一種新型熱濕獨立控制系統冬季工況下的實驗研究

黃 溢 江 宇 葛天舒 王如竹

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

根據近年來能源領域的研究和實踐，建筑耗能已約占社會總能耗的1/3，而建筑能耗的55%用于空氣調節系統(制冷，采暖，通風)。隨著建筑行業的迅猛發展和人民對居住環境要求的日益提高，這個比重還會繼續增加。因此，如何使空氣調節系統滿足室內舒適度要求的同時達到節能是相關領域的重要研究課題。

目前廣泛應用于建筑中的壓縮式熱泵空調系統主要存在以下不足:

1)系統往往更加側重室內溫度的調節，而室內濕度的調節并不能被很好地控制。夏季工況下，空氣的露點溫度為15℃左右，考慮到傳熱溫差，需要很低的蒸發溫度(5℃左右)才能將空氣過冷除濕到設計的濕度，過低的送風溫度常導致房間內溫度分布不均勻，并不符合人體舒適度的要求。

2)而在冬季，此類空調只能提高房間溫度，卻無法滿足加濕的要求，這也是人在冬天開空調的房間會通常會感覺干燥的原因。

3)室內濕度控制不好會對建筑和室內電器的正常使用造成如墻壁和地板老化過快等不良影響。

4)傳統壓縮式熱泵空調不能提供任何新風，長時間緊閉門窗會使室內空氣的二氧化碳濃度增高，不利于人體健康。

總結上述不足可以看出，由于壓縮系統對熱濕負荷進行集中處理導致系統能耗增加，并且難以滿足房間舒適度的要求。為了有效克服這些問題，近年來國內外學者對熱濕獨立控制的空調系統進行了研究。此類系統通過除濕設備(固體除濕轉輪或液體除濕器)單獨處理空氣中的濕負荷，然后通過蒸發冷卻對空氣降溫，實現了濕負荷和熱負荷的分開處理和獨立控制。一些研究者對基于溶液除濕的復合式熱泵循環進行了研究［1－5］，另有一些研究者對基于干燥劑除濕的復合式熱泵循環進行了研究［6－10］。綜合研究者們的研究成果，基于液體除濕的復合式除濕熱泵循環驅動再生溫度在55～75℃之間，太陽能、發電廢熱等低品位能源可以用來提供循環所需再生熱能。但是此類系統存在送風帶液問題，影響送風質量且會對蒸發器產生腐蝕，運行和維護成本較高。基于固體除濕的復合式除濕熱泵循環免除了液體除濕的帶液問題，但需要更高的再生溫度，可達140℃，導致系統構造復雜，體積增加，成本居高不下［11］。

近期，日本大金公司研制出了一種新型的濕負荷處理系統DESICA，并將其與高顯熱的VRV結合，構成一種新型熱濕獨立控制系統。為了驗證新型系統的性能，通過上海冬季工況下的現地實驗，對DESICA的COP、顯熱和潛熱負荷的處理能力以及能耗進行了實驗研究，并對 DESICA＆VRV復合系統與HRV＆VRV復合系統進行舒適度和能耗的實驗比較。

1 系統描述

1.1 濕負荷處理系統DESICA

傳統的轉輪式除濕系統，是將需要空氣直接引入轉輪處理潛熱負荷，再通過一個蒸發冷卻器對空氣進行冷卻處理顯熱負荷。由于固體除濕過程中伴隨吸附熱的產生，系統的濕負荷處理效果很難提高同時對驅動熱源也提出了更高的要求。為了有效克服這些問題，新型的濕負荷處理系統DESICA采用將干燥劑和熱泵循環相結合的方法。與轉輪式除濕系統不同，此類系統將干燥劑涂覆于顯熱交換器翅片表面構成吸附式熱交換器，干燥劑用于吸附空氣中的水分，而熱泵循環可以對干燥劑進行直接冷卻(或者加熱)達到高效濕負荷處理的效果。

DESICA系統具體的工作原理如圖1和圖2所示。系統包括一個壓縮機，一個膨脹閥和兩個吸附式熱交換器和一套風閥系統，通過一個四位換向閥按一定的周期轉換制冷劑的流向，兩個吸附式熱交換器輪流充當蒸發器和冷凝器。當吸附式熱交換器充當蒸發器時，表面的干燥劑吸附流經空氣的水分，達到除濕的目的。而當吸附式熱交換器充當冷凝器時，表面的干燥劑向流經空氣放出水分，達到加濕(再生)的目的。DESICA的進風口(Outdoor Air簡稱OA)，排風口(Exhaust Air簡稱EA)連接室外，送風口(Supply Air，簡稱 SA)，回風口(Return Air簡稱 RA)連接室內。并且在EA和SA處各裝有一臺風機。

如圖1所示，除濕/制冷工況下，工作狀態1和2互相切換，當DESICA處于工作狀態1時，換熱器1充當蒸發器。OA含濕量較大(圖中白色小點表示水蒸氣)，OA流經蒸發器時，水蒸氣被涂在蒸發器表面的干燥劑吸收，OA含濕量降低，在此過程中，流經蒸發器的制冷劑不僅帶走吸附所產生的吸附熱，還對OA進行降溫，如此，高溫高濕的OA經過處理，成為低溫低濕的SA，然后被送入房間。

與此同時，換熱器2充當冷凝器。壓縮后的高溫制冷劑進入冷凝器，加熱干燥劑，吸附于干燥劑上的水分被釋放出來。同時RA流經冷凝器，帶走熱量以及釋放出的水分，成為EA被排放到環境中去。除濕材料得到解吸再生。

當換熱器1上的除濕材料吸收的水蒸氣接近飽和，吸濕能力下降時，四位換向閥改變制冷劑流向，風閥改變空氣的流向，DESICA由工作狀態1切換為工作狀態2，冷凝器和蒸發器互換，即除濕材料得到再生的換熱器2充當蒸發器，對OA進行除濕和降溫，而除濕材料中吸入一定量水蒸氣的換熱器1充當冷凝器，向RA釋放熱量和水分，換熱器1上的除濕材料得到解析再生。當換熱器2上的除濕材料吸濕飽和時，再次改變制冷劑流向和風向，DESICA切換回工作狀態1，如此循環往復，實現不間斷地除濕降溫功能。

在加濕/制熱工況下，如圖2所示，DESICA處于工作狀態1時，換熱器1充當冷凝器，低溫低濕的OA流經冷凝器，成為高溫高濕的SA被送入房間，換熱器2充當蒸發器，高溫高濕的RA流經蒸發器，得到降溫除濕，成為EA被排到室外。換熱器2的除濕材料吸濕飽和時，DESICA切換成工作狀態2，換熱器1充當蒸發器，當換熱器1的除濕材料吸濕飽和時，DESICA再次切換回工作狀態1，如此循環往復，實現不間斷地加濕升溫功能。

圖1 DESICA除濕＆制冷原理圖(DAIKIN制圖)Fig．1 Schematic diagram of DESICA on dehumidification ＆cooling condition(by DAIKIN)

1.2 全熱交換器

圖2 DESICA加濕＆制熱原理圖(DAIKIN制圖)Fig．2 Schematic diagram of DESICA on humidification ＆heating condition(by DAIKIN)

全熱交換器有四個通風口，OA，SA，RA，EA，進風和回風進行熱交換。夏季，低溫回風對高溫送風進行降溫;冬季，高溫回風對低溫回風進行升溫。通過熱交換，減少了通風過程中的熱量損失。

1.3 VRV熱泵空調系統

VRV空調系統全稱是Varied Refrigerant Volume，簡稱VRV，是一種通過改變壓縮機轉速來改變制冷劑流量的空調系統。一臺室外機能夠向若干個室內機輸送制冷劑。本實驗采用了兩套VRV機組，分別與DESICA和HRV配合運行。每套機組由一臺室外機和三臺室內機組成。

2 實驗方案

2.1 被調空間

選取上海交通大學中意綠色能源樓的一個學生工作室作為被調空間，同時安裝了DESICA＆VRV系統和HRV＆VRV系統。該實驗房間長11.2 m，寬6.4 m，高3.0 m，房間內常駐人員為15人，光照負荷400 W，電器負荷1500 W。

圖3設備安裝示意圖Fig．3 System installation layout

圖4測點安排示意圖Fig．4 Measurements layout

2.2 系統選型

本實驗所采用的DESICA，HRV，VRV的技術參數如表1～表3所示。

表1 DESICA技術參數Tab．1 Technical specification of DESICA

表2 HRV技術參數Tab．2 Technical specification of HRV

表3 VRV技術參數Tab．3 Technical specification of VRV

2.3 設備安裝和測點安排

圖3顯示了DESICA、HRV以及各VRV室內機在房間內的安裝位置以及DESICA和HRV的風路。圖4顯示了各傳感器的位置。

為了研究房間內外的溫濕度情況，在室內外安放了型號為TR－72Ui的溫濕度記錄儀(精度±0.3℃;±5%RH)，如圖4所示:

1)在室內機的進風口和出風口分別裝有一個溫濕度傳感器以測量VRV的送分和回風溫濕度，共12個。

2)在四周墻上共裝有6個溫濕度傳感器。

3)在辦公桌側方裝有9個溫濕度傳感器。

4)在西墻外側裝有一個溫濕度傳感器，以測量房間外樓內的溫濕度。

5)在戶外裝有2個溫濕度傳感器，以測量室外工況。

以室內墻上的6個傳感器和桌側的9個傳感器測得的平均值作為房間內溫濕度的值。

DESICA和HRV的四個風口分別裝有一個型號為Testo 6651溫濕度傳感器(精度±0.2℃，±．7%RH)，以記錄各風口進出風的溫濕度。

另外用型號為 ALWTN的電功率計(精度 ±0.5%)用來測量DESICA，HRV和VRV的電功率。

2.4 實驗運行時間表

冬季工況實驗從2012年12月10日進行到2013年1月30日。每天系統的開機時間為7:30，關機時間為22:00。對工作室學生室內人數比較穩定的9:00－17:00數據進行比較，并且為了確保室外工況的相似性，DESICA和HRV進行隔天運行的輪換運行時間表。根據相關標準［12］，設定室內目標工況為溫度22℃，相對濕度50%。

3 實驗數據處理方法

DESICA潛熱，全熱及顯熱能力的計算由以下公式得出:

DESICA單機的COP，由以下公式計算:

每臺室內機的制冷量和VRV系統總的制冷量由下列公式計算:

DESICA＆VRV系統COP由下式計算:

HRV的全熱能力由以下公式計算:

HRV＆VRV系統COP由下式計算:

4 實驗結果與討論

4.1 DESICA性能結果

選取2012年12月21日的實驗情況作為DESICA運行的典型工況。圖5反應了在實驗運行的一天里，OA/SA含濕量，室內空氣含濕量隨時間的變化情況。數據采集間隔為15 min。從圖5可以看到，7:30實驗開始時，室內空氣和SA的含濕量與OA的含濕量接近，為6 g/kg左右。經過大約2 h，室內空氣的含濕量上升到8.4 g/kg，并維持在這個水平。另外，VRV調節房間溫度，使之穩定在21℃，從而室內的相對濕度為54%，這是舒適的溫濕度空間。

圖5 DESICA典型工況圖Fig．5 Typical running condition of DESICA

圖6 DESICA顯熱/潛熱能力和電功率Fig．6 Sensible/latent heat capacity and power consumption of DESICA

圖6顯示了DESICA的顯熱和潛熱能力以及耗 電功率隨時間的變化情況。從圖中可以看出，在實驗的開始階段，顯熱/潛熱以及電功率有交大波動，而且波動的趨勢相似。在辦公時間段9:00－17:00，這三個值都比較穩定，DESICA運行的平均電功率為0.409 kW。顯熱能力為2.05 kW，潛熱能力為1.47 kW，總能力3.52 kW，從而DESICA單機的COP為8.6。

DESICA單機的功率不是一成不變的，根據室外工況的不同，DESICA會自動調節運轉比率從而保證室內環境的溫度和濕度(當室外空氣濕度較高時，DESICA的運轉比率降低，功耗也就隨之降低。而當室外空氣濕度較低時，DESICA的運轉比率升高，功耗也就隨之升高)。

圖7 DESICA單機COP，耗電功率，顯/潛熱與OA含濕量的關系Fig．7 COP，power consumption，sensible/latent heat capacity related to OA humidity ratio

取每天9:00－17:00室外含濕量，電功率，顯/潛熱的平均值，將DESICA運行的16天的數據做成圖7，從圖7可以看出，當室外空氣的含濕量小于4.3 g/kg時，DESICA的耗電功率、顯熱和潛熱能力隨著含濕量的增加而遞減，電功率相對于自身遞減的程度比顯/潛熱的遞減程度大，從而DESICA的COP隨含濕量的增加而增加。當室外含濕量介于4.3～6 g/kg之間時，電功率維持在0.4～0.5 kW，顯熱和潛熱變化不大，COP維持在8～9．當室外空氣含濕量大于6 g/kg時，耗電功率有所下降，顯/潛熱下降較大，從而COP有所下降，約為7。

4.2 DESICA＆VRV復合系統性能以及與HRV＆VRV復合系統的比較

前文中提到過，DESICA主要控制室內的濕度，只能處理一部分顯熱，室內溫度的升高主要還是靠VRV空調來實現，二者的結合來控制房間內的溫濕度。現在比較DESICA＆VRV系統和HRV＆VRV系統對房間舒適度的控制。

圖8 DESICA＆VRV系統和HRV＆VRV系統運行的室外工況和室內工況Fig．8 Indoor and outdoor conditions of DESICA＆VRV system and HRV＆VRV system

從圖8中可以看出，DESICA＆VRV系統每個運行日，室內工況的平均值都落在舒適區間(冬季:室內溫度18～24℃，室內相對濕度30% ～60%［12］)，HRV＆VRV系統運行時候，室內工況只有一半左右在舒適區間內，主要原因是室內濕度滿足不了要求，雖然室內含濕量略大于室外含濕量，但這部分增量主要來自于室內人員呼吸所產生的水分。

HRV＆VRV系統對溫度的控制的精密度和準確度都沒有DESICA＆VRV系統高。HRV所配VRV空調與DESICA所配VRV空調工作原理相同，由此可見室內穩定的含濕量能提高VRV空調對溫度控制的精準程度。

下面比較DESICA＆VRV系統和 HRV＆VRV系統的每天的能耗。

圖9 DESICA＆VRV系統每日耗電量及室外溫度Fig．9 Daily energy consumption and outdoor temperature of DESICA＆VRV system

圖10 HRV＆VRV系統每日耗電量及室外溫度Fig．10 Daily energy consumption and outdoor temperature of HRV＆VRV system

圖9和圖10示分別顯示了DESICA＆VRV系統和HRV＆VRV系統每天9:00－17:00時間段的總耗電量和室外溫度。從圖中可以看出，DESICA＆VRV系統和HRV＆VRV系統的總耗電量總體上隨著室外溫度的升高而下降。HRV＆VRV系統能耗隨溫度升高而下降的趨勢更加明顯，因為HRV＆VRV系統主要處理的是顯熱，室內外溫差越小，能耗越小。DESICA＆VRV系統能耗隨溫度升高而下降的趨勢并非很明顯，這是由于DESICA＆VRV系統的能耗與還與室外濕度有關。

表4顯示了DESICA＆VRV系統和HRV＆VRV系統的能耗以及COP在實驗期間的平均值。從表中可以看出，雖然DESICA單機的能耗略高于HRV單機的能耗，但DESICA在處理潛熱的同時也能提供部分顯熱，使得與DESICA配合測試的VRV空調的能耗低于與HRV配合測試的普通VRV的能耗，從而使DESICA＆VRV復合系統比HRV＆VRV復合系統更加節能，冬季工況下節能約9%。DESICA＆VRV復合系統的COP亦明顯高于HRV＆VRV復合系統，達4.4。

表4 DESICA＆VRV，HRV＆VRV系統能耗與COPTab．4 Energy consumption and COP of DESICA＆VRV system and HRV＆VRV system

5 結論

一種新型濕負荷處理系統DESICA與VRV空調相結合組成溫濕度獨立控制系統。對該系統進行現地實驗并與傳統全熱交換器HRV與VRV空調結合的系統做出比較，得出以下結論:

1)在冬季工況下，DESICA單機有很強的加濕能力，盡管其出風的含濕量呈現周期性波動，但對房間的濕度控制很準確，與VRV配合運行，能提供平均溫度21.3℃，平均濕度51.5%的室內環境，其舒適性優于HRV＆VRV復合系統。

2)DESICA單機的能耗和COP受室外含濕量的影響較大。

3)DESICA＆VRV復合系統和HRV＆VRV復合系統的能耗總體上隨室外溫度的增高而降低，DESICA＆VRV復合系統比HRV＆VRV復合系統節能約9%，DESICA＆VRV復合系統的COP達4.4。

符號說明

w ——含濕量，kg/kg

L——汽化潛熱，kJ/kg

T——溫度，℃

h——比焓，kJ/kg

W——電功率，kW

COP——系統運行效率

下標

l——潛熱

t——全熱

s——顯熱

OA——室外空氣

SA——室內空氣

D ——DESICA系統

H——全熱交換器(HRV)

V——VRV空調

o——室內機出風口

i——室內機進風口

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