轉(zhuǎn)輪除濕復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)

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摘要：轉(zhuǎn)輪除濕與機(jī)械制冷相結(jié)合的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)中，濕負(fù)荷由熱量來(lái)承擔(dān)、可有效地提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，降低能耗。本文介紹了一種天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)制冷與轉(zhuǎn)輪除濕相結(jié)合的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，并與常規(guī)冷凍減濕系統(tǒng)進(jìn)行了比較。計(jì)算結(jié)果表明，空調(diào)系統(tǒng)的濕負(fù)荷越大，復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)越明顯。關(guān)鍵詞：除濕轉(zhuǎn)輪復(fù)合空調(diào)能耗濕負(fù)荷一、前言利用除濕材料(desiccant)的親水性來(lái)處理潮濕空氣的除濕技術(shù)(desiccantdehumidification)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于對(duì)濕度要求較高的生產(chǎn)車間、倉(cāng)庫(kù)以及要求空氣濕度較低的場(chǎng)合，如鋰電池生產(chǎn)、聚酯切片生產(chǎn)等。除濕轉(zhuǎn)輪是其中一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能好、應(yīng)用廣泛的設(shè)備，含有除濕材料的轉(zhuǎn)芯在微型馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，交替地暴露于溫度較低、濕度較高的過(guò)程空氣側(cè)和溫度較高、濕度較低的再生空氣側(cè)，利用再生空氣的熱量實(shí)現(xiàn)過(guò)程空氣側(cè)濕度的降低。空調(diào)系統(tǒng)的任務(wù)之一是消除建筑內(nèi)的余濕量，并將其維持在一定的舒適性水平上。傳統(tǒng)的舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，這一過(guò)程是通過(guò)冷凍減濕——將空氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下、使水分凝結(jié)析出——來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在熱力學(xué)上很不合理，而且為避免吹冷風(fēng)的感覺(jué)常需將深冷后的空氣再熱到送風(fēng)溫度，冷熱相抵的過(guò)程造成極大浪費(fèi)。隨著過(guò)去十年中除濕轉(zhuǎn)輪制造技術(shù)的不斷完善和新型除濕材料的不斷商業(yè)化，原來(lái)主要用于工藝空調(diào)的除濕轉(zhuǎn)輪開(kāi)始進(jìn)入到舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，出現(xiàn)了多種形式的與蒸發(fā)冷卻、機(jī)械制冷等融合而成的復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)。國(guó)外的研究表明：由除濕轉(zhuǎn)輪來(lái)負(fù)擔(dān)濕負(fù)荷的復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)，特別適用于室內(nèi)濕負(fù)荷大、新風(fēng)量大的場(chǎng)所，如超市、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館、醫(yī)院等[1]。在可使用太陽(yáng)能、發(fā)動(dòng)機(jī)余熱等低品位熱量時(shí)，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更為明顯。此外，復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)將熱、濕負(fù)荷分開(kāi)處理，可實(shí)現(xiàn)與溫度無(wú)關(guān)的、精確的濕度控制，改善舒適性。同時(shí)，能保證送風(fēng)系統(tǒng)的干燥，避免與病態(tài)建筑綜合癥相關(guān)的微生物和霉菌的生長(zhǎng)。本文介紹了一種將除濕技術(shù)與機(jī)械制冷相結(jié)合的復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)其運(yùn)行能耗和適用性進(jìn)行了分析。二、系統(tǒng)說(shuō)明圖1a復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)流程圖圖1b　常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig.1aPsychrometricChartforHybridACSystemFig.1bPsychrometricChartforTraditionalACSystem

  圖1c　除濕復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)示意圖Fig.1cSchemeofDesiccant-AssistedHybridAir-conditioningSystem圖1a是一種典型的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，其具體流程見(jiàn)圖1c。該系統(tǒng)最早由Pennington提出[2]，使用太陽(yáng)能再生、結(jié)合蒸發(fā)冷卻供冷；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)的深入，余熱被越來(lái)越多地應(yīng)用于再生除濕轉(zhuǎn)輪。Parsons[3]提出了用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)制冷同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)余熱用于除濕的系統(tǒng)方案。Schmitz[4]建議將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的余熱在夏季進(jìn)行除濕設(shè)備再生、并考慮利用冷凝器排熱補(bǔ)充再生熱量。在這一系統(tǒng)中，濕負(fù)荷全部由新風(fēng)承擔(dān)；室外新風(fēng)(點(diǎn)1)經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕后(點(diǎn)2)與房間回風(fēng)進(jìn)行顯熱交換，降低溫度(點(diǎn)3)。之后再與回風(fēng)混合(4點(diǎn))、一起(如圖所示)或單獨(dú)通過(guò)機(jī)械制冷處理到送風(fēng)狀態(tài)(點(diǎn)O)。當(dāng)室外空氣濕度較大，通過(guò)預(yù)冷器預(yù)冷、降低溫度后再進(jìn)行除濕；若新風(fēng)無(wú)法負(fù)擔(dān)全部濕負(fù)荷，可結(jié)合預(yù)冷減濕，形成“雙級(jí)除濕”系統(tǒng)。顯熱熱交換器既減小了機(jī)械制冷量、又降低了再生空氣加熱量。三、能耗計(jì)算與分析為對(duì)比復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)冷凍減濕系統(tǒng)的能耗，我們借助國(guó)外某品牌除濕轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)程序[5]進(jìn)行了計(jì)算。圖2、圖3分別為計(jì)算得到的、在不同的新風(fēng)百分比和室內(nèi)濕負(fù)荷情況下兩種系統(tǒng)的能耗情況。計(jì)算條件如下：室外空氣34℃-40%RH；室內(nèi)狀態(tài)25℃-50%RH。室內(nèi)余熱量固定為40KW，余濕量分別取4kg/hr、8kg/hr、16kg/hr。除濕轉(zhuǎn)輪的吸濕材料為氯化鋰，面風(fēng)速取廠家推薦值1.7m/s；顯熱熱交換器的效率取為75%。作為對(duì)比的常規(guī)系統(tǒng)為一次回風(fēng)，先冷凍到機(jī)器露點(diǎn)減濕之后再熱到送風(fēng)溫度(如圖1b)。兩種系統(tǒng)的送風(fēng)溫差均固定為5℃；該系統(tǒng)有下面一些主要特點(diǎn)：       １、在同樣的新風(fēng)比例和室內(nèi)余濕量情況下，復(fù)合系統(tǒng)的需冷量大大低于常規(guī)系統(tǒng)(圖2)；這是由于系統(tǒng)的濕負(fù)荷由熱量承擔(dān)。而且對(duì)于兩種系統(tǒng)，在同樣的室內(nèi)余濕量下、需冷量均隨新風(fēng)比例的增大而增加，但復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的增加要平緩得多。常規(guī)冷凍減濕系統(tǒng)的需冷量由于新風(fēng)濕負(fù)荷的增大而迅速增大。在復(fù)合系統(tǒng)中，新風(fēng)比例增大、濕負(fù)荷增加、需熱量迅速提高(圖3)，而需冷量的增加較為平緩。圖2　復(fù)合除濕空調(diào)系統(tǒng)與冷凍減濕系統(tǒng)的需冷量對(duì)比Fig.2ComparisonofCoolingCapacityforHybridACSystemandTraditionalRefrigerationSystem       ２、此外，由于新風(fēng)負(fù)擔(dān)所有的濕負(fù)荷，當(dāng)新風(fēng)比例較小時(shí)，要求轉(zhuǎn)輪的除濕能力較強(qiáng)。目前商業(yè)轉(zhuǎn)輪的單級(jí)除濕能力一般在6~12g/Kg，在室外空氣含濕量較大或室內(nèi)濕負(fù)荷較大時(shí)，較小的新風(fēng)量可能無(wú)法滿足全部濕負(fù)荷。這時(shí)可在轉(zhuǎn)輪的過(guò)程空氣側(cè)增設(shè)預(yù)冷器進(jìn)行冷凍減濕、分擔(dān)部分濕負(fù)荷，或者增大新風(fēng)量。從圖2中可以看出，復(fù)合系統(tǒng)在新風(fēng)量50%的需冷量比常規(guī)系統(tǒng)在10%時(shí)還要低。３、除濕轉(zhuǎn)輪的焓增在一定程度降低了系統(tǒng)的效能。在經(jīng)典的空氣調(diào)節(jié)理論[6]以及大部分的工程設(shè)計(jì)中，都認(rèn)為過(guò)程空氣在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的過(guò)程是等焓的；實(shí)際上由于蓄熱效應(yīng)，過(guò)程空氣側(cè)總有一定的焓增；圖4為對(duì)上述的轉(zhuǎn)輪計(jì)算得到的、當(dāng)再生溫度由40℃增高到70℃(過(guò)程空氣側(cè)的除濕量由0.87提高到4.47g/Kg)時(shí)，過(guò)程空氣側(cè)的焓增情況。顯然再生側(cè)的溫度越高，過(guò)程側(cè)的焓增越大。對(duì)過(guò)程側(cè)進(jìn)口焓值較低的情形，其出口的焓增可達(dá)10%。因此，制造商紛紛開(kāi)發(fā)各種熱容較小的材料，以盡可能降低焓增，改善效率。圖3　復(fù)合除濕空調(diào)系統(tǒng)與冷凍減濕系統(tǒng)的需熱量對(duì)比Fig.3ComparisonofHeatingCapacityforHybridACSystemandTraditionalRefrigerationSystem圖4　過(guò)程空氣側(cè)除濕量與焓增的關(guān)系Fig4RelationshipbetweenHumidity-RatioDecreaseandEnthalpyIncreaseofProcessAir４、將濕負(fù)荷用熱量來(lái)承擔(dān)的方法，經(jīng)濟(jì)性取決于熱量的來(lái)源。電加熱的方法由于簡(jiǎn)單、可靠、容易控制而為很多的轉(zhuǎn)輪制造商所采用，但并不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)?KW由電轉(zhuǎn)化而來(lái)的熱量比1KW的冷量更昂貴。但當(dāng)熱量是某種形式的余熱時(shí)，除濕就具備產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力了。表1是一種發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組的制冷量和可利用余熱量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。表1　天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組的制冷量與可回收熱量[7]Table1CoolingCapacityandRecoverableWasteHeatfromEngine-DrivenChillers壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)14001300120011001000900800700天然氣耗量（Nm3/h）5.505.084.684.203.783.382.962.57制冷量(kW)52.5648.1246.6645.6440.9338.5434.7531.81可回收的熱量(kW)32.8731.2128.4526.2223.4621.4618.0715.86例如當(dāng)室內(nèi)余濕量為4Kg/hr、新風(fēng)比例為25%時(shí)，由圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)：需冷量為46.6KW、需熱量26.4KW。與該機(jī)組在1200rpm的冷、熱量正好吻合。此時(shí)的天然氣耗量為4.68Nm3/h，以天然氣價(jià)格2.2元/Nm3計(jì)，運(yùn)行能耗費(fèi)用為10.3元/hr。若使用冷凍減濕、電加熱再熱的常規(guī)處理流程，需冷量與需熱量分別為114.6KW和41.5KW。設(shè)電動(dòng)冷水機(jī)組的COP=5，電價(jià)為0.62元/KW.h。其運(yùn)行費(fèi)用為40元/hr。即使以露點(diǎn)送風(fēng)、降低舒適性的話，運(yùn)行費(fèi)用也為14.2元/hr。當(dāng)然，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)使用了除濕轉(zhuǎn)輪而較常規(guī)系統(tǒng)更為復(fù)雜，也帶來(lái)維護(hù)上的麻煩。并且當(dāng)室內(nèi)的熱、濕負(fù)荷變化時(shí)，需要更為及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的控制來(lái)保證冷、熱量的匹配。這類復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的推廣有賴于自動(dòng)控制程度的提高和集成。四、結(jié)論本文介紹了一種將轉(zhuǎn)輪除濕與機(jī)械制冷相結(jié)合的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)。并對(duì)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)冷凍減濕、再熱的處理過(guò)程進(jìn)行了能耗對(duì)比。由于將空調(diào)系統(tǒng)的濕負(fù)荷由熱量處理、并使用顯熱熱交換器回收排風(fēng)的冷量，在同樣的新風(fēng)比例和室內(nèi)余熱/余濕量情況下，復(fù)合系統(tǒng)的需冷量比常規(guī)冷凍減濕系統(tǒng)低很多。而且，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的需冷量隨新風(fēng)比例的增大不如冷凍減濕系統(tǒng)敏感。過(guò)程空氣在除濕轉(zhuǎn)輪內(nèi)的焓增會(huì)影響復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的效能。當(dāng)再生熱量來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱時(shí)(既所謂“發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)”)，熱力學(xué)上的合理性會(huì)直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)性。復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的能耗較常規(guī)系統(tǒng)大為減少。當(dāng)然，這一系統(tǒng)的推廣還面臨控制系統(tǒng)的完善等技術(shù)細(xì)節(jié)問(wèn)題。今天的除濕技術(shù)與1930年代的機(jī)械制冷有很多的相似點(diǎn)。一方面，除濕系統(tǒng)不會(huì)減少機(jī)械制冷的使用，就象機(jī)械制冷并未減少風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇的使用；另一方面，就象機(jī)械制冷增加了風(fēng)扇供冷系統(tǒng)的費(fèi)用一樣，除濕系統(tǒng)也會(huì)增加機(jī)械制冷的成本；但是，除濕系統(tǒng)所帶來(lái)的利益也超過(guò)了機(jī)械制冷。除濕技術(shù)可望在未來(lái)有更大的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。隨著“京都協(xié)議”的實(shí)施，替代工質(zhì)的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致制冷量的下降，而除濕技術(shù)會(huì)彌補(bǔ)這一下降。另外，隨著建筑節(jié)能技術(shù)的普及、熱負(fù)荷與濕負(fù)荷的比例會(huì)發(fā)生變化，濕負(fù)荷會(huì)相對(duì)增大，將熱、濕負(fù)荷分開(kāi)處理的方法會(huì)更有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。