1 重力柜实物图

图2 夏季重力柜自然循环原理图

1.2 实测系统

重力柜系统的原理如图3所示,采用空气源热泵搭配闭式水箱搭建实测系统。空气源热泵制备适宜温度的低温冷水供给重力柜,冷水循环升温后经闭式水箱返回热泵,如此不断地循环制冷。柜口安装压力表、热电偶进行管路压力的平衡及测温,供回水干管多处装设铜球阀来调节管路水流方向、控制流量。夏季采用下供上回的供水方式为最佳,通过调节热泵的中央控制面板和管路阀门得到7～11 ℃ 5种供水温度、4～7 L/min 4种供水流量,进而探讨供水温度、供水流量、辐射板是否保温等变量对实验房间室内环境的影响。

1.压力表;2.热电偶;3.铜球阀;4.回风口;5.毛细管网;6.送风口;7.冷凝水盘;8.流量计;9.闭式水箱;10.热泵机组。图3 重力柜系统原理图

1.3 测量参数及测点布置

实验首先开启热泵机组,低温冷水进入重力柜循环至室内环境达到稳态后,采用数据采集仪搭配22根J型热电偶测量重力柜进出口水温、风温、辐射板壁温及房间温度。房间的相对湿度采用XYWS-1B型温湿度记录仪测量并记录。管路供水总流量采用DFA-15T型转子流量计测量,具有监测微调流量的功能。测试仪器的具体参数如表1所示。

表1 测试仪器及其参数

实验房间为上海松江某实验室,西墙为外墙,南墙为内墙,其余两面采用厚度为5 cm的聚氯乙烯(PVC)滑轨折叠板包围出2个不同面积的房间,折叠板正反面添加保温棉且房间进行密封。其中小房间尺寸为6.0 m(长)×3.7 m(宽)×3.5 m(高),总面积约22 m2;大房间尺寸为6.0 m(长)×4.7 m(宽)×3.5 m(高),总面积约28 m2。

对于室内测点,选择距地面0.1、0.7、1.7、3.0 m高处4个截面为测试截面,即在工作区内人的脚踝、胸口、站立时头部的位置及非工作区的测试位置。大、小房间的温湿度测点布置如图4所示,房间内部设立多条铅垂线,大、小房间每个截面分别选取1～12、1～9个点与热电偶进行连接,作为测点,测量时间间隔为1 min。

注:1～12为温度测点。图4 室内测点布置图

2 重力柜的供冷出力分析

2.1 供冷量理论计算公式

重力柜的供冷量分为两部分:一部分是由送回风口间的外辐射板与围护结构内表面的辐射换热产生的冷量,根据文献[4],得到辐射供冷的计算公式,见式(1)、(2);另一部分是由室内空气与冷水对流换热产生的冷量,可利用送回风口温差来计算,见式(3)。

qr=σ[(tr+273.15)4-(tp+273.15)4]

(1)

Qr=qrs

(2)

式(1)、(2)中qr为单位面积重力柜外辐射板供冷量,W/m2;σ为斯忒藩-玻耳兹曼常量,5.67×10-8W/(m2·K4);tr为房间非供冷表面的加权平均温度,℃;tp为外辐射板表面的平均温度,℃;Qr为重力柜外辐射板供冷量,W;s为重力柜外辐射板面积,m2。

Qc=cpam(toa-tia)

(3)

式中Qc为自然对流供冷量,W;cpa为空气的比定压热容,J/(kg·℃);m为空气的质量流量,kg/s;toa为重力柜回风温度,℃;tia为重力柜送风温度,℃。

根据文献[14],通过重力柜的供回水温度和管路总流量,即可计算得到总供冷量Q,计算式为

Q=Lρcpw(tow-tiw)

(4)

式中L为重力柜主干管的水流量,m3/s;ρ为水的密度,kg/m3;cpw为水的比定压热容,J/(kg·℃);tow为毛细管回水温度,℃;tiw为毛细管供水温度,℃。

2.2 不同供水温度下的供冷能力

采用J型热电偶在重力柜送回风口分别布置左、中、右3个测点进行测温,在热泵机组供水达到稳定后,以小房间为例,测得重力柜在不同供水温度下送回风口的温差分布情况,如图5所示。

图5 不同供水温度下重力柜送回风口温差分布

由图5可知:夏季重力柜在不同流量下送回风的温差曲线间隔相近,不同流量的温差相差较小。测试房间送回风温差范围为11.5～16.3 ℃;送回风温差随着供水温度降低、供水流量增大而明显增大,也体现了此时的制冷效果更好。由式(3)可知,当送回风温差增大后,室内空气与毛细管换热量增大,导致对流供冷量增大,这是重力柜总供冷量增大的主要原因。

改变供水流量和供水温度,使用热电偶分别测量重力柜的供回水温度,由式(4)进行计算,得到重力柜的供冷量与供水温度、供水流量的关系曲线,如图6所示。

图6 重力柜供冷量与供水温度、供水流量的关系曲线

由图6可知:随着供水温度降低、供水流量增大,重力柜的供冷量增大;小房间的供冷量范围为1 400～2 100 W。图中4条曲线距离相近而高差较大,说明调节供水温度比供水流量更有效[13]。

2.3 不同供水温度下的室内温湿度

在实验测试过程中,室外温度为27～34 ℃,平均温度为30 ℃,室外相对湿度为70%～90%。经实验验证了同一测试平面内各测点间的室内温湿度变化微小,差值在1%以内,且相较于供水温度,受供水流量的变化影响较小[12,15]。因此固定管路供水流量为7 L/min,调节供水温度,测量小房间4个测试截面内所有测点的温湿度,并计算平均值。测试房间温度的分布如图7所示,相对湿度的分布如图8所示。

图7 不同供水温度下室内温度变化

图8 不同供水温度下室内相对湿度变化

由图7、8可以看出,通过重力柜的连续循环运行,小房间的室内平均温度稳定在24～25 ℃,平均相对湿度稳定在47%～50%。根据文献[16],人在办公室内进行静坐等轻度活动时,在25～27 ℃环境下感觉舒适。因此当供水温度为9～11 ℃时,房间内的平均温度在人体的舒适范围内。

由图7、8可知,房间温度随着高度的增大而升高,而相对湿度则随高度的增大先减小后增大,这种现象是多参数交互影响的结果,室内人员的呼吸也是湿度在转折点处增大的一个原因[15]。工作区内,距地面0.1 m高平面的室内温湿度均随着供水温度的升高而增大,这是因为该平面靠近重力柜送风口,所以变化趋势较明显。距地面0.7 m高平面的室内温度随供水温度的升高平缓升高,且接近室内平均温度;而相对湿度则随供水温度的升高明显增大,这是因为受到了重力柜送风口源源不断送出被除湿冷空气的影响,且供水温度越低,相对湿度越小,说明除湿效果越好。距地面1.7 m高平面的温度随供水温度的升高维持平稳升高的趋势,相对湿度曲线斜率则减小。距地面3.0 m高平面的温湿度曲线均接近水平直线,仅受供水温度变化的微小影响,这是因为该平面位于重力柜回风口上方,温湿度变化波动小、趋于稳定。

3 辐射板保温对重力柜的影响

3.1 辐射板保温的辐射供冷量及其占比

以上分析均是在外辐射板无保温的情况下,实际应用中为了防止冷凝水外溅至辐射板面产生噪声及导致结露,安装时会在重力柜外辐射板内表面添加一层保温棉来隔声并防止结露。以小房间为例,将外辐射板添加3 cm厚的保温棉,同样测量不同工况下外辐射板表面的温度,计算出辐射供冷量。图9显示了重力柜有、无保温情况下辐射供冷量的对比,图10显示了重力柜有、无保温情况下辐射供冷量占比对比。

图9 重力柜有、无保温情况下辐射供冷量对比

图10 重力柜有、无保温情况下辐射供冷量占比对比

由图9、10可知:不同工况下,重力柜无保温时的辐射供冷量为55～70 W,占总供冷量的3.0%～4.5%,且随着供水温度降低、供水流量增大而明显增大;加保温后辐射供冷量减小至13.1～13.3 W,占总供冷量的0.55%～0.85%,且受供水温度和流量的影响微小。可见重力柜供冷主要依靠对流换热,辐射换热只占很小的一部分。当在辐射板增加保温棉后,辐射供冷量占比急剧减小,且无论外辐射板有无保温,辐射供冷量占比均随着供水温度升高、供水流量减小而增大。

3.2 辐射板保温对重力柜出力的影响

选取7、9、11 ℃ 3种供水温度,研究辐射板保温对重力柜出力的影响,将外辐射板添加保温棉后,测量4种流量下的供回水温度并计算供冷量,重力柜有、无保温情况下供冷量对比如图11所示。

图11 重力柜有、无保温情况下供冷量对比

由图11可知,小房间无保温时重力柜的供冷量为1 400～2 100 W,加保温时供冷量为1 480～2 300 W。说明相较于无保温工况,添加保温后重力柜的出力会增加,供冷量增大100～200 W。这是因为当外辐射板添加保温棉后,减少了外辐射板散热,并较好地增强了毛细管与室内空气间的对流换热,从而使供冷量增大。

4 房间负荷对重力柜的影响

4.1 房间负荷对重力柜出力的影响

当房间面积分别为22 m2和28 m2时,计算得到房间内的冷负荷分别约为1 300 W和1 500 W。可见房间面积的改变会影响室内的负荷,选取7、9、11 ℃ 3种供水温度,4、7 L/min 2种供水流量,通过改变实验房间的面积研究不同的房间负荷对重力柜出力的影响,重力柜大、小房间供冷量对比如图12所示。

图12 重力柜大、小房间供冷量对比

由图12可知,大房间无保温时供冷量为1 600～2 300 W,加保温时供冷量为1 750～2 600 W,说明重力柜的出力可以满足夏季室内负荷要求,且随着房间负荷的增大,重力柜的供冷量也会增大,出力增加。这是因为当室内冷负荷增大后,重力柜与房间的换热增强,使回水温度升高,导致供冷量增大。

4.2 不同房间负荷的供冷量拟合公式

考虑到供冷量与供水温度、供水流量、室内温度等变量相关,取室温与供回水平均温度之差作为特征温度,根据已计算出的重力柜总供冷量,采用Origin软件进行公式拟合,得到重力柜夏季的供冷性能曲线,如图13所示。

图13 重力柜夏季的供冷量拟合曲线

由图13可知,重力柜夏季的供冷量与特征温度呈正比关系,根据文献[14,17],使用幂函数作为拟合公式的基础,由供回水温度得到供回水平均温度计算公式,如式(5)所示;在供回水平均温度的基础上,可以得出夏季供冷量Q与特征温差之间的关系式,如式(6)所示。

(5)

Q=kn(tp-Δt)b

(6)

式(5)、(6)中 Δt为夏季毛细管供回水平均温度,℃;k为拟合系数;n为重力柜数量;tp为室内平均温度,℃;b为指数。

k、b值如表2所示。

表2 重力柜不同工况下的拟合结果

5 重力柜的除湿性能

5.1 除湿公式

在夏季,热泵供入的低温冷水使得柜内毛细管壁温远低于进口热空气的露点温度,产生的凝结水受重力作用流入柜底冷凝水盘后排至室外,实现系统除湿。根据文献[18]查得对应风口温度下的饱和分压力,通过式(7)得到饱和含湿量,空气温度与饱和含湿量的关系如表3所示。根据风口尺寸和进出口风速确定空气的循环风量,通过式(8)、(9)即可确定除湿量W。

(7)

式中db为饱和含湿量,g/kg;φ为相对湿度;B为大气压力,Pa;pw,s为饱和分压力,Pa。

d=φdb

(8)

式中d为含湿量,g/kg。

W=M(d2-d1)

(9)

式中W为重力柜单位时间除湿量,kg/h;M为重力柜送回风口空气质量流量,kg/h;d2为重力柜回风口空气含湿量,kg/kg;d1为重力柜送风口空气含湿量,kg/kg。

5.2 测试重力柜不同供水温度下的除湿性能

实验过程中,室内人员为1人,散湿量为68 g/h。固定供水流量为7 L/min,改变供水温度,当房间温湿度稳定后,采用温湿度仪测出重力柜送回风口处空气的相对湿度。根据式(7)～(9)计算出对应的除湿量,得到重力柜在不同供水温度下送回风口相对湿度和除湿量的分布,如图14所示。

图14 不同供水温度下送回风口相对湿度、除湿量分布

由图14可以看出:重力柜回风口处空气的相对湿度为40%左右,随供水温度的变化微小,送风口处相对湿度范围为75%～85%,随着供水温度的升高而明显增大;供水流量为7 L/min时,重力柜的除湿量为400～990 g/h,随着供水温度的升高而增大,且除湿量的增加率随着供水温度的降低而明显增大。随着供水温度的降低,除湿效果增强的同时也会因制备低温冷水而增加机组能耗,因此实际运行中应该选择合适的供水温度和供水流量范围来保证较好的除湿效果和较低的能耗[13]。

6 结论

通过实测得到不同房间负荷、辐射板有无保温等工况下室内温湿度的分布情况,并对重力柜的供冷量、辐射供冷量占比及除湿情况进行了研究,得到以下结论:

1) 夏季室外温度为27～34 ℃,相对湿度为70%～90%。常规供水工况下,在房间负荷为1 300 W时,重力柜总供冷量在无保温时为1 400～2 100 W,加保温时为1 500～2 300 W;在房间负荷为1 500 W时,总供冷量在无保温时增加至1 600～2 300 W,加保温时增加至1 750～2 600 W。夏季室内温度为24～25 ℃,相对湿度为47%～50%。重力柜的供冷能力随着供水温度降低、供水流量和房间负荷增大、添加辐射板保温而增强。

2) 夏季重力柜主要通过送回风口间的对流换热传送冷量,辐射供冷量占比很小,无保温时为3.0%～4.5%,加保温后为0.5%～1.0%。随着供水温度降低、供水流量增大,无保温时辐射供冷量增大,加保温时变化微小,而辐射供冷量占比在有无保温时均增大。

3) 夏季重力柜的供冷量与特征温度呈正比关系,在房间负荷为1 300 W时,拟合公式无保温时为Q=51.28n(tp-Δt)1.36,加保温时为Q=87.51n(tp-Δt)1.21;在房间负荷为1 500 W时,拟合公式无保温时为Q=63.40n(tp-Δt)1.18,加保温时为Q=28.02n(tp-Δt)1.60。

4) 当供水温度为7～11 ℃、供水流量为7 L/min时,重力柜的除湿量为400～1 000 g/h,房间在稳态情况下重力柜的除湿量随供水温度的降低而增大。

由于实验场地受限,本文在实验过程中仅对2种室内负荷下重力柜的供冷能力进行了研究,且只选用了1种辐射板保温材料,针对这些不足之处,未来将扩大室内负荷范围,增设不同材质、厚度的保温材料,对重力柜在多种负荷、辐射板保温等工况下的供冷能力和供冷极限开展进一步的实验研究。