熱管新風機組除濕性能測試與分析

張 宇， 蔡穎玲

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

節約能源與保護環境和獲取趨于自然條件的舒適健康環境是空調技術發展的總目標［1］。曹振等［2］采用雙冷源新風除濕機對溫濕度獨立控制空調系統進行除濕。實驗研究表明：系統運行2 h 后，相對濕度降至53%左右，基本能夠滿足除濕要求。

熱管是一種新型的傳熱元件，具有傳熱系數高，傳遞熱量大等特點［3］。李江波［4］將重力式熱管應用于兩級轉輪除濕系統中，兩級除濕空調系統的性能系數比一級系統提高了13.3%。薛連政等［5］提出一種帶熱管的板式空氣-空氣換熱器，當環路熱管內工質為R32 時，對換熱器在冬、夏季工況的換熱性能均有提升。楊璨［6］設計研發了一款用于溫濕度獨立控制空調系統的新風機并進行性能分析，結果顯示新風機可以滿足全年98%的除濕需求，顯熱負荷需與輻射末端共同承擔。艾青云［7］將熱管換熱器應用到冷凍除濕機中，使帶有熱管換熱器的冷凍除濕機可以節能20%左右。Yau［8］在馬來西亞熱帶地區將8 排虹吸熱管加裝于暖通空調系統中，采用多排熱管換熱器是可提高空調系統的除濕效率。Ibnu 等［9］將U 形除濕熱管和表冷器結合起來，不僅提高除濕效果，還可以避免露點送風對人產生影響。王鑫昊等［10］對單塊金屬板進行測試，該輻射板換熱性能良好。

上海地區夏季炎熱潮濕，特別是梅雨季節對人們的舒適性有著較大影響，因此除濕問題時至關重要。基于溫濕度獨立控制空調系統采用熱管新風機組進行除濕，標準工況下，在焓差實驗室中，對表冷器與U 型熱管換熱器結合表冷器進行除濕性能對比測試。在運行工況下，對比熱管新風機組夏季典型工況與梅雨季實驗的除濕性能的差異。

1 焓差實驗室試驗平臺

標準工況的實驗采用焓差實驗室對換熱器進行測試。實驗臺可以對U型熱管換熱器、熱回收熱管換熱器、表冷器以及風機盤管等換熱器進行性能測試（以下文中試驗平臺均指焓差實驗室）。

該試驗平臺分為測試環境內外室、冷熱源系統、空氣處理系統、風量測量系統和實驗平臺測控系統5 個部分。

試驗平臺采用力控監控組態軟件對數據進行采集與過程控制。實驗監測平臺上共有八個界面可以切換，分別為主平面圖界面、參數設置界面、實驗選擇界面、設備控制切換界面、趨勢圖界面、報警界面、操作歷史界面和登錄界面。組態界面中主平面圖界面如圖1所示。

圖1 焓差實驗室組態界面

2 溫濕度獨立控制空調系統設計

目標實驗室所采用的空調系統為溫濕度獨立控制空調系統：熱管新風機組用于溫濕度獨立空調系統濕度控制；金屬輻射末端進行溫度控制。使用水-水熱泵系統為新風機組與金屬吊頂提供冷水。采用可編程控制器（PLC）對溫度、濕度等數據的實時采集，對水流量與風量進行控制，在上位機界面顯示。在溫濕度獨立控制空調系統中，新風機組進行運行工況試驗（下文中系統指溫濕度獨立控制空調系統）。

2.1 目標實驗室

目標實驗室位于上海某高校內，空調區為兩間建筑參數相同的實驗室，單間實驗室層長8.3 m，寬4 m，高3 m。南墻為外墻，外窗位于南墻上，東墻、西墻與北墻為內墻。目標實驗室面積共計66.4 m2。室內可容納10 人。目標實驗室的夏季設計溫度為26 ℃，相對濕度為50%。

通過計算可知，顯熱冷負荷為3680.9 W，濕負荷為612 g/h，送風溫度為20 ℃，含濕量為8.05 g/kg（干），新風量為300 m3/h［11］。

2.2 熱管新風機組設計

熱管新風機組主要包括過濾器、U型熱管換熱器、表冷器、送風機等。大致可分為新風過濾段、除濕段、送風段［12］。其結構示意圖如圖2 所示。

圖2 熱管新風機組結構示意圖

新風經過濾后，先通過U 型熱管換熱器蒸發段進行預冷，再經過表冷器進行深度除濕，然后經熱管換熱器冷凝段再熱，最后通過送風機送入室內。設計的U型熱管換熱器采用2 排三角波紋翅片管，呈正三角叉排分布每排均14 根；表冷器為8 排翅片管，呈正三角叉排分布，每排12 根。翅片密度均為1 英寸12片［13］。表冷器與除濕熱管實物如圖3 所示。

圖3 表冷器與U型熱管換熱器實物圖

2.3 金屬輻射末端選型

室內選用金屬輻射吊頂處理顯熱冷負荷。金屬輻射末端為多塊金屬板龍骨雙搭的方式拼接在一起。每個房間內金屬輻射板6 塊為一組串聯，共分為6 組，通過集分水器為每一組供冷水，該系統夏季制冷時輻射末端的供水溫度設定為16 ℃。

2.4 主機選型

本文采用地源熱泵系統為新風機組與輻射末端提供冷量，是對地熱能高效利用，具有低碳和對環境友好的特點。主機需承擔冷負荷為7793 W，選取的主機為水-水熱泵機組，滿足負荷要求。

2.5 監測平臺

在該測試系統中，下位機采用可編程控制器（PLC）S7-2000 對現場溫度、濕度、流量等數據的實時采集。上位機是基于Siemens的WinCC組態軟件開發設計，可讀取PLC 所采集的數據信息，對實驗平臺的實時監測、數據存儲和報警等。組態界面如圖4 所示。

圖4 上位機組態界面

3 測試結果與分析

3.1 主要性能指標

在熱管新風機組運行測試過程中，為衡量表冷器與U型熱管換熱器的除濕性能與制冷量，采用每小時新風除濕量、每千克新風除濕量、空氣側換熱量和水側供冷量對熱管新風機組進行運行測試分析。

（1）每小時新風除濕量。新風除濕量的計算式為

式中：Wl為每小時新風除濕量，g/h；qV為流經表冷器空氣體積流量，m3/h；dr為表冷器入口空氣（干）含濕量，g/kg；dc為表冷器出口空氣（干）含濕量，g/kg。

（2）新風換熱量與水側供冷量。據表冷器的工作原理，新風經過冷盤管產生熱交換，新風換熱量計算式為

式中：Qc為供冷量，kW；qm為瞬時風量，kg/s；hr為表冷器入口空氣（干）焓值，kJ/kg；hc為表冷器出口空氣（干）焓值，kJ/kg。

水側供冷量計算式為

式中：Ql為水側供冷量，kW；qm為流經表冷器的冷凍水的質量流量，kg/s；cp為水的定壓質量比熱，kJ/（kg·K）；tr為表冷器的進水溫度，℃；tc為表冷器的出水溫度，℃。

3.2 標準工況下熱管新風機組運行性能分析

試驗平臺可以對U型熱管換熱器、表冷器以及風機盤管等換熱器進行性能測試。參考標準GB/T21087—2020《熱回收新風機組》［14-15］，標準工況相關參數如下：新風量300 m3·h-1，表冷器進水溫度7 ℃，新風入口干球溫度35 ℃，新風入口濕球溫度28 ℃。

由于迎面風速，進水溫度均不變，調節水流量使得進出水溫為標準工況。

圖5 所示為表冷器除濕量變化趨勢。由圖5 可知，表冷器除濕量的變化基本處于4300 ～4700 g/h，除濕量的變化主要由風量的波動所引起的。除濕量隨時間總體呈下降趨勢，其中，當表冷器入口空氣干球溫度為35.1 ℃，濕球溫度為28 ℃，進水溫度為7.1 ℃，出水溫度為12.1 ℃時，最接近標準工況，此時處于第116 s，除濕能力約為4.47 kg/h。

圖5 表冷器除濕量變化趨勢

該實驗新風入口空氣狀態：干球溫度為35 ℃，濕球溫度為28 ℃，tr=7 ℃，tc=12 ℃。如圖6 所示為有除濕熱管除濕量隨時間的變化。由圖可知，帶有除濕熱管的表冷器除濕性能優于單獨的表冷器，每小時新風除濕增加約200 g/h。

圖6 除濕熱管對除濕量隨時間變化曲線

圖7 所示為除濕與冷量關系，由圖可知，水側供冷量越多，對新風的除濕量就越大，也符合了能量守恒定律。圖中，在3.4、4.1、5.3 和5.7 kW 的不同供冷量時，帶有除濕熱管的表冷器能夠增強除濕效果，為50 ～100 g/h。當4 kW冷量時，除濕量約為3.6 kg/h，當5 kW冷量時，除濕量約為4.7 kg/h。

圖7 除濕量隨水側供冷量變化關系

3.3 運行工況下熱管新風機組運行測試

本文實驗了夏季典型工況與梅雨季實驗是運行工況下兩個具有代表性的實驗，如表2 所列。

表2 梅雨季實驗與夏季典型工況運行策略

此時，tr=7 ℃左右，保證了供回水溫差為5 ℃左右。相關性能參數采用式（1）～（3）。除濕量變化過程如圖8 所示。

圖8 新風除濕量隨運行時間的變化

由圖8 可知，隨著時間的推移，新風機組的除濕量逐漸增加，最終除濕量約為4.0 kg/h。這是由于隨著機組的開啟，表冷器的供水溫度降低，新風機組對新風的除濕量逐漸增加，在50 min 左右時，新風機組運行到達穩定。此時，表冷器供水流量為0.88 m3/h。機組穩定后，tr=7.1 ℃，tc=11.9 ℃，水溫差為4.8 ℃，符合實驗要求。

在新風機組運行過程中，水側供冷量與新風側的換熱量變化趨勢基本一致，如圖9 所示。新風機組在運行約50 min 后，水側供冷量與新風換熱量基本相同，換熱量約為5 kW。

圖9 水側與新風側換熱量隨運行時間的變化

熱管新風機組在梅雨季節與典型工況的除濕能力差異有待探究，該實驗額定新風量為300 m3/h，控制表冷器供回水溫差為5 ℃，tr=7 ℃，新風入口的空氣為梅雨季節的濕空氣，除濕量與換熱量變化過程如下：

圖10 所示為實驗梅雨季除濕量隨運行時間的變化。由圖可知，有兩端除濕量劇烈變化的過程：機組剛開啟時，流量為0.6 m3/h時，系統運行時長約30 min；表冷器供水溫度不斷降低，第30 min 左右水溫接近7℃，供回水溫差高于5 ℃；提升水量至0.9 m3/h時，供回水溫差控制在5 ℃左右，待機組運行穩定，除濕能力最終保持在5.2 kg/h 左右。由圖中30 ～40 min 變化趨勢可知，隨著表冷器水初溫的降低，水量的提升，機組對新風的除濕能力就越強。

圖10 梅雨季除濕量隨運行時間的變化

圖11 所示為實驗梅雨季節水側與新風側換熱對比。由圖可知，隨著時間的推移，熱管新風機組的供水溫度不斷降低，最終達到7 ℃。在第55 min，新風換熱量與水側供冷量趨于穩定，此時，新風換熱量與冷凍水供冷量均在5 kW 上下波動，符合理論預期。在開始的幾分鐘，新風換熱量略高于水側供冷量，這是由于機組剛剛啟動，在測量過程中空氣狀態產生波動。在熱管新風機組運行穩定后，表冷器水側供冷量與新風換熱量基本相等。

圖11 梅雨季節水側與新風側隨運行時間的換熱量對比

對比標準工況與運行工況可以看出，梅雨季實驗、夏季典型工況與標準工況這3 種實驗下熱管新風機組的供冷量基本相同，均為5 kW。此時熱管新風機組供回水溫度為7 ℃/12 ℃。由此可以看出，在供冷量相同的情況下，影響熱管新風機組除濕能力的是新風入口空氣狀態，即新風接近飽和濕空氣除濕量大，此外，熱回收熱管換熱也增強了機組的除濕性能。

4 結語

本文研制了熱管新風機組并搭建了溫濕度獨立控制空調系統，對300 m3/h的熱管新風機組在標準工況與運行工況下進行測試。結果表明：①標準工況下，帶有除濕熱管的表冷器增強了熱管新風機組的除濕性能，除濕能力提升了約200 g/h。②在運行工況下，供冷量約為5 kW，夏季典型工況中，機組除濕能力為4 kg/h；梅雨季實驗中，機組除濕能力為5.2 kg/h。

本文可進一步探究該溫濕度獨立控制空調系統的夏季運行研究，從而分析該系統的舒適性與金屬輻射末端結露問題。