新型戶式多功能新風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

徐 穎 楊 璨 陳金華

（重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400030）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求逐步提高。住宅的空調(diào)形式以房間空調(diào)器為主，但是存在許多弊端，例如活動(dòng)區(qū)溫度達(dá)不到設(shè)定值[1]、室內(nèi)相對(duì)濕度較高[1]、無新風(fēng)導(dǎo)致室內(nèi)空氣品質(zhì)不佳、有不舒適的吹風(fēng)感等。

而輻射末端由于其較高的舒適性[2,3]、可以利用多種能源[4]，近年來的使用率正在逐步上升[5]。然而輻射空調(diào)也存在一些亟待解決的問題：當(dāng)輻射壁面溫度低于近壁面處空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象[6]，影響室內(nèi)衛(wèi)生條件和人員正常工作；當(dāng)輻射末端不設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，室內(nèi)空氣品質(zhì)會(huì)受影響[6]；在極端室外條件或室內(nèi)內(nèi)熱源散熱量較大時(shí)，單獨(dú)運(yùn)行的輻射末端的供冷能力稍顯不足[7]。

同時(shí)，由于大多數(shù)人70%～90%的時(shí)間都是在室內(nèi)度過的，其中在住宅的停留時(shí)間最久，美國疾控中心研究發(fā)現(xiàn)室內(nèi)空氣污染對(duì)人體的危害大于室外空氣污染[8]。因此，為滿足人員健康需求，需要提供足量的新風(fēng)以置換室內(nèi)污染物。同時(shí)，由于室外條件的不同，冬夏分別需要對(duì)新風(fēng)進(jìn)行降溫除濕和升溫；當(dāng)室外空氣濕度較高，但溫度適宜的時(shí)候，需要對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行除濕不降溫的處理；當(dāng)處于過渡季節(jié)時(shí)，可以直接引入新風(fēng)進(jìn)行通風(fēng)。目前，解決上述問題的方法主要是增加住宅用新風(fēng)系統(tǒng)。陳劍波等[9]研發(fā)了一種兼具降溫、除濕、升溫三種功能的戶式新風(fēng)凈化機(jī)，但實(shí)驗(yàn)工況將室內(nèi)溫濕度設(shè)為定值，未從室內(nèi)需求入手分析機(jī)組除濕能力的可行性和實(shí)際應(yīng)用時(shí)與其他熱濕處理設(shè)備的配合情況。陳劍波等[10]還提出了一種適用于被動(dòng)式建筑的新風(fēng)機(jī)組，新排風(fēng)全熱交換，但是缺乏新風(fēng)量的判斷，無法驗(yàn)證該新風(fēng)機(jī)組是否能提供室內(nèi)所需的新風(fēng)量。李光宇等[11]為上海某綠色建筑設(shè)計(jì)了一種輻射供冷與新風(fēng)相結(jié)合的溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，但由于輻射末端和新風(fēng)機(jī)共用冷源，當(dāng)室內(nèi)顯熱負(fù)荷較小時(shí)，新風(fēng)機(jī)不能單獨(dú)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行方式受限。

因此本文提出一種新型戶式多功能新風(fēng)機(jī)，通過EVAP-COND 軟件探究其較優(yōu)結(jié)構(gòu)，并分析其運(yùn)行性能。并針對(duì)輻射末端+新風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)研究不同室外氣候條件對(duì)新風(fēng)機(jī)除濕降溫、除濕不降溫、升溫3 個(gè)工況的換熱效果和除濕效果的影響，為輻射空調(diào)系統(tǒng)推廣應(yīng)用提供支撐與參考。

1 新風(fēng)機(jī)工作原理

本文提出一種新型新風(fēng)機(jī)，新風(fēng)機(jī)兼具除濕降溫、除濕不降溫、通風(fēng)、升溫多種功能。主要由壓縮機(jī)、膨脹閥、制冷劑閥、風(fēng)閥、四通換向閥以及換熱器組成，各部件被封裝于室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)箱體內(nèi)。新風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。新風(fēng)機(jī)通過控制制冷劑閥的開閉、風(fēng)閥的開閉和室內(nèi)、室外風(fēng)機(jī)的啟停，改變3 個(gè)換熱器作為蒸發(fā)器或冷凝器，實(shí)現(xiàn)前述4 種新風(fēng)處理過程。

圖1 新風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic diagram of the fresh air ventilator

以新風(fēng)機(jī)的除濕降溫模式為例，室內(nèi)1#換熱器為蒸發(fā)器，室內(nèi)2#換熱器被短路，室外換熱器為冷凝器。蒸發(fā)器內(nèi)空氣處理過程如圖2 所示。

圖2 蒸發(fā)器空氣處理過程Fig.2 Air handling process of the evaporator

蒸發(fā)器的制冷量為：

蒸發(fā)器的除濕量為：

其中，Q0為蒸發(fā)器制冷量，kW；G為新風(fēng)量，kg/h；hA為室外空氣焓值，kJ/kg；hB為新風(fēng)出口焓值，kJ/kg；W0為蒸發(fā)器除濕量，g/h；dA為室外空氣含濕量，g/kg；dB為新風(fēng)出口含濕量，g/kg。

2 新風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)新風(fēng)機(jī)上述功能，需要確定新風(fēng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1#換熱器在除濕降溫模式和除濕不降溫模式運(yùn)行時(shí)作為蒸發(fā)器，在升溫模式運(yùn)行時(shí)作為冷凝器。由于除濕為新風(fēng)機(jī)的首要任務(wù)，故主要分析對(duì)象為除濕降溫元件——蒸發(fā)器，確定結(jié)構(gòu)后再驗(yàn)證作為冷凝器時(shí)的換熱效果。

對(duì)于換熱器材料，目前最廣泛使用的是銅鋁翅片管，其利用了銅管的耐壓性和鋁的高效導(dǎo)熱性能[12]。因此在后續(xù)分析中，換熱管選用紫銅管，翅片選擇鋁制翅片。對(duì)于制冷劑，結(jié)合現(xiàn)有研究，本文所用制冷劑選用R410A。

2.1 流路布置

蒸發(fā)器的流路布置優(yōu)化分析主要研究流向、流程數(shù)、流程均勻性對(duì)換熱效果和新風(fēng)出口狀態(tài)的影響。根據(jù)已有研究，換熱器采用交叉流式的換熱效果優(yōu)于順流的換熱效果[13]，因此此處僅討論交叉流式。不同流路布置情況如表1 所示。

表1 流路布置情況Table 1 Arrangement of flow path

對(duì)比流式1 和流式2，兩者流向分別為逆交叉和順交叉，計(jì)算結(jié)果表明流式1 的總制冷量、顯熱制冷量、潛熱制冷量均比流程2 大7%左右。分別取兩者的1 個(gè)流程，沿制冷劑流動(dòng)方向的肋管傳熱溫差如圖3，可以看出逆交叉流式的傳熱溫差略大于順交叉流式。同時(shí)，由新風(fēng)狀態(tài)參數(shù)圖可知，沿新風(fēng)流向，順流式處理潛熱負(fù)荷的能力逐漸降低，逆流式處理潛熱負(fù)荷的能力逐漸增強(qiáng)，新風(fēng)出口的干球溫度接近，但逆交叉流的新風(fēng)出口含濕量更低。因此，在蒸發(fā)器其他結(jié)構(gòu)相同的情況下，優(yōu)先選擇逆交叉流，因?yàn)槠淇傊评淞考皾摕嶂评淞扛螅倚嘛L(fēng)出口含濕量低，處理潛熱負(fù)荷的能力更強(qiáng)。

圖3 不同流向的傳熱溫差及新風(fēng)狀態(tài)參數(shù)Fig.3 Heat transfer temperature difference and fresh air state parameters in different flow direction

研究[1]表明順逆流相結(jié)合的形式利于強(qiáng)化傳熱，即制冷劑的進(jìn)出口均布置在新風(fēng)入口側(cè)。對(duì)比同流程數(shù)的流式4，計(jì)算結(jié)果表明流式9 的總制冷量和潛熱制冷量均略高于流式4，因此順逆交叉流式進(jìn)一步提升傳熱溫差。

圖4 流式9（順逆交叉流）的布置圖Fig.4 Arrangement of plan 9(forward and reverse cross flow)

對(duì)比流式3、4、1、5、7、8，流程數(shù)分別為1、2、3、4、5、6，換熱情況隨流程數(shù)的變化情況如圖5 所示。由圖可知，總傳熱系數(shù)隨流程數(shù)的增加而減小，總制冷量存在峰值，當(dāng)流程數(shù)為2 時(shí)，總制冷量最大。

圖5 不同流程數(shù)的總傳熱系數(shù)及總制冷量Fig.5 Total heat transfer coefficient and total cooling capacity of different flow number

對(duì)比流式6 和流式7，兩者流程布置分別為不均勻和均勻，計(jì)算結(jié)果表明流式7 的總制冷量比流式6 的總制冷量大13.7%。這是由于制冷劑流經(jīng)流式6 的流程2 時(shí)，過熱度遠(yuǎn)大于其他流程的過熱度（見圖6），導(dǎo)致蒸發(fā)器表面溫度不均勻，換熱溫差減小，換熱量下降，且距離流程2 越近的流程，出口過熱度越高。

圖6 流式6 各肋管出口溫度Fig.6 Outlet temperature of each ribbed tube in plan 6

2.2 肋管布置

基于上節(jié)確定的較優(yōu)流路布置，約束總管長(zhǎng)（即總換熱面積相同），分析管排數(shù)和每排管數(shù)對(duì)換熱、除濕性能的綜合影響。管排數(shù)取2、3、4、5，每排管數(shù)考慮到制冷劑流程均勻性，取4、6、8，設(shè)計(jì)12 種不同結(jié)構(gòu)如表2 所示。

表2 肋管布置方式Table 2 Arrangement of ribbed tubes

管排數(shù)和每排管數(shù)對(duì)制冷量計(jì)出風(fēng)溫濕度的影響如圖7 所示，由圖可知與每排管數(shù)相比，管排數(shù)對(duì)制冷量和出風(fēng)溫濕度的影響更顯著，且制冷量隨管排數(shù)增加而增加。

圖7 管排數(shù)和每排管數(shù)對(duì)制冷量及出風(fēng)溫濕度的影響Fig.7 The influence of pipe row number and pipe number of each row on cooling capacity and outlet air temperature and humidity

2.3 管徑

選擇標(biāo)準(zhǔn)管徑規(guī)格及各管徑下使換熱量最大的最佳流程數(shù)，分別為5mm（n=6）、7mm（n=4）、9.52mm（n=2），約束管排數(shù)為5、流程均勻，調(diào)整管長(zhǎng)保證迎風(fēng)面積和風(fēng)速相同，計(jì)算制冷量及空氣側(cè)阻力。此處，采用Nu/Eu表征換熱器傳熱和阻力的綜合影響[14]，Nu/Eu越大，綜合傳熱性能越好。

計(jì)算得到不同管徑蒸發(fā)器的Nu/Eu數(shù)值見表3。由此可知，隨著管徑減小，全熱和潛熱的Nu/Eu增大，綜合傳熱性能提升，對(duì)潛熱換熱能力提升更明顯。同時(shí)，計(jì)算得到的新風(fēng)出風(fēng)溫濕度情況表明，出風(fēng)含濕量相同時(shí)，管徑5mm 的出風(fēng)溫度最高，可以降低結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，因此5mm 管更適合以除濕需求為主的熱濕處理設(shè)備，由于體積減小，也更適合住宅安裝。

表3 不同管徑蒸發(fā)器的Nu/EuTable 3 Nu/Eu of different diameter evaporators

3 新風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能分析

根據(jù)上一節(jié)對(duì)各因素的分析，確定新風(fēng)機(jī)的室內(nèi)機(jī)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能分析。

3.1 新風(fēng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行

選擇重慶市具有除濕降溫需求的時(shí)段（4月中旬～9月下旬）進(jìn)行分析新風(fēng)機(jī)承擔(dān)負(fù)荷的能力，以設(shè)備顯熱比SHRsu、室內(nèi)應(yīng)用顯熱比SHRde、制冷量、潛熱負(fù)荷為衡量指標(biāo)，評(píng)判新風(fēng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)和室內(nèi)負(fù)荷的匹配情況，見公式（5）、（6）。評(píng)判結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 新風(fēng)機(jī)除濕降溫期SHR 的匹配情況Fig.8 Matching of SHR of the fresh air ventilator during dehumidification and cooling period

圖9 新風(fēng)機(jī)除濕降溫期潛熱負(fù)荷與制冷量的匹配情況Fig.9 Matching of latent heat load and cooling capacity of the fresh air ventilator during dehumidification and cooling period

其中，QS-su為設(shè)備提供的顯熱制冷量，kW；QT-su為總制冷量，kW；QS-de為室內(nèi)顯熱冷負(fù)荷，kW；QT-de為總冷負(fù)荷（含房間負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷），kW。

由圖可知，除濕降溫期的99.3%時(shí)間段中SHRde>SHRsu，除濕降溫期的92.8%時(shí)間段中制冷量>潛熱冷負(fù)荷。4月中旬～7月上旬及9月，新風(fēng)機(jī)在部分負(fù)荷下運(yùn)行就有能力消除室內(nèi)潛熱負(fù)荷，控制濕度在舒適區(qū)間，當(dāng)新風(fēng)機(jī)不足以承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷時(shí)，可開啟輻射供冷系統(tǒng)以提高設(shè)備顯熱比，實(shí)現(xiàn)設(shè)備顯熱比和室內(nèi)應(yīng)用顯熱比的匹配。在7月中旬～8月下旬，由于潛熱負(fù)荷較大，約26%的時(shí)間內(nèi)新風(fēng)機(jī)需要滿負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)輔助輻射供冷系統(tǒng)，以消除新風(fēng)機(jī)不能承擔(dān)的大部分顯熱負(fù)荷。

3.2 新風(fēng)機(jī)-輻射末端耦合運(yùn)行

對(duì)于應(yīng)用輻射供冷的房間，新風(fēng)的獲取方式大致分為新風(fēng)機(jī)新風(fēng)和開窗通風(fēng)，本小節(jié)用EnergyPlus 軟件對(duì)新風(fēng)機(jī)+輻射末端系統(tǒng)和開窗通風(fēng)+輻射末端系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究，分析新風(fēng)機(jī)對(duì)響應(yīng)時(shí)間和結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)的影響。模擬工況如表4 所示。

表4 復(fù)合系統(tǒng)模擬工況表Table 4 Simulation condition sheet of the composite system

圖10 顯示了2 種工況下主臥23:00～次日8:00輻射供冷運(yùn)行時(shí)段室內(nèi)空氣干球溫度的變化情況。由圖可知，工況1（新風(fēng)機(jī)+輻射供冷）的室內(nèi)初始溫度較低，這是因?yàn)檩椛淠┒碎_啟前，持續(xù)運(yùn)行的新風(fēng)機(jī)消除了室內(nèi)的部分負(fù)荷，由此可以縮短響應(yīng)時(shí)間。

圖10 夏季設(shè)計(jì)日主臥空氣溫度Fig.10 Air temperature of master bedroom in summer design day

圖11 顯示了2 種工況下主臥23:00～次日8:00輻射供冷運(yùn)行時(shí)段地面溫度和貼附層空氣露點(diǎn)溫度的變化情況。輻射供冷系統(tǒng)開始運(yùn)行后，室內(nèi)空氣溫度降低，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度增大。工況1 的地面溫度始終低于貼附層露點(diǎn)溫度，無結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)；而工況12 在開始供水的30min 開始，地面溫度低于貼附層露點(diǎn)溫度，即將出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。因此，該新風(fēng)機(jī)與輻射供冷末端聯(lián)合運(yùn)行可以有效避免結(jié)露現(xiàn)象。

圖11 夏季設(shè)計(jì)日主臥地面溫度/貼附層空氣露點(diǎn)溫度Fig.11 Floor temperature/dew-point temperature of attached layer air of master bedroom in summer design day

4 結(jié)論

（1）蒸發(fā)器最優(yōu)的流路布置為順逆交叉流、流程均勻布置、管徑選擇5mm 管、流程數(shù)為6，此時(shí)除濕換熱性能最優(yōu)，新風(fēng)出風(fēng)含濕量最低；

（2）管排數(shù)對(duì)于制冷量的影響大于每排管數(shù)，且總制冷量隨管排數(shù)的增加而增加；

（3）管徑5mm 的蒸發(fā)器更適合以除濕需求為主的熱濕處理設(shè)備，由于體積減小，也更適合住宅安裝；

（4）新風(fēng)機(jī)在重慶地區(qū)的除濕降溫期間內(nèi)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)機(jī)可以滿足全年98%的除濕需求，在不能滿足的少數(shù)時(shí)間內(nèi)，可與輻射供冷末端耦合運(yùn)行；

（5）新風(fēng)機(jī)+輻射末端可以縮短響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)避免結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。