寧波市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 黃立波 張海玲

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活品質(zhì)不斷提高，室內(nèi)泳池項(xiàng)目建設(shè)越來越多。泳池空調(diào)的最大特點(diǎn)是濕負(fù)荷大、新風(fēng)量大[1-2]。由于泳池的設(shè)計(jì)溫度高于常年室外平均溫度，大部分時(shí)間需要供熱。

本文對(duì)目前泳池專用空調(diào)常用的除濕優(yōu)先型和熱回收優(yōu)先型機(jī)組的空氣處理流程進(jìn)行分析，在熱回收型機(jī)組基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的機(jī)組在舒適度不變的前提下，可減少初投資，節(jié)能效果更好。

1 現(xiàn)有泳池專用熱泵空調(diào)機(jī)組空氣處理流程分類

目前工程常用的泳池專用熱泵空調(diào)機(jī)組一般為直接蒸發(fā)式組合雙風(fēng)機(jī)機(jī)組，根據(jù)其空氣處理流程可分為除濕優(yōu)先型和熱回收優(yōu)先型機(jī)組[3]。

除濕優(yōu)先型機(jī)組空氣處理流程為：泳池房間的熱濕空氣由回風(fēng)機(jī)吸入機(jī)組，部分由排風(fēng)閥排出，部分進(jìn)入混合室與新風(fēng)混合，然后進(jìn)入蒸發(fā)器冷卻除濕段除濕，再進(jìn)入冷凝器利用冷凝熱再熱(熱量不夠的再輔助加熱)，最后送入房間。當(dāng)冷凝熱大于所需再熱量時(shí)，余熱可用于加熱池水或由室外機(jī)散熱?？諝馓幚砹鞒桃妶D1(假定新回風(fēng)比為1∶5)，空氣處理焓濕圖見圖2。

1.回風(fēng)機(jī)；2.蒸發(fā)器；3.冷凝器；4.加熱盤管；5.送風(fēng)機(jī)；6.循環(huán)水泵；7.池水加熱器；V1.排風(fēng)閥；V2.新風(fēng)閥。圖1 除濕優(yōu)先型空調(diào)機(jī)組空氣處理流程示意圖

熱回收優(yōu)先型機(jī)組的空氣處理流程為：泳池房間的熱濕空氣由回風(fēng)機(jī)吸入機(jī)組后在蒸發(fā)器中冷卻除濕，一部分排出，另一部分進(jìn)入混合室與新風(fēng)混合，經(jīng)冷凝器再熱后送入房間，當(dāng)冷凝熱大于所需再熱量時(shí)，余熱可用于加熱池水或由室外機(jī)散掉?？諝馓幚砹鞒桃妶D3，空氣處理過程焓濕圖見圖4。

1.蒸發(fā)器；2.回風(fēng)機(jī)；3.冷凝器；4.加熱盤管；5.送風(fēng)機(jī)；6.循環(huán)水泵；7.池水加熱器。圖3 熱回收優(yōu)先型空調(diào)機(jī)組空氣處理流程示意圖

2 2種機(jī)組對(duì)應(yīng)空氣處理流程對(duì)比分析

2.1 定性分析

2種空氣處理過程都是制冷(除濕)再熱過程，區(qū)別是新風(fēng)的引入點(diǎn)與排風(fēng)的排出工況不同。

2.1.1設(shè)備的容量選擇

1) 設(shè)備的除濕(制冷)量。

設(shè)備的除濕(制冷)量取決于夏季濕負(fù)荷。

除濕優(yōu)先型機(jī)組蒸發(fā)器的入口工況為新回風(fēng)混合點(diǎn)，而熱回收優(yōu)先型機(jī)組的入口工況為回風(fēng)工況。除濕優(yōu)先型機(jī)組蒸發(fā)器入口空氣溫濕度高于熱回收優(yōu)先型機(jī)組，而進(jìn)入冷凝器的空氣溫度低于熱回收優(yōu)先型機(jī)組。夏季的除濕量是一定的，工況是有利的，設(shè)備的容量可以相對(duì)較小。故除濕優(yōu)先型的除濕(制冷)設(shè)備容量相對(duì)較小。

2) 設(shè)備的輔助熱源容量。

設(shè)備的輔助熱源容量取決于冬季熱負(fù)荷。

熱回收優(yōu)先型機(jī)組的排風(fēng)經(jīng)熱回收后排放，而除濕優(yōu)先型機(jī)組是直接排風(fēng)，故除濕優(yōu)先型機(jī)組需要的輔助熱源容量相對(duì)較大。

2.1.2節(jié)能性

在過渡季及冬季，室外空氣溫度低于室內(nèi)，當(dāng)室外空氣含濕量低于室內(nèi)時(shí)，引入室外新風(fēng)有利于除濕。除濕優(yōu)先型機(jī)組直接將室內(nèi)熱濕空氣排至室外，熱回收優(yōu)先型機(jī)組排出的是蒸發(fā)器后冷卻除濕后的空氣，即多回收了排風(fēng)部分的熱量。而此時(shí)泳池需要加熱，所以熱回收優(yōu)先型機(jī)組更節(jié)能。

在夏季，當(dāng)室外空氣溫濕度高于室內(nèi)時(shí)，泳池不需要供熱。同樣的除濕(制冷)量，除濕優(yōu)先型機(jī)組因?yàn)檫M(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫濕度比熱回收優(yōu)先型機(jī)組的高，而進(jìn)入冷凝器的空氣溫度較熱回收優(yōu)先型機(jī)組的低，故前者能耗較低。

由以上分析可知：除濕優(yōu)先型機(jī)組夏季節(jié)能，冬天費(fèi)能；熱回收優(yōu)先型機(jī)組則相反。

2.2 設(shè)備容量的定量分析

2.2.1熱泵除濕(制冷)量分析

1) 分析依據(jù)和計(jì)算方法。

以寧波地區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)為例，室內(nèi)溫度29 ℃，相對(duì)濕度60%，室內(nèi)設(shè)計(jì)水面風(fēng)速0.2 m/s，室外設(shè)計(jì)參數(shù)見表1[4]。

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)焓濕圖，當(dāng)采用除濕優(yōu)先型機(jī)組時(shí)，需要消除的室內(nèi)濕負(fù)荷可用式(1)計(jì)算：

式中 D1為采用除濕優(yōu)先型機(jī)組時(shí)室內(nèi)濕負(fù)荷，kg/h；G1為除濕優(yōu)先型機(jī)組的送風(fēng)量，kg/h；dN為室內(nèi)空氣含濕量，g/kg；dL為蒸發(fā)器出口空氣含濕量，g/kg；Gh1為除濕優(yōu)先型機(jī)組回風(fēng)量，kg/h；GW為機(jī)組新風(fēng)量，kg/h。

當(dāng)采用熱回收優(yōu)先型機(jī)組時(shí)，需要消除的室內(nèi)濕負(fù)荷可用式(2)計(jì)算：

式中 D2為采用熱回收優(yōu)先型機(jī)組時(shí)室內(nèi)濕負(fù)荷，kg/h；dW為室外空氣含濕量，g/kg；Gh2為熱回收優(yōu)先型機(jī)組回風(fēng)量，kg/h。

對(duì)于同一個(gè)工程，D1=D2。

2) 相同機(jī)器露點(diǎn)溫度送風(fēng)時(shí)機(jī)組總送風(fēng)量對(duì)比。

等露點(diǎn)溫度送風(fēng)時(shí)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)見表2。

表2 等露點(diǎn)溫度送風(fēng)各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

假定采用除濕優(yōu)先型機(jī)組的新回風(fēng)比為1∶5時(shí)能滿足設(shè)計(jì)要求，即回風(fēng)量Gh1=5GW，總風(fēng)量G1=6GW，代入式(1)，得到室內(nèi)總除濕量D1=0.034 68GW。由式(2)得Gh2=7GW，G2=8GW=1.33G1。也就是說等露點(diǎn)溫度送風(fēng)，熱回收優(yōu)先型機(jī)組的送風(fēng)量是除濕優(yōu)先型機(jī)組的133%，增大33%，當(dāng)新回風(fēng)比增加時(shí)，這個(gè)比例更大。

當(dāng)蒸發(fā)器出口定露點(diǎn)溫度時(shí)，除濕優(yōu)先型機(jī)組蒸發(fā)器入口溫濕度較高，冷凝器入口的溫度相對(duì)較低，而熱回收優(yōu)先型機(jī)組風(fēng)速較大，所以2個(gè)機(jī)組的COP基本一致。除濕優(yōu)先型機(jī)組可以做到更小的風(fēng)量，可以節(jié)約初投資和運(yùn)行費(fèi)用。

3) 送風(fēng)量相同，計(jì)算蒸發(fā)器的出口空氣含濕量。

若保持機(jī)組送風(fēng)量相同，則需調(diào)整熱回收優(yōu)先型機(jī)組蒸發(fā)器出口空氣的露點(diǎn)溫度，使機(jī)組送風(fēng)出口空氣含濕量與除濕優(yōu)先型機(jī)組相同。仍假定采用除濕優(yōu)先型機(jī)組新回風(fēng)比為1∶5，計(jì)算2種類型機(jī)組的除濕量，得到D1=D2。

經(jīng)計(jì)算，調(diào)整后的露點(diǎn)含濕量為7.24 g/kg，查焓濕圖可得，露點(diǎn)空氣溫度需降低至送風(fēng)溫度7.2 ℃、相對(duì)濕度95%。若想達(dá)到此露點(diǎn)溫度，就要降低蒸發(fā)溫度，從而會(huì)導(dǎo)致機(jī)組COP降低，壓縮機(jī)容量和設(shè)備容量增大。

可見，對(duì)于夏季而言，空調(diào)以降溫降濕為主，采用除濕優(yōu)先型機(jī)組容量小于熱回收優(yōu)先型，初投資和運(yùn)行費(fèi)相對(duì)較低。

2.2.2冬季輔助熱源容量的選擇比較

2種機(jī)組輔助熱源容量的不同點(diǎn)在于，熱回收優(yōu)先型機(jī)組排風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為除濕后的狀態(tài)點(diǎn)，除濕優(yōu)先型機(jī)組排風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)。作為一個(gè)整體考慮，輔助熱源容量差值為排風(fēng)的熱回收量：

式中ΔQ為除濕優(yōu)先型機(jī)組與熱回收優(yōu)先型機(jī)組輔助熱源差值，kW；GP為機(jī)組排風(fēng)流量，kg/h；hN為室內(nèi)空氣的比焓，kJ/kg；hL為除濕后的空氣比焓，kJ/kg；COP1為機(jī)組蒸發(fā)器制冷量與耗電量之比。

就輔助熱源容量而言，熱回收優(yōu)先型機(jī)組需要的容量小于除濕優(yōu)先型機(jī)組。

2.3 節(jié)能比較

1) 夏季節(jié)能比較。

根據(jù)上述分析可知，與熱回收優(yōu)先型機(jī)組相比，除濕優(yōu)先型機(jī)組可以做到更小的裝機(jī)容量、更高的能效比，可以節(jié)約初投資，也更節(jié)能。

2) 冬季節(jié)能比較。

冬季節(jié)能對(duì)比分析結(jié)果見表3。由表3可以看出，熱回收優(yōu)先型機(jī)組的工況條件優(yōu)于除濕優(yōu)先型機(jī)組，所以熱回收優(yōu)先型機(jī)組更節(jié)能。

表3 機(jī)組工況對(duì)比

3 優(yōu)化后的熱回收優(yōu)先型空氣處理流程

結(jié)合以上分析，筆者在熱回收優(yōu)先型機(jī)組空氣處理流程的基礎(chǔ)上作了優(yōu)化，優(yōu)化后機(jī)組的空氣處理流程見圖5。

1.蒸發(fā)器；2.回風(fēng)機(jī)；3.冷凝器；4.加熱盤管；5.送風(fēng)機(jī)；6.排風(fēng)機(jī)；V3、V4.閥門。圖5 優(yōu)化后空調(diào)機(jī)組空氣處理流程示意圖

室外空氣含濕量大于室內(nèi)時(shí)，打開閥門V1、V4和排風(fēng)機(jī)，關(guān)閉閥門V2、V3，此時(shí)空氣處理流程同除濕優(yōu)先型。

當(dāng)冬季、過渡季室外空氣含濕量小于室內(nèi)時(shí)，打開閥門V2、V3，關(guān)閉V1、V4和排風(fēng)機(jī)，此時(shí)空氣處理過程同熱回收優(yōu)先型。

機(jī)組除濕(制冷)容量及工況可以按照除濕優(yōu)先型的夏季計(jì)算方法選型。

泳池專用空調(diào)機(jī)組輔助加熱量的容量計(jì)算方法按照熱回收優(yōu)先型空氣處理流程冬季計(jì)算方法選型。優(yōu)化后的機(jī)組制冷(除濕)容量與輔助加熱設(shè)備容量均較小，既可以避免夏季熱回收優(yōu)先型機(jī)組制冷后的回風(fēng)需與新風(fēng)混合，也避免了除濕優(yōu)先型機(jī)組冬季排風(fēng)不經(jīng)過熱回收就排放的浪費(fèi)。過渡季及冬季盡最大限度回收排風(fēng)熱量，可以減少裝機(jī)容量，節(jié)約初投資和運(yùn)行成本。

計(jì)算優(yōu)化后可能的最大熱回收量及熱回收效率。已知空氣進(jìn)出口參數(shù)(見表2)，空氣密度取1.13 kg/m3，COP1一般為3.2，新風(fēng)量取8.64 m3/(m2·h)[5]。根據(jù)式(3)計(jì)算得到優(yōu)化后泳池單位面積排風(fēng)熱回收量為0.107 kW/m2。

定義排風(fēng)熱回收率為排風(fēng)熱回收量與其對(duì)應(yīng)耗電量之比，當(dāng)COP1為3.2時(shí)，該值為4.2。

當(dāng)然，排風(fēng)熱回收量還與新回風(fēng)比及蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度有關(guān)。如何實(shí)現(xiàn)高效熱回收有待進(jìn)一步研究。目前可以借鑒泳池?zé)岜脤Ｓ每照{(diào)機(jī)組熱回收優(yōu)先型的控制邏輯及方案。

4 結(jié)語(yǔ)

室內(nèi)游泳池空調(diào)負(fù)荷大，需要兼顧熱、濕、風(fēng)量的平衡，因此室內(nèi)游泳池空調(diào)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文對(duì)目前常用的2種泳池專用空調(diào)機(jī)組的空氣處理流程進(jìn)行了總結(jié)分類，分析了2種空氣處理流程的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。提出了一種根據(jù)季節(jié)改變新排風(fēng)流向的空氣處理流程，優(yōu)化后的空氣處理流程，可以滿足不同季節(jié)對(duì)制冷、制熱、除濕、空氣處理、熱回收等功能需求，在保證舒適性的前提下，可減少初投資、降低運(yùn)行成本，充分回收冷凝熱。如何統(tǒng)一規(guī)劃池水水溫控制與空調(diào)用能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能方式有待探索。希望本文能起到拋磚引玉的作用。