摘要
模拟比较了冷水式除湿、制冷剂直膨式除湿、双冷源除湿3种除湿方式下户式辐射空调系统的夏季供冷能耗。结果显示：3种除湿方式下，空调房间温度均能满足要求，采用制冷剂直膨式除湿时室内温度略低，双冷源除湿时室内温度略高；采用制冷剂直膨式除湿的户式辐射空调系统能耗最低，冷水式除湿能耗最高，直膨式除湿的能耗较冷水式除湿约低15%，较双冷源除湿约低10%。
关键词
冷水式除湿 制冷剂直膨式除湿 双冷源除湿 户式辐射空调 能耗
作者
中国建筑科学研究院有限公司 李 娜 王永红 张 钦 黄 涛
0 引言
辐射空调系统由于具有较高的舒适性，越来越受到市场的青睐。目前，集中式辐射空调 置换新风技术应用于新建住宅小区的项目在国内为数不少且颇受好评。此外，随着新建住宅项目的减少，如何将辐射空调系统应用于改造项目也成为了行业人员亟需解决的问题。户式辐射空调系统可以应用于有户式空调需求的改造项目及新建建筑。近些年来，国内户式辐射空调系统的应用逐渐增多，大家也比较关心户式辐射空调的能耗问题，但是相关研究及数据对比较少。不同的新风除湿方式对热泵、新风机及输配设备的要求不同，从而决定了户式辐射空调系统的能耗水平不同。辐射空调系统中采用的新风除湿技术主要有以下5种：冷水式除湿、制冷剂直膨式除湿、双冷源除湿、溶液除湿、转轮除湿。在保证舒适度的前提下，这几种除湿方式，哪一种更节能，更适用于户式辐射空调系统，是本文研究的主要问题。
1 户式辐射空调系统的不同除湿方式
冷水式除湿是利用通有低温水的冷却盘管（表冷器）对新风进行除湿，其基本原理是利用低温水把空气温度冷却降低到低于其露点温度，空气中的水分凝结，从而达到除湿的目的。冷水式除湿是一种简单、可靠的除湿方式。制冷剂直膨式除湿是采用制冷剂直接蒸发降温，对新风进行除湿的空气处理方式，类似于家用空调机的原理。双冷源除湿是新风除湿需要的制冷量由2种不同温度的冷源承担，其实现的形式呈现多样化，且在实现能源梯级利用的同时，寻求新风机组更大的节能空间。
溶液除湿是利用吸湿性溶液能够吸收空气中水分的特性对空气除湿的方法。溶液除湿装置分成2个部分：吸收部和再生部。转轮除湿是利用固体吸附材料能够吸收空气中水分的特性对空气除湿的方法。转轮除湿也需要高温再生段。对于户式空调系统，不方便使用太阳能、地热能等低品位能源来满足再生需求，而以高品位的电能来满足再生需求则导致新风除湿系统能耗增加。同时，溶液除湿和转轮除湿设备户式化、小型化的技术复杂、成本较高。可见，现阶段溶液除湿和转轮除湿方式不适用于户式辐射空调系统。
本文以同一实际建筑为例，针对采用冷水式除湿、制冷剂直膨式除湿、双冷源除湿的户式辐射空调系统的能耗进行对比研究。
2 建筑概况及设备选型
2.1 建筑概述及冷负荷情况
位于北京的某节能住宅样板间，户内面积为121 ㎡，层高为2.8 m，外墙及屋面传热系数为0.1 W/（㎡·K），外窗传热系数为0.6 W/（㎡·K），遮阳系数为0.5。建筑平面如图1所示。
图1 某节能居住建筑平面图
空调系统末端采用吊顶辐射板 地面新风系统，新风量为300 m3/h。
通过计算，初步确定空调系统的冷负荷为8.1 kW（其中辐射系统负荷为3.0 kW，新风系统负荷为5.1 kW）。
2.2 不同除湿方式空调系统原理及设备选型
2.2.1 冷水式除湿
新风机组要求冷源侧提供7 ℃的低温冷水，所以空气源热泵机组出水温度需要设定为7 ℃。用板式换热器制取辐射系统所需的17 ℃的高温冷水，板式换热器二次侧水温的调节范围设定为17～20 ℃；系统有2个水环路，需要一次冷水水泵和二次辐射用水泵。新风机组中未设置热回收段，新风处理过程为冷却降温除湿。原理如图2所示，设备选型情况见表1。
图2 冷水式除湿方式原理图
2.2.2 制冷剂直膨式除湿
新风与除湿用空气源热泵内的制冷剂直接换热，不需要水作为中间媒介；辐射用空气源热泵可以直接出高温冷水，高温冷水的温度调节范围设定为17～20 ℃，直接供给辐射末端用；系统仅有一个水环路，仅需要辐射用水泵。新风机组中未设置热回收段。新风处理过程为冷却降温除湿。原理如图3所示，设备选型情况见表2。
图3 制冷剂直膨式除湿方式原理图
2.2.3 双冷源除湿
新风机组内部有压缩机，可以通过自身的压缩机制取低温冷水来达到低温除湿的目的，所以对一次侧的水温要求不高。空气源热泵可以向双冷源新风机组及辐射末端提供温度一致的水冷冷源。空气源热泵的出水温度调节范围设定为17～20 ℃；双冷源新风机组利用温度较高的水预冷新风；自带压缩机，可以深度除湿；并回收部分冷凝热对低温低湿的空气再热，向室内提供温度适宜、湿度低的新风，避免了低温送风产生的不舒适感；系统水环路所需水温一致，仅需要一个空气源热泵用水泵。新风机组仅有冷凝回收段，无回风热回收段。与前2种除湿方式相比，新风在冷却降温除湿后，还经历了冷凝热回收的等湿升温过程。双冷源新风机组有预冷和冷凝热回收段，减少了一部分压缩机能耗，但是由于相应的风机能耗、水泵能耗都有所增加，整机COP不会太高。本文采用的双冷源新风机组额定状态参数为某厂家提供的实际产品参数。双冷源除湿方式原理如图4所示，设备选型情况见表3。
图4 双冷源除湿方式原理图
3 系统模型的建立与模拟
3.1 模型建立
采用模块化的仿真软件TRNSYS对户式辐射空调系统进行动态模拟。首先，采用TRNBuild建立建筑模型，并生成type56建筑模块，此模块中已经包含辐射系统末端（辐射板）系统，只需要在外部输入辐射系统的水量、水温即可。然后，在TRNSYS Studio中引入建筑模块（type65）、空气源热泵模块（type665）、冷水除湿模块（type508）、板式换热器模块（type657）、风冷直膨式除湿模块（type665）、水冷机组模块（type666）等，按照实际建筑及设备选型情况设定模块的内部参数，并建立各个模块之间的联系。
模型采用北京的室外气象参数。室外温度、水温、水量、风温的变化都会影响空气源热泵的性能，实际制冷能力、功率会随之变化。本文采用TRNSYS软件中的空气源热泵模块、风冷直膨式除湿模块、冷水除湿模块自带的性能参数文件。当风温、水温等参数变化时，模型自动模拟出相应的制冷量、功率等。
建立了冷水式除湿、制冷剂直膨式除湿、双冷源除湿3种方式下的户式辐射空调系统的TRNSYS模型。图5为双冷源除湿方式的TRNSYS模型示意图。
图5 双冷源除湿方式的TRNSYS模型示意图
3.2 模拟结果分析
对冷水式除湿、制冷剂直膨式除湿、双冷源除湿3种方式的户式辐射空调系统进行模拟，模拟时段为6月1日至8月31日，全天制冷。系统耗电量及室内温度情况如图6、7所示。
图6 3种除湿方式耗电量比较
图7 3种除湿方式室内温度比较
1） 采用制冷剂直膨式除湿方式时，辐射用热泵出水直接进辐射末端，新风除湿用热泵直接出低温风，使得该方式的系统能耗较低；风温、水温控制较好的情况下，容易达到较低的室内环境温度。
2） 采用双冷源除湿方式时，由于双冷源新风机组有冷凝回收再热功能，送风温度较冷水式及制冷剂直膨式高，使得空调房间室内温度略高于冷水式除湿方式；空气源热泵可以直接出高温水，热泵的耗电量相对较少，同时新风机组预热及冷凝热回收功能也会减少一定的电量消耗。
针对本建筑情况，按照电价0.5元/（kW·h）计算，冷水式除湿辐射空调系统夏季运行费用为24.7元/㎡，制冷剂直膨式除湿辐射空调系统夏季运行费用为18.4元/㎡，双冷源除湿辐射空调系统夏季运行费用为20.3元/㎡。制冷剂直膨式除湿方式较冷水式除湿方式能耗低约15%，较双冷源除湿方式低约10%。
以上3种除湿方式的模型室内设定温度均为26 ℃，但是实际运行下来室内温度有所差异。通过调整模型设定参数使得室内温度较为一致时，制冷剂直膨式除湿方式系统能耗相对更低（18.0元/㎡），双冷源除湿能耗（20.3元/㎡）仍低于冷水式除湿方式（24.6元/㎡）。
需要说明的是，软件模拟结果是对水温、风温的控制较为理想状态下的结果。而实际上由于制冷剂除湿方式时机组的换热效率高、速度快，出风温度很难控制，会出现出风温度较低且波动大的情况，影响空调的舒适性效果。而水冷式除湿时，机组换热效率相对低，但出风温度可以控制得比较平稳，有利于空调舒适性的实现。
4 结论
1） 采用冷水式除湿的户式辐射空调系统同时需要低温冷水和高温冷水（需要一次和二次水泵），空气源热泵出水温度较低，这些方面都不利于系统的节能。
2） 采用制冷剂直膨式除湿的户式辐射空调系统仅需要一个辐射循环泵，空气源热泵直接出高温冷水，新风直接采用制冷剂直膨除湿，换热效率高，从而较为节能。
3） 采用双冷源除湿的户式辐射空调系统仅需要辐射循环泵，新风机组有冷凝热回收功能，可以对低温新风进行再热，避免了送风温度低引起的不舒适感。但是由于二次压缩机的存在，使得能耗相对制冷剂直膨式除湿还是高一些。
4） 在保证除湿及温度控制效果稳定、设备可靠的前提下，制冷剂直膨式除湿方式节能性较好。
本文引用格式：李娜 ，王永红，张钦，等.不同除湿方式户式辐射空调系统能耗研究[J].暖通空调，2021，51（7）：100-103
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