轉輪除濕復合空調系統

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摘要：轉輪除濕與機械制冷相結合的復合空調系統中，濕負荷由熱量來承擔、可有效地提高系統的經濟性，降低能耗。本文介紹了一種天然氣發(fā)動機直接驅動制冷與轉輪除濕相結合的復合空調系統，并與常規(guī)冷凍減濕系統進行了比較。計算結果表明，空調系統的濕負荷越大，復合系統的優(yōu)勢越明顯。關鍵詞：除濕轉輪復合空調能耗濕負荷一、前言利用除濕材料(desiccant)的親水性來處理潮濕空氣的除濕技術(desiccantdehumidification)，現已廣泛應用于對濕度要求較高的生產車間、倉庫以及要求空氣濕度較低的場合，如鋰電池生產、聚酯切片生產等。除濕轉輪是其中一種結構緊湊、性能好、應用廣泛的設備，含有除濕材料的轉芯在微型馬達的驅動下，交替地暴露于溫度較低、濕度較高的過程空氣側和溫度較高、濕度較低的再生空氣側，利用再生空氣的熱量實現過程空氣側濕度的降低?？照{系統的任務之一是消除建筑內的余濕量，并將其維持在一定的舒適性水平上。傳統的舒適性空調系統中，這一過程是通過冷凍減濕——將空氣冷卻到露點溫度以下、使水分凝結析出——來實現的，在熱力學上很不合理，而且為避免吹冷風的感覺常需將深冷后的空氣再熱到送風溫度，冷熱相抵的過程造成極大浪費。隨著過去十年中除濕轉輪制造技術的不斷完善和新型除濕材料的不斷商業(yè)化，原來主要用于工藝空調的除濕轉輪開始進入到舒適性空調系統中，出現了多種形式的與蒸發(fā)冷卻、機械制冷等融合而成的復合式空調系統。國外的研究表明：由除濕轉輪來負擔濕負荷的復合式空調系統，特別適用于室內濕負荷大、新風量大的場所，如超市、運動場館、醫(yī)院等[1]。在可使用太陽能、發(fā)動機余熱等低品位熱量時，系統的經濟性更為明顯。此外，復合式空調系統將熱、濕負荷分開處理，可實現與溫度無關的、精確的濕度控制，改善舒適性。同時，能保證送風系統的干燥，避免與病態(tài)建筑綜合癥相關的微生物和霉菌的生長。本文介紹了一種將除濕技術與機械制冷相結合的復合式空調系統，并對其運行能耗和適用性進行了分析。二、系統說明圖1a復合空調系統流程圖圖1b　常規(guī)空調系統流程圖Fig.1aPsychrometricChartforHybridACSystemFig.1bPsychrometricChartforTraditionalACSystem

  圖1c　除濕復合空調系統示意圖Fig.1cSchemeofDesiccant-AssistedHybridAir-conditioningSystem圖1a是一種典型的復合空調系統，其具體流程見圖1c。該系統最早由Pennington提出[2]，使用太陽能再生、結合蒸發(fā)冷卻供冷；隨著發(fā)動機驅動制冷技術的深入，余熱被越來越多地應用于再生除濕轉輪。Parsons[3]提出了用發(fā)動機直接驅動制冷同時將發(fā)動機余熱用于除濕的系統方案。Schmitz[4]建議將熱電聯產機組的余熱在夏季進行除濕設備再生、并考慮利用冷凝器排熱補充再生熱量。在這一系統中，濕負荷全部由新風承擔；室外新風(點1)經轉輪除濕后(點2)與房間回風進行顯熱交換，降低溫度(點3)。之后再與回風混合(4點)、一起(如圖所示)或單獨通過機械制冷處理到送風狀態(tài)(點O)。當室外空氣濕度較大，通過預冷器預冷、降低溫度后再進行除濕；若新風無法負擔全部濕負荷，可結合預冷減濕，形成“雙級除濕”系統。顯熱熱交換器既減小了機械制冷量、又降低了再生空氣加熱量。三、能耗計算與分析為對比復合空調系統與常規(guī)冷凍減濕系統的能耗，我們借助國外某品牌除濕轉輪的設計程序[5]進行了計算。圖2、圖3分別為計算得到的、在不同的新風百分比和室內濕負荷情況下兩種系統的能耗情況。計算條件如下：室外空氣34℃-40%RH；室內狀態(tài)25℃-50%RH。室內余熱量固定為40KW，余濕量分別取4kg/hr、8kg/hr、16kg/hr。除濕轉輪的吸濕材料為氯化鋰，面風速取廠家推薦值1.7m/s；顯熱熱交換器的效率取為75%。作為對比的常規(guī)系統為一次回風，先冷凍到機器露點減濕之后再熱到送風溫度(如圖1b)。兩種系統的送風溫差均固定為5℃；該系統有下面一些主要特點：       １、在同樣的新風比例和室內余濕量情況下，復合系統的需冷量大大低于常規(guī)系統(圖2)；這是由于系統的濕負荷由熱量承擔。而且對于兩種系統，在同樣的室內余濕量下、需冷量均隨新風比例的增大而增加，但復合空調系統的增加要平緩得多。常規(guī)冷凍減濕系統的需冷量由于新風濕負荷的增大而迅速增大。在復合系統中，新風比例增大、濕負荷增加、需熱量迅速提高(圖3)，而需冷量的增加較為平緩。圖2　復合除濕空調系統與冷凍減濕系統的需冷量對比Fig.2ComparisonofCoolingCapacityforHybridACSystemandTraditionalRefrigerationSystem       ２、此外，由于新風負擔所有的濕負荷，當新風比例較小時，要求轉輪的除濕能力較強。目前商業(yè)轉輪的單級除濕能力一般在6~12g/Kg，在室外空氣含濕量較大或室內濕負荷較大時，較小的新風量可能無法滿足全部濕負荷。這時可在轉輪的過程空氣側增設預冷器進行冷凍減濕、分擔部分濕負荷，或者增大新風量。從圖2中可以看出，復合系統在新風量50%的需冷量比常規(guī)系統在10%時還要低。３、除濕轉輪的焓增在一定程度降低了系統的效能。在經典的空氣調節(jié)理論[6]以及大部分的工程設計中，都認為過程空氣在轉輪內的過程是等焓的；實際上由于蓄熱效應，過程空氣側總有一定的焓增；圖4為對上述的轉輪計算得到的、當再生溫度由40℃增高到70℃(過程空氣側的除濕量由0.87提高到4.47g/Kg)時，過程空氣側的焓增情況。顯然再生側的溫度越高，過程側的焓增越大。對過程側進口焓值較低的情形，其出口的焓增可達10%。因此，制造商紛紛開發(fā)各種熱容較小的材料，以盡可能降低焓增，改善效率。圖3　復合除濕空調系統與冷凍減濕系統的需熱量對比Fig.3ComparisonofHeatingCapacityforHybridACSystemandTraditionalRefrigerationSystem圖4　過程空氣側除濕量與焓增的關系Fig4RelationshipbetweenHumidity-RatioDecreaseandEnthalpyIncreaseofProcessAir４、將濕負荷用熱量來承擔的方法，經濟性取決于熱量的來源。電加熱的方法由于簡單、可靠、容易控制而為很多的轉輪制造商所采用，但并不經濟，因為1KW由電轉化而來的熱量比1KW的冷量更昂貴。但當熱量是某種形式的余熱時，除濕就具備產生經濟競爭力了。表1是一種發(fā)動機直接驅動冷水機組的制冷量和可利用余熱量隨轉速的變化規(guī)律。表1　天然氣發(fā)動機驅動冷水機組的制冷量與可回收熱量[7]Table1CoolingCapacityandRecoverableWasteHeatfromEngine-DrivenChillers壓縮機轉速(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例如當室內余濕量為4Kg/hr、新風比例為25%時，由圖2、圖3可以發(fā)現：需冷量為46.6KW、需熱量26.4KW。與該機組在1200rpm的冷、熱量正好吻合。此時的天然氣耗量為4.68Nm3/h，以天然氣價格2.2元/Nm3計，運行能耗費用為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。設電動冷水機組的COP=5，電價為0.62元/KW.h。其運行費用為40元/hr。即使以露點送風、降低舒適性的話，運行費用也為14.2元/hr。當然，復合空調系統使用了除濕轉輪而較常規(guī)系統更為復雜，也帶來維護上的麻煩。并且當室內的熱、濕負荷變化時，需要更為及時、準確、有效的控制來保證冷、熱量的匹配。這類復合空調系統的推廣有賴于自動控制程度的提高和集成。四、結論本文介紹了一種將轉輪除濕與機械制冷相結合的復合空調系統。并對復合空調系統與常規(guī)冷凍減濕、再熱的處理過程進行了能耗對比。由于將空調系統的濕負荷由熱量處理、并使用顯熱熱交換器回收排風的冷量，在同樣的新風比例和室內余熱/余濕量情況下，復合系統的需冷量比常規(guī)冷凍減濕系統低很多。而且，復合空調系統的需冷量隨新風比例的增大不如冷凍減濕系統敏感。過程空氣在除濕轉輪內的焓增會影響復合空調系統的效能。當再生熱量來自于發(fā)動機的余熱時(既所謂“發(fā)動機驅動的復合空調系統”)，熱力學上的合理性會直接轉化為經濟性。復合空調系統的能耗較常規(guī)系統大為減少。當然，這一系統的推廣還面臨控制系統的完善等技術細節(jié)問題。今天的除濕技術與1930年代的機械制冷有很多的相似點。一方面，除濕系統不會減少機械制冷的使用，就象機械制冷并未減少風機和風扇的使用；另一方面，就象機械制冷增加了風扇供冷系統的費用一樣，除濕系統也會增加機械制冷的成本；但是，除濕系統所帶來的利益也超過了機械制冷。除濕技術可望在未來有更大的發(fā)展和更廣泛的應用。隨著“京都協議”的實施，替代工質的應用會導致制冷量的下降，而除濕技術會彌補這一下降。另外，隨著建筑節(jié)能技術的普及、熱負荷與濕負荷的比例會發(fā)生變化，濕負荷會相對增大，將熱、濕負荷分開處理的方法會更有經濟競爭力。