劉　洋，萬(wàn)言興

（大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連116021）

泳池用除濕熱泵系統(tǒng)溫濕度控制策略及除濕效率評(píng)價(jià)

劉洋，萬(wàn)言興

（大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連116021）

泳池用除濕熱泵系統(tǒng)配置有獨(dú)立的壓縮機(jī)及冷凝器，具有系統(tǒng)設(shè)置靈活、蒸發(fā)溫度低，自控程度較高等特點(diǎn)。本文結(jié)合某泳館改造實(shí)例，對(duì)該項(xiàng)目用泳池除濕熱泵系統(tǒng)的溫濕度控制策略進(jìn)行分析，并通過(guò)實(shí)測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的除濕效率進(jìn)行了評(píng)估。

泳池除濕熱泵；熱濕負(fù)荷計(jì)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(kāi)始投入使用，總建筑面積17128m2，包括一個(gè)無(wú)觀眾席、建筑面積為2300m2的標(biāo)準(zhǔn)十道游泳館。原設(shè)計(jì)方案為整個(gè)體育館采用集中冷站，泳館部分采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)。運(yùn)行數(shù)年，泳館結(jié)露現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)腐蝕、空調(diào)設(shè)備失效等問(wèn)題，影響泳池的使用安全及效果。分析主要原因：一是原設(shè)計(jì)體育館冷源，單臺(tái)主機(jī)的冷量遠(yuǎn)大于泳館的降溫除濕負(fù)荷，為了節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，除非有大型的慶典或體育賽事，冷水機(jī)組一般較少開(kāi)啟。二是原設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)水盤(pán)管的普通空調(diào)箱全空氣系統(tǒng)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)其基本運(yùn)行模式為在冬夏季設(shè)計(jì)工況下的參數(shù)，定新風(fēng)量系統(tǒng)，難以滿足復(fù)雜的氣候變化條件。三是末端采用普通風(fēng)口形式、氣流組織為上送上回形式，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防結(jié)露措施不好。四是原有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)窗墻比大、熱工性能較差。本文針對(duì)上述問(wèn)題提出解決方案，重點(diǎn)對(duì)空調(diào)冷熱源系統(tǒng)形式及溫濕度控制策略進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)改造后的泳館溫濕度的效果進(jìn)行實(shí)測(cè)評(píng)估，對(duì)系統(tǒng)的除濕效率進(jìn)行了計(jì)算。

圖1　改造前空調(diào)冷、熱水系統(tǒng)原理圖

1　改造方案分析

1.1分析冷熱源方案

原設(shè)計(jì)方案如圖1所示，由于集中供冷機(jī)房的設(shè)備較少開(kāi)啟，在游泳館需要除濕時(shí)，常常需要開(kāi)一臺(tái)較大供冷量的制冷機(jī)組為游泳館制冷，但業(yè)主為了節(jié)能運(yùn)行，采用間歇啟動(dòng)，時(shí)常導(dǎo)致供冷溫度太高無(wú)法滿足除濕要求。若單獨(dú)另設(shè)一臺(tái)小型制冷機(jī)組，制冷機(jī)冷量以保證泳池夏季冷負(fù)荷及除濕負(fù)荷為主，但采用集中冷凍水的空調(diào)系統(tǒng)，其冷卻塔受室外天氣（如高溫高濕天氣）影響，會(huì)導(dǎo)致冷凍水溫不穩(wěn)定，或盤(pán)管選型不合適，較常出現(xiàn)的問(wèn)題是機(jī)器的露點(diǎn)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(diào)送風(fēng)的濕度，且夏季和過(guò)渡季需依賴其它再熱熱源，才能保證設(shè)計(jì)的送風(fēng)溫度。

圖2　泳池用除濕熱泵系統(tǒng)工作原理

通過(guò)對(duì)以上技術(shù)方案對(duì)比，最終確定采用泳池用除濕熱泵空調(diào)系統(tǒng)，工作原理如圖2所示。由于自帶獨(dú)立壓縮機(jī)及冷凝器，該系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間可獨(dú)立控制，給游泳的運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)更大的靈活性。和常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)保證制冷劑的蒸發(fā)溫度直供，有效調(diào)節(jié)空氣除濕所需的露點(diǎn)溫度，對(duì)于除濕要求特別高的場(chǎng)所也可以采用雙冷源配置，即配置集中冷凍水系統(tǒng)和氟利昂直膨式系統(tǒng)，可以確保在最不利的設(shè)計(jì)工況下也能保證除濕效果。同時(shí)該系統(tǒng)也結(jié)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(nèi)空氣通過(guò)蒸發(fā)冷卻的方式進(jìn)行除濕降溫，同時(shí)其冷凝熱及壓縮機(jī)做功的能量可部分回收?；厥盏臒崃?jī)?yōu)先用于空調(diào)送風(fēng)的二次加熱，以保證精確的送風(fēng)溫差，剩余熱量則可通過(guò)池水換熱器對(duì)泳池的循環(huán)熱水進(jìn)行熱量補(bǔ)充，最后無(wú)法利用的熱量則通過(guò)室外風(fēng)冷冷凝器排放。該系統(tǒng)同時(shí)配置溫濕度傳感控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同季節(jié)智能調(diào)節(jié)不同的運(yùn)行工況。

1.2具體改造措施

1）將泳池空調(diào)系統(tǒng)調(diào)整為獨(dú)立壓縮機(jī)和冷凝器的除濕熱泵空調(diào)系統(tǒng)；2）提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，根據(jù)防結(jié)露溫差，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小熱阻，增加隔熱層，并通過(guò)減少窗墻比、增加防潮隔汽膜的方式進(jìn)行土建改造；3）優(yōu)化場(chǎng)館內(nèi)的氣流組織變?yōu)樯纤拖禄氐姆绞?，并通過(guò)可調(diào)節(jié)角度的噴口將空調(diào)送風(fēng)送至圍護(hù)結(jié)構(gòu)處，有效提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度，減輕結(jié)露現(xiàn)象。4）重新設(shè)計(jì)泳池周邊區(qū)域的地?zé)峒吧崞飨到y(tǒng)；

2　熱濕負(fù)荷計(jì)算

2.1濕負(fù)荷計(jì)算

泳池參數(shù)設(shè)定如下：池水溫度T=26℃，室內(nèi)空氣干球溫度ta=28℃，相對(duì)濕度φ=70%，露點(diǎn)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(jì)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(dòng)修正系數(shù)，用于公共或?qū)W校的游泳池時(shí)，m=1；

v—主體空氣的風(fēng)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(nèi)空調(diào)計(jì)算干球溫度，28℃；

tw—室內(nèi)空調(diào)計(jì)算濕球溫度，23.6℃；

F—池邊面積，本工程890m2；

f—潤(rùn)濕系數(shù)（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(shù)；

n1—群集系數(shù)，經(jīng)調(diào)查，本泳館更衣箱為300個(gè)，池邊人數(shù)約為50-60人，則n=300，n1=0.2。

計(jì)算結(jié)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(fù)荷分析及熱濕比

為滿足室內(nèi)的溫、濕度設(shè)計(jì)要求，采用公式（4）[4]計(jì)算室內(nèi)空氣處理過(guò)程的熱濕比。

式中Q—房間冷、熱負(fù)荷，kJ/h；

W—房間的濕負(fù)荷，kg/h；

ε—房間計(jì)算熱濕比，kJ/kg；

泳館冬季熱負(fù)荷主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量和池水蒸發(fā)進(jìn)入空氣的潛熱負(fù)荷組成，由于池邊散濕以及人體散濕蒸發(fā)是將空氣的顯熱轉(zhuǎn)化潛熱，故不計(jì)入熱負(fù)荷。在計(jì)算中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的顯熱負(fù)荷主要由地板輻射系統(tǒng)和散熱器系統(tǒng)承擔(dān)，池水蒸發(fā)的潛熱負(fù)荷則由除濕熱泵系統(tǒng)承擔(dān)。分析公式（1）～（3），當(dāng)室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)不變時(shí)，潛熱負(fù)荷與室外空氣狀態(tài)點(diǎn)無(wú)關(guān)，所以冬季室內(nèi)空氣處理過(guò)程的熱濕比為恒定的數(shù)值。對(duì)于冬季工況，Qd=342360kJ/h，Wd=164.8kg/h，則εd=2078kJ/kg。

泳館夏季冷負(fù)荷包括兩部分，一是圍護(hù)結(jié)構(gòu)、人員、燈光、設(shè)備等冷負(fù)荷，在設(shè)計(jì)工況下[5]的計(jì)算值為134.7kW，這部分冷負(fù)荷是隨天氣變化的。二是池水蒸發(fā)進(jìn)入空氣的潛熱負(fù)荷，這部分計(jì)算值與冬季一致。對(duì)于夏季設(shè)計(jì)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(guò)渡季空氣處理過(guò)程

冬季除濕熱泵的處理過(guò)程如圖3所示。過(guò)室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)Tn作冬季室內(nèi)熱濕比線（εd），并根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量確定能滿足除濕要求的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)TS0。除濕熱泵的主要空氣處理過(guò)程如下：室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)入機(jī)組后，排風(fēng)機(jī)按設(shè)定比例排出部分空氣，剩余的回風(fēng)（Tn）經(jīng)蒸發(fā)器冷卻除濕至機(jī)器露點(diǎn)狀態(tài)To（干球溫度19.3℃，相對(duì)濕度90%），冷凝器將回收的熱量以及壓縮機(jī)做功以再熱的方式對(duì)低溫低濕的空氣進(jìn)行等濕加熱過(guò)程至Th1，該狀態(tài)點(diǎn)與設(shè)定比例的室外新風(fēng)Tw1進(jìn)行混合，混合點(diǎn)Ts1在冬季處理過(guò)程的等εd線，且Ts1的狀態(tài)點(diǎn)的含濕量小于Ts0，可以滿足室內(nèi)除濕的設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)計(jì)算，在規(guī)范[5]中冬季設(shè)計(jì)工況下（室外空調(diào)計(jì)算溫度Tw1=-14.3℃），當(dāng)新風(fēng)比為15%時(shí)，蒸發(fā)器回收的熱量正好可以滿足送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的再熱要求，不需要另外的熱源。在相同新風(fēng)比例下，當(dāng)冬季室外溫度升高時(shí)（Tw2），空氣蒸發(fā)冷卻的過(guò)程不變，可通過(guò)減少再熱量，將處理后的空氣（Th2）與室外新風(fēng)（Tw2）混合，保證混合狀態(tài)點(diǎn)（Ts2）仍在冬季室內(nèi)熱濕比線（εd）。

對(duì)于過(guò)渡季稍冷季節(jié)，因?yàn)橛攫^也要保持一定的溫度，所以空氣處理過(guò)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(zhuǎn)移至池水加熱系統(tǒng)。

3.2夏季空氣處理過(guò)程

圖3　冬季除濕熱泵系統(tǒng)空氣處理過(guò)程

圖4　夏季除濕熱泵系統(tǒng)空氣處理過(guò)程

夏季除濕熱泵的處理過(guò)程如圖4所示，在規(guī)范[5]設(shè)計(jì)工況下，過(guò)室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)Tn作夏季室內(nèi)熱濕比線（εx），并根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量確定能滿足除濕要求的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)Ts0。除濕熱泵的主要空氣處理過(guò)程如下：室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)入機(jī)組后，排風(fēng)機(jī)按設(shè)定比例排出部分空氣，剩余的回風(fēng)（Tn）經(jīng)蒸發(fā)器冷卻除濕至機(jī)器露點(diǎn)狀態(tài)To（干球溫度19.3℃，相對(duì)濕度90%），經(jīng)計(jì)算，該狀態(tài)點(diǎn)與設(shè)定比例30%的室外新風(fēng)Tw1進(jìn)行混合，混合點(diǎn)Ts1在夏季處理過(guò)程的等εx線上，且Ts1的狀態(tài)點(diǎn)的含濕量小于Ts0，可以滿足室內(nèi)除濕的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)也高于室內(nèi)的露點(diǎn)溫度，可避免出現(xiàn)送風(fēng)氣流“起霧”。在夏季設(shè)計(jì)工況下，除濕回收的熱量以及壓縮機(jī)做功將優(yōu)先用于池水換熱器進(jìn)行熱量補(bǔ)充。

對(duì)于夏季其它工況，由于冷負(fù)荷隨天氣變化，夏季室內(nèi)熱濕比線（εx）并不是一個(gè)恒定值，當(dāng)冷負(fù)荷較設(shè)計(jì)工況減小時(shí)，熱濕比線數(shù)值變小，機(jī)器露點(diǎn)保持不變，只需要調(diào)節(jié)再熱量，滿足混合后的空氣狀態(tài)點(diǎn)在熱濕比線上即可。

4　除濕效率評(píng)價(jià)及分析

4.1溫濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(duì)泳池的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行測(cè)試，并分別挑選冬夏典型日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(duì)濕度測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2數(shù)據(jù)分析

從圖5～圖10中可以看出，改造后泳池實(shí)測(cè)的溫濕度控制效果可以滿足設(shè)計(jì)要求。分析圖7、圖8冬季典型日數(shù)據(jù)，在早間無(wú)人時(shí)，泳池的濕度較低，這是因?yàn)闊o(wú)人活動(dòng)時(shí)，泳池表面蒸發(fā)速度較慢。同時(shí)，管理人員打開(kāi)頂部的通風(fēng)窗通風(fēng)。在地面進(jìn)行地板采暖的同時(shí)，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(fù)壓引入，減少了除濕負(fù)荷。

另外，泳館的溫度和相對(duì)濕度在11：00～12：00和14：00～17：00二個(gè)區(qū)間會(huì)有較明顯的提升，其除濕量也較其它時(shí)段增加，分析原因：1）在這二個(gè)時(shí)間段游泳人數(shù)較多，游泳館的上午人數(shù)一般在幾十個(gè)人左右，而在中午時(shí)間段人數(shù)會(huì)有較大幅度的增加，一般在150人至200人之間，下午時(shí)段人數(shù)最多，最多可達(dá)到250～300人。分析前述濕負(fù)荷計(jì)算可知，人員散濕量及人數(shù)增加導(dǎo)致的池邊散濕量對(duì)泳館散濕量的影響大約占總濕負(fù)荷的10%。2）泳館的主要外圍幕墻均朝南，在正午及下午時(shí)段、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大，泳池會(huì)吸收較多的輻射得熱，分析公式（1）的影響因素，當(dāng)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)一定時(shí)，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(jīng)測(cè)算，在本工程設(shè)計(jì)工況下，池水溫度較設(shè)計(jì)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(cè)試數(shù)據(jù)

圖9　夏季典型日泳池相對(duì)濕度測(cè)試數(shù)據(jù)

圖10　夏季典型日泳池溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

分析圖9、圖10夏季典型日數(shù)據(jù)，泳池的設(shè)定相對(duì)濕度調(diào)低為55%，露點(diǎn)溫度16.8℃。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泳池管理人員將夏季泳池水溫和室溫均分別調(diào)低了1℃。分析原因：泳館在4月底停止集中連續(xù)供暖，調(diào)整為不定時(shí)的間歇供暖；同時(shí)氣象數(shù)據(jù)顯示，大連地區(qū)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(shí)間將泳池的露點(diǎn)溫度調(diào)低，可有效減輕結(jié)露現(xiàn)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(jì)算

關(guān)于泳池除濕熱泵的除濕效率評(píng)價(jià)，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)規(guī)范定義。本文借鑒規(guī)范[6]GBT 19411-2003《除濕機(jī)》中單位輸入功率除濕量的概念，其適用范圍為以機(jī)械制冷方式除濕，以冷凝熱為再熱方式的除濕機(jī)，這與泳池除濕熱泵的工作原理是相吻合的。計(jì)算公式如下：

對(duì)于本工程，其測(cè)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(cè)算方法是在每個(gè)小時(shí)內(nèi)間隔15min監(jiān)測(cè)一次壓縮機(jī)的電流，并據(jù)此折算出小時(shí)內(nèi)平均電流強(qiáng)度，除濕量是每個(gè)小時(shí)測(cè)試凝結(jié)水的重量。冬季典型日運(yùn)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(cè)算的除濕效率平均值為2.91，該數(shù)值高于規(guī)范[6]中名義除濕量在40～60 kg/h區(qū)間中單位輸入功率除濕量1.95 kg/（h·kW）的標(biāo)準(zhǔn)，參考《除濕機(jī)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》[7]申請(qǐng)備案稿中的風(fēng)冷型除濕機(jī)名義除濕量＞10kg/h區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)值為2.85（kg/h·kW），也具有較好的節(jié)能性。

5　結(jié)語(yǔ)

采用帶獨(dú)立壓縮機(jī)的除濕熱泵系統(tǒng)作為泳館除濕方案，有效保證制冷劑的蒸發(fā)溫度直供，自控程度高管理方便，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示控濕效果穩(wěn)定、除濕效率較高，可以滿足設(shè)計(jì)要求。且熱泵系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)移、節(jié)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(diào)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]邱信立，廉樂(lè)明，李力能.工程熱力學(xué)[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.

[4]趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.

[5]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB50736-2012.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[6]合肥通用機(jī)械研究所.GBT 19411-2003.除濕機(jī)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[7]百度文庫(kù).除濕機(jī)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范（申請(qǐng)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(yíng)口人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：建筑能耗分析。

2015-09-17

2015-10-08