户式温湿分控机组工程应用研究

一、序言

传统家用空调只是根据设定室内温度来调整空调机组的运行状态，对湿度不进行精确控制，一方面会导致室内热舒适度达不到标准，另一方面冷冻除湿导致的温湿耦合处理会使得空调机组能效比低，耗能大。因此，温湿分控空调系统是更适合在高温高湿气候下应用的空调模式。温湿分控系统，顾名思义，就是将室内温度与湿度分开处理，单独控制，采用干燥送风除湿，高温冷水通过独立末端，如干盘管或辐射末端降温。因此与传统空调系统不同，温湿分控系统要求可以同时提供送风与冷水两种换热介质的空调机组，这也是可以实现温湿分控的关键技术之一。

目前也有部分学者对这一问题进行相关研究，江亿教授[1]提出了基于溶液除湿空调的热湿独立处理空调系统，可以利用低品位热源进行湿度控制，这种系统已经在部分办公楼及公用建筑中试运行；XiaoliHao[2]提出一种辐射顶板供冷、置换通风与转轮除湿的组合空调系统，并为验证其可行性，模拟其在北京一办公建筑的运行效果，结果表明这种系统可以提供更好的IAQ，热舒适并消耗更少的能耗。StanleyA.Mumma[3]在某非居住建筑中使用了DOAS+CRCP系统，用传统冷冻机组分别制备低温干燥送风与冷水，通过控制三通阀开度来控制各介质温度。我们可以看出，前者所提出的温湿分控系统方式主要应用于大型中央空调系统，其中转轮式除湿与溶液式除湿造价高、管理维护不方便，不适用于小型的户式空调系统，而目前对民用建筑的分户温湿独立调节的研究还较少。作为家用的空调机组，其冷热源必须具备高效、紧凑、可靠、经济的特点，因此使用冷冻除湿来制取控制湿度的干燥新风，设备体积小、技术相对成熟等特点使得它比较适合应用于户式温湿分控。因此，本文将双蒸发器温湿分控户式空调机组[4]在长沙一样板房内进行安装，并分冬季、夏季两个季节对整个空调系统进行工程应用研究，对温湿度控制效果及运行能耗进行测试，评价机组的实际运行效果。

二、户式温湿分控空调系统及测试方案

2.1户式温湿分控系统

本文的实验对象为位于长沙的一多层单元式住宅，建筑面积170㎡，使用面积129㎡，如图1所示，系统末端采用辐射地板作为显热独立末端，室内主要房间，卧室、客厅、餐厅等均设有送风口，可以满足夏季除湿及人员新风的要求。我们将双蒸发器温湿分控热泵机组在此样板房进行安装，样机图如图2所示。一台室外机同时带水机与风管机两台室内机运行，水机负责制取供给辐射板的冷水，风管机负责制取直接送入室内的干燥送风，其制冷热量由制冷剂流量的分配决定。从图2我们可以看出，机组的室外机大小及外观都与一般普通的家用五匹空调的室外机相似，水机尺寸为1m×0.4m×0.325m，放在厨房角落，风管机吊装在天花板上，可以暗装。因此，这种机组首先具备了紧凑小巧的特点，可以作为家用空调使用。

2.2测试方案

本文主要是针对机组的运行性能的测试，主要测点都布置在机组端。2.2.1室内水机承担负荷测试

测量系统的供回水温度，及水流量，得到水机侧的换热量为：

其中C为水的比热。

2.2.2室内风管机承担负荷测试

2.2.3EER计算

通过功率计可以测得整个空调系统的耗电量，其中包括压缩机、水泵、风机总的耗电量。机组运行的EER值可以按照下式计算：

测试布点以及仪器汇总于表1中。

表1：测试仪器汇总

三、测试结果分析

3.1室内参数控制效果分析

图4，图5所示分别为系统在夏季及冬季稳定运行时，室内各参数在一天之内随时间的变化曲线。我们可以看出，夏季工况下，在室外温湿度较恶劣，且波动比较大的情况下，室内温度可以一直保持在26℃～27℃之间，室内相对湿度可以一直保持在55%左右；而冬季工况下，室内温度也可以维持在18℃～20℃范围之间的波动。测试曲线表明应用双蒸发器机组的户式温湿分控系统可以实现室内温湿度的精确控制，而且温湿度的被控范围满足人体的热舒适性要求。

从图4中我们还可以看出，一天之中，供水温度保持在16℃～20℃之间，由于考虑到夏季辐射板表面的结露问题，供水温度被限制在16℃以上，所以当供水温度低于16℃时，水机侧制冷剂流量减少，供水温度上升；而送风温度维持在13℃～18℃之间，一方面根据室内需要的除湿量来调整机组的蒸发温度，送风温度随之改变，另一方面风管机同时受水机侧负荷变化的影响。从图中可以看出，供水温度和送风温度的波动都比较频繁，这对机组的运行以及室内热舒适性都是不利的。因此，更加合理、可靠、稳定的运行策略对于机组是否能广泛推广是至关重要的。

3.2系统夏季运行能效分析

表2：夏季机组运行能效比

将夏季系统稳定运行一天的时间分为4个时间段，每时间段的时间、室内外空气平均温度及机组的季节能效比见表中数据。室内温度都保持在26℃～27℃之间，夏季季节能效比最小值为2.34，最大值为3.18。由于机组的运行效率与实际工程中很多因素有关，包括建筑，室外气象条件等等，因此工程应用研究中测出的季节能效比值不能完全代表机组的运行效率。但是从表中数据还是可以看出，在长沙夏季如此恶劣的高温高湿环境中，在可以精确控制室内温湿度的情况下，机组的季节能效比最高可以达到3以上，还是具有很好的节能效果。在完善机组运行策略的条件下，机组的能效比还有很大的提升空间。

四、结论

4.1通过在样板工程内安装双蒸发器温湿分控户式空调机组及测试，证明机组可以同时制备温湿分控所需的冷水与干燥送风，且通过合理地控制机组输出参数，可以实现分户分室温湿度的精确独立控制。

4.2户式温湿分控机组紧凑、小巧、经济，适用于家用温湿分控空调系统，具有广阔的应用前景。

4.3温湿分控机组有水机和风管机两个室内机，各个室内机所承担负荷是变化的，需要通过冷热量的最佳分配，才能达到最好的控制及节能效果，这就需要良好的控制策略来实现。

4.4季节能效比的测试结果表明户式温湿分控机组有着良好的节能效果，但其季节能效比还有提升空间。下一步的工作将主要集中在更加完善的控制策略，开发配套的控制元件，将机组更好的推广应用。