泳池用除濕熱泵系統溫濕度控制策略及除濕效率評價

劉　洋，萬言興

（大連市建筑設計研究院有限公司，遼寧大連116021）

泳池用除濕熱泵系統溫濕度控制策略及除濕效率評價

劉洋，萬言興

（大連市建筑設計研究院有限公司，遼寧大連116021）

泳池用除濕熱泵系統配置有獨立的壓縮機及冷凝器，具有系統設置靈活、蒸發溫度低，自控程度較高等特點。本文結合某泳館改造實例，對該項目用泳池除濕熱泵系統的溫濕度控制策略進行分析，并通過實測的溫濕度數據，對系統的除濕效率進行了評估。

泳池除濕熱泵；熱濕負荷計算；溫濕度控制策略；除濕效率；焓濕圖

0　引言

大連某綜合性體育館于2003年建成并開始投入使用，總建筑面積17128m2，包括一個無觀眾席、建筑面積為2300m2的標準十道游泳館。原設計方案為整個體育館采用集中冷站，泳館部分采用全空氣空調系統。運行數年，泳館結露現象嚴重，導致圍護結構腐蝕、空調設備失效等問題，影響泳池的使用安全及效果。分析主要原因：一是原設計體育館冷源，單臺主機的冷量遠大于泳館的降溫除濕負荷，為了節省運行費用，除非有大型的慶典或體育賽事，冷水機組一般較少開啟。二是原設計采用傳統水盤管的普通空調箱全空氣系統，調查發現其基本運行模式為在冬夏季設計工況下的參數，定新風量系統，難以滿足復雜的氣候變化條件。三是末端采用普通風口形式、氣流組織為上送上回形式，對圍護結構的防結露措施不好。四是原有建筑圍護結構窗墻比大、熱工性能較差。本文針對上述問題提出解決方案，重點對空調冷熱源系統形式及溫濕度控制策略進行對比分析，并對改造后的泳館溫濕度的效果進行實測評估，對系統的除濕效率進行了計算。

圖1　改造前空調冷、熱水系統原理圖

1　改造方案分析

1.1分析冷熱源方案

原設計方案如圖1所示，由于集中供冷機房的設備較少開啟，在游泳館需要除濕時，常常需要開一臺較大供冷量的制冷機組為游泳館制冷，但業主為了節能運行，采用間歇啟動，時常導致供冷溫度太高無法滿足除濕要求。若單獨另設一臺小型制冷機組，制冷機冷量以保證泳池夏季冷負荷及除濕負荷為主，但采用集中冷凍水的空調系統，其冷卻塔受室外天氣（如高溫高濕天氣）影響，會導致冷凍水溫不穩定，或盤管選型不合適，較常出現的問題是機器的露點溫度難以滿足各種工況下的空氣除濕要求，較難精確控制空調送風的濕度，且夏季和過渡季需依賴其它再熱熱源，才能保證設計的送風溫度。

圖2　泳池用除濕熱泵系統工作原理

通過對以上技術方案對比，最終確定采用泳池用除濕熱泵空調系統，工作原理如圖2所示。由于自帶獨立壓縮機及冷凝器，該系統的運行時間可獨立控制，給游泳的運營管理帶來更大的靈活性。和常規的空調系統相比，該系統保證制冷劑的蒸發溫度直供，有效調節空氣除濕所需的露點溫度，對于除濕要求特別高的場所也可以采用雙冷源配置，即配置集中冷凍水系統和氟利昂直膨式系統，可以確保在最不利的設計工況下也能保證除濕效果。同時該系統也結合了熱泵的工作原理，配置了三套表冷器，可全年保證高溫高濕的室內空氣通過蒸發冷卻的方式進行除濕降溫，同時其冷凝熱及壓縮機做功的能量可部分回收。回收的熱量優先用于空調送風的二次加熱，以保證精確的送風溫差，剩余熱量則可通過池水換熱器對泳池的循環熱水進行熱量補充，最后無法利用的熱量則通過室外風冷冷凝器排放。該系統同時配置溫濕度傳感控制系統，實現不同季節智能調節不同的運行工況。

1.2具體改造措施

1）將泳池空調系統調整為獨立壓縮機和冷凝器的除濕熱泵空調系統；2）提高圍護結構熱工性能，根據防結露溫差，計算圍護結構最小熱阻，增加隔熱層，并通過減少窗墻比、增加防潮隔汽膜的方式進行土建改造；3）優化場館內的氣流組織變為上送下回的方式，并通過可調節角度的噴口將空調送風送至圍護結構處，有效提高圍護結構的表面溫度，減輕結露現象。4）重新設計泳池周邊區域的地熱及散熱器系統；

2　熱濕負荷計算

2.1濕負荷計算

泳池參數設定如下：池水溫度T=26℃，室內空氣干球溫度ta=28℃，相對濕度φ=70%，露點溫度tl=21. 8℃。泳池的散濕量主要分三部分，即池水散濕量、池邊散濕量、人員散濕量。池水散濕量采用ASHRAE推薦的公式（1）[1]，池邊的散濕量采用公式（2）[2]，人員散濕量采用公式（3）[2]分別計算。

式中W1—池水散濕量，kg/h；

AP—泳池面積，本工程1250m2；

m—人員活動修正系數，用于公共或學校的游泳池時，m=1；

v—主體空氣的風速，本工程取0.2m/s；

Y—水表面溫度下（T=26℃）的汽化潛熱[3]，2439.6kJ/kg；

ΔP=Pw－Pa，其中Pw為水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力[4]，3.401KPa（26℃）；

Pa—主體空氣的水蒸氣分壓力[4]，2.680kPa；（ta=28℃，φ=70%）；

W2—池邊散濕量，kg/h；

ta—室內空調計算干球溫度，28℃；

tw—室內空調計算濕球溫度，23.6℃；

F—池邊面積，本工程890m2；

f—潤濕系數（0.2～0.4）[2]，本工程取0.2；

W3—人員散濕量，kg/h；

E—單位人員散濕量，取0.203Kg/h·人；

n—人數；

n1—群集系數，經調查，本泳館更衣箱為300個，池邊人數約為50-60人，則n=300，n1=0.2。

計算結果W1為139.2kg/h，W2為13.4kg/h，W3為12.2kg/h，總散濕量為164.8kg/h。

2.2冷熱負荷分析及熱濕比

為滿足室內的溫、濕度設計要求，采用公式（4）[4]計算室內空氣處理過程的熱濕比。

式中Q—房間冷、熱負荷，kJ/h；

W—房間的濕負荷，kg/h；

ε—房間計算熱濕比，kJ/kg；

泳館冬季熱負荷主要由圍護結構的散熱量和池水蒸發進入空氣的潛熱負荷組成，由于池邊散濕以及人體散濕蒸發是將空氣的顯熱轉化潛熱，故不計入熱負荷。在計算中，圍護結構的顯熱負荷主要由地板輻射系統和散熱器系統承擔，池水蒸發的潛熱負荷則由除濕熱泵系統承擔。分析公式（1）～（3），當室內設計狀態點不變時，潛熱負荷與室外空氣狀態點無關，所以冬季室內空氣處理過程的熱濕比為恒定的數值。對于冬季工況，Qd=342360kJ/h，Wd=164.8kg/h，則εd=2078kJ/kg。

泳館夏季冷負荷包括兩部分，一是圍護結構、人員、燈光、設備等冷負荷，在設計工況下[5]的計算值為134.7kW，這部分冷負荷是隨天氣變化的。二是池水蒸發進入空氣的潛熱負荷，這部分計算值與冬季一致。對于夏季設計工況下：Qx=827280kJ/h，Wx=164.8kg/h，熱濕比εx=5020kJ/kg。

3　溫濕度控制策略分析

3.1冬季及過渡季空氣處理過程

冬季除濕熱泵的處理過程如圖3所示。過室內狀態點Tn作冬季室內熱濕比線（εd），并根據設計風量確定能滿足除濕要求的送風狀態點TS0。除濕熱泵的主要空氣處理過程如下：室內回風進入機組后，排風機按設定比例排出部分空氣，剩余的回風（Tn）經蒸發器冷卻除濕至機器露點狀態To（干球溫度19.3℃，相對濕度90%），冷凝器將回收的熱量以及壓縮機做功以再熱的方式對低溫低濕的空氣進行等濕加熱過程至Th1，該狀態點與設定比例的室外新風Tw1進行混合，混合點Ts1在冬季處理過程的等εd線，且Ts1的狀態點的含濕量小于Ts0，可以滿足室內除濕的設計要求。

經計算，在規范[5]中冬季設計工況下（室外空調計算溫度Tw1=-14.3℃），當新風比為15%時，蒸發器回收的熱量正好可以滿足送風狀態點的再熱要求，不需要另外的熱源。在相同新風比例下，當冬季室外溫度升高時（Tw2），空氣蒸發冷卻的過程不變，可通過減少再熱量，將處理后的空氣（Th2）與室外新風（Tw2）混合，保證混合狀態點（Ts2）仍在冬季室內熱濕比線（εd）。

對于過渡季稍冷季節，因為泳館也要保持一定的溫度，所以空氣處理過程與冬季較為相似，但再熱量需求較少，冷凝器回收的熱量可以轉移至池水加熱系統。

3.2夏季空氣處理過程

圖3　冬季除濕熱泵系統空氣處理過程

圖4　夏季除濕熱泵系統空氣處理過程

夏季除濕熱泵的處理過程如圖4所示，在規范[5]設計工況下，過室內狀態點Tn作夏季室內熱濕比線（εx），并根據設計風量確定能滿足除濕要求的送風狀態點Ts0。除濕熱泵的主要空氣處理過程如下：室內回風進入機組后，排風機按設定比例排出部分空氣，剩余的回風（Tn）經蒸發器冷卻除濕至機器露點狀態To（干球溫度19.3℃，相對濕度90%），經計算，該狀態點與設定比例30%的室外新風Tw1進行混合，混合點Ts1在夏季處理過程的等εx線上，且Ts1的狀態點的含濕量小于Ts0，可以滿足室內除濕的設計要求，同時送風狀態點也高于室內的露點溫度，可避免出現送風氣流“起霧”。在夏季設計工況下，除濕回收的熱量以及壓縮機做功將優先用于池水換熱器進行熱量補充。

對于夏季其它工況，由于冷負荷隨天氣變化，夏季室內熱濕比線（εx）并不是一個恒定值，當冷負荷較設計工況減小時，熱濕比線數值變小，機器露點保持不變，只需要調節再熱量，滿足混合后的空氣狀態點在熱濕比線上即可。

4　除濕效率評價及分析

4.1溫濕度實測數據曲線

圖5、圖6所示為泳館改造前后幕墻照片。泳池改造竣工后，在2014年11月份和2015年6月初對泳池的實際運行效果進行測試，并分別挑選冬夏典型日實測數據繪制如圖7～圖10所示。

圖5　改造前冬季泳館幕墻照片

圖6　改造后冬季泳館幕墻照片

圖7　冬季典型日泳池相對濕度測試數據

4.2數據分析

從圖5～圖10中可以看出，改造后泳池實測的溫濕度控制效果可以滿足設計要求。分析圖7、圖8冬季典型日數據，在早間無人時，泳池的濕度較低，這是因為無人活動時，泳池表面蒸發速度較慢。同時，管理人員打開頂部的通風窗通風。在地面進行地板采暖的同時，利用空氣的熱壓作用將水面附近的高溫高濕空氣從上部排走，將室外的空氣靠負壓引入，減少了除濕負荷。

另外，泳館的溫度和相對濕度在11：00～12：00和14：00～17：00二個區間會有較明顯的提升，其除濕量也較其它時段增加，分析原因：1）在這二個時間段游泳人數較多，游泳館的上午人數一般在幾十個人左右，而在中午時間段人數會有較大幅度的增加，一般在150人至200人之間，下午時段人數最多，最多可達到250～300人。分析前述濕負荷計算可知，人員散濕量及人數增加導致的池邊散濕量對泳館散濕量的影響大約占總濕負荷的10%。2）泳館的主要外圍幕墻均朝南，在正午及下午時段、太陽輻射強度最大，泳池會吸收較多的輻射得熱，分析公式（1）的影響因素，當室內設計參數一定時，池水溫度越高，池水表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力增加，池水散濕量越大，經測算，在本工程設計工況下，池水溫度較設計工況提高1℃，則散濕量增加約29%。

圖8　冬季典型日泳池溫度測試數據

圖9　夏季典型日泳池相對濕度測試數據

圖10　夏季典型日泳池溫度測試數據

分析圖9、圖10夏季典型日數據，泳池的設定相對濕度調低為55%，露點溫度16.8℃。調查發現，泳池管理人員將夏季泳池水溫和室溫均分別調低了1℃。分析原因：泳館在4月底停止集中連續供暖，調整為不定時的間歇供暖；同時氣象數據顯示，大連地區在5月份至6月份上旬，晝夜溫差較大，夜間溫度一般為13～17℃之間，在這段時間將泳池的露點溫度調低，可有效減輕結露現象。

圖11　冬季典型日單位輸入功率除濕量曲線

4.3除濕效率計算

關于泳池除濕熱泵的除濕效率評價，目前國內尚無相關規范定義。本文借鑒規范[6]GBT 19411-2003《除濕機》中單位輸入功率除濕量的概念，其適用范圍為以機械制冷方式除濕，以冷凝熱為再熱方式的除濕機，這與泳池除濕熱泵的工作原理是相吻合的。計算公式如下：

對于本工程，其測試條件是在上述冬季典型日，從10：00～16：00共6h，輸入功率的測算方法是在每個小時內間隔15min監測一次壓縮機的電流，并據此折算出小時內平均電流強度，除濕量是每個小時測試凝結水的重量。冬季典型日運行工況下的單位輸入功率除濕量曲線如圖11所示。

典型日測算的除濕效率平均值為2.91，該數值高于規范[6]中名義除濕量在40～60 kg/h區間中單位輸入功率除濕量1.95 kg/（h·kW）的標準，參考《除濕機節能認證技術規范》[7]申請備案稿中的風冷型除濕機名義除濕量＞10kg/h區間的標準值為2.85（kg/h·kW），也具有較好的節能性。

5　結語

采用帶獨立壓縮機的除濕熱泵系統作為泳館除濕方案，有效保證制冷劑的蒸發溫度直供，自控程度高管理方便，實測結果顯示控濕效果穩定、除濕效率較高，可以滿足設計要求。且熱泵系統有效實現了能量轉移、節能性能好。

[1]ASHRAE.ASHRAE Application Handbook（SI）[M].Atlanta；ASHTAE Inc，2003.

[2]魏文宇，丁高，張力.游泳館空調設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]邱信立，廉樂明，李力能.工程熱力學[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，1992.

[4]趙榮義，范存養，薛殿華，等.空氣調節[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，1994.

[5]中國建筑科學研究院.GB50736-2012.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[6]合肥通用機械研究所.GBT 19411-2003.除濕機[S].北京：中國標準出版社，2004.

[7]百度文庫.除濕機節能認證技術規范（申請備案稿）[EB/OL].（2013-05）[2015-03-09].http：//wenku.baidu.com/

Temperature&Humidity Control Strategy and Dehumidification Efficiency Evaluation in the Pool Dehumidification Heat Pump System

LIU Yang，WAN Yan-xing

（1.Dalian Institute of Architectural Design and Research，Dalian 116021，China）

Dehumidification heat pump system for swimming pool is equipped with independent compressor and condenser，which has the characteristics of flexible setting，low evaporation temperature and high degree of control.This article combines a natatorium reconstruction example，analyzes the temperature and humidity control strategy of dehumidification heat pump system for swimming pool，also the temperature and humidity data measured，the system efficiency of dehumidification are all evaluated here.

pool dehumidification heat pump；heat and moisture load calculation；temperature&humidity control；dehumidification efficiency；psychrometric chart

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.017

TU83

B

2095-3429（2015）05-0075-06

劉洋（1978-），男，遼寧營口人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：建筑能耗分析。

2015-09-17

2015-10-08