不同除濕方式戶式輻射空調系統能耗研究*

中國建筑科學研究院有限公司 李 娜 王永紅 張 欽 黃 濤

0 引言

輻射空調系統由于具有較高的舒適性，越來越受到市場的青睞。目前，集中式輻射空調+置換新風技術應用于新建住宅小區的項目在國內為數不少且頗受好評。此外，隨著新建住宅項目的減少，如何將輻射空調系統應用于改造項目也成為了行業人員亟需解決的問題。戶式輻射空調系統可以應用于有戶式空調需求的改造項目及新建建筑。近些年來，國內戶式輻射空調系統的應用逐漸增多，大家也比較關心戶式輻射空調的能耗問題[1]，但是相關研究及數據對比較少。不同的新風除濕方式對熱泵、新風機及輸配設備的要求不同，從而決定了戶式輻射空調系統的能耗水平不同。輻射空調系統中采用的新風除濕技術主要有以下5種：冷水式除濕、制冷劑直膨式除濕、雙冷源除濕、溶液除濕、轉輪除濕。在保證舒適度的前提下，這幾種除濕方式，哪一種更節能，更適用于戶式輻射空調系統，是本文研究的主要問題。

1 戶式輻射空調系統的不同除濕方式

冷水式除濕是利用通有低溫水的冷卻盤管(表冷器)對新風進行除濕，其基本原理是利用低溫水把空氣溫度冷卻降低到低于其露點溫度，空氣中的水分凝結，從而達到除濕的目的[2]。冷水式除濕是一種簡單、可靠的除濕方式。制冷劑直膨式除濕是采用制冷劑直接蒸發降溫，對新風進行除濕的空氣處理方式[3]，類似于家用空調機的原理。雙冷源除濕是新風除濕需要的制冷量由2種不同溫度的冷源承擔[4]，其實現的形式呈現多樣化，且在實現能源梯級利用的同時，尋求新風機組更大的節能空間[5]。

溶液除濕是利用吸濕性溶液能夠吸收空氣中水分的特性對空氣除濕的方法。溶液除濕裝置分成2個部分：吸收部和再生部。轉輪除濕是利用固體吸附材料能夠吸收空氣中水分的特性對空氣除濕的方法。轉輪除濕也需要高溫再生段。對于戶式空調系統，不方便使用太陽能、地熱能等低品位能源來滿足再生需求，而以高品位的電能來滿足再生需求則導致新風除濕系統能耗增加[6]。同時，溶液除濕和轉輪除濕設備戶式化、小型化的技術復雜、成本較高。可見，現階段溶液除濕和轉輪除濕方式不適用于戶式輻射空調系統。

本文以同一實際建筑為例，針對采用冷水式除濕、制冷劑直膨式除濕、雙冷源除濕的戶式輻射空調系統的能耗進行對比研究。

2 建筑概況及設備選型

2.1 建筑概述及冷負荷情況

位于北京的某節能住宅樣板間，戶內面積為121 m2，層高為2.8 m2，外墻及屋面傳熱系數為0.1 W/(m2·K)，外窗傳熱系數為0.6 W/(m2·K)，遮陽系數為0.5。建筑平面如圖1所示。

圖1 某節能居住建筑平面圖

空調系統末端采用吊頂輻射板+地面新風系統，新風量為300 m3/h。

通過計算，初步確定空調系統的冷負荷為8.1 kW(其中輻射系統負荷為3.0 kW，新風系統負荷為5.1 kW)。

2.2 不同除濕方式空調系統原理及設備選型

2.2.1 冷水式除濕

新風機組要求冷源側提供7 ℃的低溫冷水，所以空氣源熱泵機組出水溫度需要設定為7 ℃。用板式換熱器制取輻射系統所需的17 ℃的高溫冷水，板式換熱器二次側水溫的調節范圍設定為17～20 ℃；系統有2個水環路，需要一次冷水水泵和二次輻射用水泵。新風機組中未設置熱回收段，新風處理過程為冷卻降溫除濕。原理如圖2所示，設備選型情況見表1。

圖2 冷水式除濕方式原理圖

表1 冷水式除濕方式主要設備選型

2.2.2 制冷劑直膨式除濕

新風與除濕用空氣源熱泵內的制冷劑直接換熱，不需要水作為中間媒介；輻射用空氣源熱泵可以直接出高溫冷水，高溫冷水的溫度調節范圍設定為17～20 ℃，直接供給輻射末端用；系統僅有一個水環路，僅需要輻射用水泵。新風機組中未設置熱回收段。新風處理過程為冷卻降溫除濕。原理如圖3所示，設備選型情況見表2。

2.2.3 雙冷源除濕

圖3 制冷劑直膨式除濕方式原理圖

表2 制冷劑直膨式除濕方式主要設備選型

新風機組內部有壓縮機，可以通過自身的壓縮機制取低溫冷水來達到低溫除濕的目的，所以對一次側的水溫要求不高。空氣源熱泵可以向雙冷源新風機組及輻射末端提供溫度一致的水冷冷源。空氣源熱泵的出水溫度調節范圍設定為17～20 ℃；雙冷源新風機組利用溫度較高的水預冷新風；自帶壓縮機，可以深度除濕；并回收部分冷凝熱對低溫低濕的空氣再熱，向室內提供溫度適宜、濕度低的新風，避免了低溫送風產生的不舒適感；系統水環路所需水溫一致，僅需要一個空氣源熱泵用水泵。新風機組僅有冷凝回收段，無回風熱回收段。與前2種除濕方式相比，新風在冷卻降溫除濕后，還經歷了冷凝熱回收的等濕升溫過程。雙冷源新風機組有預冷和冷凝熱回收段，減少了一部分壓縮機能耗，但是由于相應的風機能耗、水泵能耗都有所增加[7]，整機COP不會太高。本文采用的雙冷源新風機組額定狀態參數為某廠家提供的實際產品參數。雙冷源除濕方式原理如圖4所示，設備選型情況見表3。

圖4 雙冷源除濕方式原理圖

3 系統模型的建立與模擬

3.1 模型建立

表3 雙冷源除濕方式主要設備選型

采用模塊化的仿真軟件TRNSYS對戶式輻射空調系統進行動態模擬。首先，采用TRNBuild建立建筑模型，并生成type56建筑模塊，此模塊中已經包含輻射系統末端(輻射板)系統，只需要在外部輸入輻射系統的水量、水溫即可。然后，在TRNSYS Studio中引入建筑模塊(type65)、空氣源熱泵模塊(type665)、冷水除濕模塊(type508)、板式換熱器模塊(type657)、風冷直膨式除濕模塊(type665)、水冷機組模塊(type666)等，按照實際建筑及設備選型情況設定模塊的內部參數，并建立各個模塊之間的聯系。

模型采用北京的室外氣象參數。室外溫度、水溫、水量、風溫的變化都會影響空氣源熱泵的性能，實際制冷能力、功率會隨之變化。本文采用TRNSYS軟件中的空氣源熱泵模塊、風冷直膨式除濕模塊、冷水除濕模塊自帶的性能參數文件。當風溫、水溫等參數變化時，模型自動模擬出相應的制冷量、功率等。

建立了冷水式除濕、制冷劑直膨式除濕、雙冷源除濕3種方式下的戶式輻射空調系統的TRNSYS模型。圖5為雙冷源除濕方式的TRNSYS模型示意圖。

圖5 雙冷源除濕方式的TRNSYS模型示意圖

3.2 模擬結果分析

對冷水式除濕、制冷劑直膨式除濕、雙冷源除濕3種方式的戶式輻射空調系統進行模擬，模擬時段為6月1日至8月31日，全天制冷。系統耗電量及室內溫度情況如圖6、7所示。

圖6 3種除濕方式耗電量比較

圖7 3種除濕方式室內溫度比較

1) 采用制冷劑直膨式除濕方式時，輻射用熱泵出水直接進輻射末端，新風除濕用熱泵直接出低溫風，使得該方式的系統能耗較低；風溫、水溫控制較好的情況下，容易達到較低的室內環境溫度。

2) 采用雙冷源除濕方式時，由于雙冷源新風機組有冷凝回收再熱功能，送風溫度較冷水式及制冷劑直膨式高，使得空調房間室內溫度略高于冷水式除濕方式；空氣源熱泵可以直接出高溫水，熱泵的耗電量相對較少，同時新風機組預熱及冷凝熱回收功能也會減少一定的電量消耗。

針對本建筑情況，按照電價0.5元/(kW·h)計算，冷水式除濕輻射空調系統夏季運行費用為24.7元/m2，制冷劑直膨式除濕輻射空調系統夏季運行費用為18.4元/m2，雙冷源除濕輻射空調系統夏季運行費用為20.3元/m2。制冷劑直膨式除濕方式較冷水式除濕方式能耗低約15%，較雙冷源除濕方式低約10%。

以上3種除濕方式的模型室內設定溫度均為26 ℃，但是實際運行下來室內溫度有所差異。通過調整模型設定參數使得室內溫度較為一致時，制冷劑直膨式除濕方式系統能耗相對更低(18.0元/m2)，雙冷源除濕能耗(20.3元/m2)仍低于冷水式除濕方式(24.6元/m2)。

需要說明的是，軟件模擬結果是對水溫、風溫的控制較為理想狀態下的結果。而實際上由于制冷劑除濕方式時機組的換熱效率高、速度快，出風溫度很難控制，會出現出風溫度較低且波動大的情況，影響空調的舒適性效果。而水冷式除濕時，機組換熱效率相對低，但出風溫度可以控制得比較平穩，有利于空調舒適性的實現。

4 結論

1) 采用冷水式除濕的戶式輻射空調系統同時需要低溫冷水和高溫冷水(需要一次和二次水泵)，空氣源熱泵出水溫度較低，這些方面都不利于系統的節能。

2) 采用制冷劑直膨式除濕的戶式輻射空調系統僅需要一個輻射循環泵，空氣源熱泵直接出高溫冷水，新風直接采用制冷劑直膨除濕，換熱效率高，從而較為節能。

3) 采用雙冷源除濕的戶式輻射空調系統僅需要輻射循環泵，新風機組有冷凝熱回收功能，可以對低溫新風進行再熱，避免了送風溫度低引起的不舒適感。但是由于二次壓縮機的存在，使得能耗相對制冷劑直膨式除濕還是高一些。

4) 在保證除濕及溫度控制效果穩定、設備可靠的前提下，制冷劑直膨式除濕方式節能性較好。