張 宇， 蔡穎玲

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境和獲取趨于自然條件的舒適健康環(huán)境是空調(diào)技術(shù)發(fā)展的總目標(biāo)［1］。曹振等［2］采用雙冷源新風(fēng)除濕機(jī)對(duì)溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行除濕。實(shí)驗(yàn)研究表明：系統(tǒng)運(yùn)行2 h 后，相對(duì)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(shù)高，傳遞熱量大等特點(diǎn)［3］。李江波［4］將重力式熱管應(yīng)用于兩級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)中，兩級(jí)除濕空調(diào)系統(tǒng)的性能系數(shù)比一級(jí)系統(tǒng)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(dāng)環(huán)路熱管內(nèi)工質(zhì)為R32 時(shí)，對(duì)換熱器在冬、夏季工況的換熱性能均有提升。楊璨［6］設(shè)計(jì)研發(fā)了一款用于溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)機(jī)并進(jìn)行性能分析，結(jié)果顯示新風(fēng)機(jī)可以滿足全年98%的除濕需求，顯熱負(fù)荷需與輻射末端共同承擔(dān)。艾青云［7］將熱管換熱器應(yīng)用到冷凍除濕機(jī)中，使帶有熱管換熱器的冷凍除濕機(jī)可以節(jié)能20%左右。Yau［8］在馬來(lái)西亞熱帶地區(qū)將8 排虹吸熱管加裝于暖通空調(diào)系統(tǒng)中，采用多排熱管換熱器是可提高空調(diào)系統(tǒng)的除濕效率。Ibnu 等［9］將U 形除濕熱管和表冷器結(jié)合起來(lái)，不僅提高除濕效果，還可以避免露點(diǎn)送風(fēng)對(duì)人產(chǎn)生影響。王鑫昊等［10］對(duì)單塊金屬板進(jìn)行測(cè)試，該輻射板換熱性能良好。

上海地區(qū)夏季炎熱潮濕，特別是梅雨季節(jié)對(duì)人們的舒適性有著較大影響，因此除濕問(wèn)題時(shí)至關(guān)重要。基于溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)采用熱管新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行除濕，標(biāo)準(zhǔn)工況下，在焓差實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)表冷器與U 型熱管換熱器結(jié)合表冷器進(jìn)行除濕性能對(duì)比測(cè)試。在運(yùn)行工況下，對(duì)比熱管新風(fēng)機(jī)組夏季典型工況與梅雨季實(shí)驗(yàn)的除濕性能的差異。

1 焓差實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)平臺(tái)

標(biāo)準(zhǔn)工況的實(shí)驗(yàn)采用焓差實(shí)驗(yàn)室對(duì)換熱器進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)U型熱管換熱器、熱回收熱管換熱器、表冷器以及風(fēng)機(jī)盤管等換熱器進(jìn)行性能測(cè)試（以下文中試驗(yàn)平臺(tái)均指焓差實(shí)驗(yàn)室）。

該試驗(yàn)平臺(tái)分為測(cè)試環(huán)境內(nèi)外室、冷熱源系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)、風(fēng)量測(cè)量系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)5 個(gè)部分。

試驗(yàn)平臺(tái)采用力控監(jiān)控組態(tài)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過(guò)程控制。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)上共有八個(gè)界面可以切換，分別為主平面圖界面、參數(shù)設(shè)置界面、實(shí)驗(yàn)選擇界面、設(shè)備控制切換界面、趨勢(shì)圖界面、報(bào)警界面、操作歷史界面和登錄界面。組態(tài)界面中主平面圖界面如圖1所示。

圖1 焓差實(shí)驗(yàn)室組態(tài)界面

2 溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目標(biāo)實(shí)驗(yàn)室所采用的空調(diào)系統(tǒng)為溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)：熱管新風(fēng)機(jī)組用于溫濕度獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)濕度控制；金屬輻射末端進(jìn)行溫度控制。使用水-水熱泵系統(tǒng)為新風(fēng)機(jī)組與金屬吊頂提供冷水。采用可編程控制器（PLC）對(duì)溫度、濕度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，對(duì)水流量與風(fēng)量進(jìn)行控制，在上位機(jī)界面顯示。在溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中，新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行工況試驗(yàn)（下文中系統(tǒng)指溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)）。

2.1 目標(biāo)實(shí)驗(yàn)室

目標(biāo)實(shí)驗(yàn)室位于上海某高校內(nèi)，空調(diào)區(qū)為兩間建筑參數(shù)相同的實(shí)驗(yàn)室，單間實(shí)驗(yàn)室層長(zhǎng)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(nèi)墻。目標(biāo)實(shí)驗(yàn)室面積共計(jì)66.4 m2。室內(nèi)可容納10 人。目標(biāo)實(shí)驗(yàn)室的夏季設(shè)計(jì)溫度為26 ℃，相對(duì)濕度為50%。

通過(guò)計(jì)算可知，顯熱冷負(fù)荷為3680.9 W，濕負(fù)荷為612 g/h，送風(fēng)溫度為20 ℃，含濕量為8.05 g/kg（干），新風(fēng)量為300 m3/h［11］。

2.2 熱管新風(fēng)機(jī)組設(shè)計(jì)

熱管新風(fēng)機(jī)組主要包括過(guò)濾器、U型熱管換熱器、表冷器、送風(fēng)機(jī)等。大致可分為新風(fēng)過(guò)濾段、除濕段、送風(fēng)段［12］。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 熱管新風(fēng)機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

新風(fēng)經(jīng)過(guò)濾后，先通過(guò)U 型熱管換熱器蒸發(fā)段進(jìn)行預(yù)冷，再經(jīng)過(guò)表冷器進(jìn)行深度除濕，然后經(jīng)熱管換熱器冷凝段再熱，最后通過(guò)送風(fēng)機(jī)送入室內(nèi)。設(shè)計(jì)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(shí)物如圖3 所示。

圖3 表冷器與U型熱管換熱器實(shí)物圖

2.3 金屬輻射末端選型

室內(nèi)選用金屬輻射吊頂處理顯熱冷負(fù)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(gè)房間內(nèi)金屬輻射板6 塊為一組串聯(lián)，共分為6 組，通過(guò)集分水器為每一組供冷水，該系統(tǒng)夏季制冷時(shí)輻射末端的供水溫度設(shè)定為16 ℃。

2.4 主機(jī)選型

本文采用地源熱泵系統(tǒng)為新風(fēng)機(jī)組與輻射末端提供冷量，是對(duì)地?zé)崮芨咝Ю?，具有低碳和?duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)。主機(jī)需承擔(dān)冷負(fù)荷為7793 W，選取的主機(jī)為水-水熱泵機(jī)組，滿足負(fù)荷要求。

2.5 監(jiān)測(cè)平臺(tái)

在該測(cè)試系統(tǒng)中，下位機(jī)采用可編程控制器（PLC）S7-2000 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度、流量等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。上位機(jī)是基于Siemens的WinCC組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，可讀取PLC 所采集的數(shù)據(jù)信息，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)警等。組態(tài)界面如圖4 所示。

圖4 上位機(jī)組態(tài)界面

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 主要性能指標(biāo)

在熱管新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行測(cè)試過(guò)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(shí)新風(fēng)除濕量、每千克新風(fēng)除濕量、空氣側(cè)換熱量和水側(cè)供冷量對(duì)熱管新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試分析。

（1）每小時(shí)新風(fēng)除濕量。新風(fēng)除濕量的計(jì)算式為

式中：Wl為每小時(shí)新風(fēng)除濕量，g/h；qV為流經(jīng)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(fēng)換熱量與水側(cè)供冷量。據(jù)表冷器的工作原理，新風(fēng)經(jīng)過(guò)冷盤管產(chǎn)生熱交換，新風(fēng)換熱量計(jì)算式為

式中：Qc為供冷量，kW；qm為瞬時(shí)風(fēng)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(cè)供冷量計(jì)算式為

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

3.2 標(biāo)準(zhǔn)工況下熱管新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行性能分析

試驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)U型熱管換熱器、表冷器以及風(fēng)機(jī)盤管等換熱器進(jìn)行性能測(cè)試。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T21087—2020《熱回收新風(fēng)機(jī)組》［14-15］，標(biāo)準(zhǔn)工況相關(guān)參數(shù)如下：新風(fēng)量300 m3·h-1，表冷器進(jìn)水溫度7 ℃，新風(fēng)入口干球溫度35 ℃，新風(fēng)入口濕球溫度28 ℃。

由于迎面風(fēng)速，進(jìn)水溫度均不變，調(diào)節(jié)水流量使得進(jìn)出水溫為標(biāo)準(zhǔn)工況。

圖5 所示為表冷器除濕量變化趨勢(shì)。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(fēng)量的波動(dòng)所引起的。除濕量隨時(shí)間總體呈下降趨勢(shì)，其中，當(dāng)表冷器入口空氣干球溫度為35.1 ℃，濕球溫度為28 ℃，進(jìn)水溫度為7.1 ℃，出水溫度為12.1 ℃時(shí)，最接近標(biāo)準(zhǔn)工況，此時(shí)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(shì)

該實(shí)驗(yàn)新風(fēng)入口空氣狀態(tài)：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(shí)間的變化。由圖可知，帶有除濕熱管的表冷器除濕性能優(yōu)于單獨(dú)的表冷器，每小時(shí)新風(fēng)除濕增加約200 g/h。

圖6 除濕熱管對(duì)除濕量隨時(shí)間變化曲線

圖7 所示為除濕與冷量關(guān)系，由圖可知，水側(cè)供冷量越多，對(duì)新風(fēng)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(shí)，帶有除濕熱管的表冷器能夠增強(qiáng)除濕效果，為50 ～100 g/h。當(dāng)4 kW冷量時(shí)，除濕量約為3.6 kg/h，當(dāng)5 kW冷量時(shí)，除濕量約為4.7 kg/h。

圖7 除濕量隨水側(cè)供冷量變化關(guān)系

3.3 運(yùn)行工況下熱管新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行測(cè)試

本文實(shí)驗(yàn)了夏季典型工況與梅雨季實(shí)驗(yàn)是運(yùn)行工況下兩個(gè)具有代表性的實(shí)驗(yàn)，如表2 所列。

表2 梅雨季實(shí)驗(yàn)與夏季典型工況運(yùn)行策略

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

圖8 新風(fēng)除濕量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

由圖8 可知，隨著時(shí)間的推移，新風(fēng)機(jī)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(jī)組的開啟，表冷器的供水溫度降低，新風(fēng)機(jī)組對(duì)新風(fēng)的除濕量逐漸增加，在50 min 左右時(shí)，新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行到達(dá)穩(wěn)定。此時(shí)，表冷器供水流量為0.88 m3/h。機(jī)組穩(wěn)定后，tr=7.1 ℃，tc=11.9 ℃，水溫差為4.8 ℃，符合實(shí)驗(yàn)要求。

在新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，水側(cè)供冷量與新風(fēng)側(cè)的換熱量變化趨勢(shì)基本一致，如圖9 所示。新風(fēng)機(jī)組在運(yùn)行約50 min 后，水側(cè)供冷量與新風(fēng)換熱量基本相同，換熱量約為5 kW。

圖9 水側(cè)與新風(fēng)側(cè)換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

熱管新風(fēng)機(jī)組在梅雨季節(jié)與典型工況的除濕能力差異有待探究，該實(shí)驗(yàn)額定新風(fēng)量為300 m3/h，控制表冷器供回水溫差為5 ℃，tr=7 ℃，新風(fēng)入口的空氣為梅雨季節(jié)的濕空氣，除濕量與換熱量變化過(guò)程如下：

圖10 所示為實(shí)驗(yàn)梅雨季除濕量隨運(yùn)行時(shí)間的變化。由圖可知，有兩端除濕量劇烈變化的過(guò)程：機(jī)組剛開啟時(shí)，流量為0.6 m3/h時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)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(shí)，供回水溫差控制在5 ℃左右，待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)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(shì)可知，隨著表冷器水初溫的降低，水量的提升，機(jī)組對(duì)新風(fēng)的除濕能力就越強(qiáng)。

圖10 梅雨季除濕量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

圖11 所示為實(shí)驗(yàn)梅雨季節(jié)水側(cè)與新風(fēng)側(cè)換熱對(duì)比。由圖可知，隨著時(shí)間的推移，熱管新風(fēng)機(jī)組的供水溫度不斷降低，最終達(dá)到7 ℃。在第55 min，新風(fēng)換熱量與水側(cè)供冷量趨于穩(wěn)定，此時(shí)，新風(fēng)換熱量與冷凍水供冷量均在5 kW 上下波動(dòng)，符合理論預(yù)期。在開始的幾分鐘，新風(fēng)換熱量略高于水側(cè)供冷量，這是由于機(jī)組剛剛啟動(dòng)，在測(cè)量過(guò)程中空氣狀態(tài)產(chǎn)生波動(dòng)。在熱管新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，表冷器水側(cè)供冷量與新風(fēng)換熱量基本相等。

圖11 梅雨季節(jié)水側(cè)與新風(fēng)側(cè)隨運(yùn)行時(shí)間的換熱量對(duì)比

對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)工況與運(yùn)行工況可以看出，梅雨季實(shí)驗(yàn)、夏季典型工況與標(biāo)準(zhǔn)工況這3 種實(shí)驗(yàn)下熱管新風(fēng)機(jī)組的供冷量基本相同，均為5 kW。此時(shí)熱管新風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)組除濕能力的是新風(fēng)入口空氣狀態(tài)，即新風(fēng)接近飽和濕空氣除濕量大，此外，熱回收熱管換熱也增強(qiáng)了機(jī)組的除濕性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研制了熱管新風(fēng)機(jī)組并搭建了溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)300 m3/h的熱管新風(fēng)機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況與運(yùn)行工況下進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：①標(biāo)準(zhǔn)工況下，帶有除濕熱管的表冷器增強(qiáng)了熱管新風(fēng)機(jī)組的除濕性能，除濕能力提升了約200 g/h。②在運(yùn)行工況下，供冷量約為5 kW，夏季典型工況中，機(jī)組除濕能力為4 kg/h；梅雨季實(shí)驗(yàn)中，機(jī)組除濕能力為5.2 kg/h。

本文可進(jìn)一步探究該溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的夏季運(yùn)行研究，從而分析該系統(tǒng)的舒適性與金屬輻射末端結(jié)露問(wèn)題。