一种新型节能空气处理方式

一种新型节能空气处理方式

宣文1孙建明2闻才3周晓林4

宣文1孙建明2闻才3周晓林4

1.中国人民解放军92664部队，山东，青岛266031;

2.中国人民解放军92664部队，山东，青岛266031

3.东南大学，能源与环境学院，江苏，南京210096;

4.东南大学，能源与环境学院，江苏，南京210096

［摘要］本文提出一种基于溶液除湿和高温冷水机组的新型空气热湿处理方式。系统冷源由一个高温冷水机组（18－21度）提供，产生冷水分两部分使用，其一用来作为除湿器的内冷源，其二结合成熟的风机盘管技术去除室内显热。，从而使热湿处理解耦，实现独立控制，提供更高的舒适性。通过设定一个具体工况，将该新型处理方式与传统的冷冻除湿空气调节方式在能源消耗和经济性方面进行了比较，模拟计算结果显示，该方式在运行费用方面较传统方式有一定的优势，并且特别适用于高湿环境。

［关键词］溶液除湿内冷高温冷源COP热电价格比

1引言

液体除湿空调系统具有节能、清洁、易操作、处理空气量大和除湿溶液的再生温度低等优点。本论文的计算数据基于LiCl溶液。进入除湿器的被处理空气的水蒸气压P1大于除湿溶液表面的蒸气压P2，压差(P1-P2)就是水分由空气向除湿溶液传递的传递势。随着传质过程的进行,被处理空气的湿度下降,P1降低,而除湿溶液被稀释,这就是实际除湿器中所经历的过程。

2系统介绍及工作流程

本系统由三个部分组成：溶液系统，冷水系统，风系统。其中溶液系统是本系统的核心部分，它的性能直接决定了整个系统的性能。

关于除湿器的研究早期主要集中在填料喷淋塔式除湿器上,因为它具有结构简单和比表面积大等优点;但由于除湿溶液的绝热吸湿升温,使其除湿效率不能令人满意。20世纪,90年代以来,内冷型除湿器受到了人们的普遍关注。内冷型除湿器采用冷水盘管或冷却空气(都不与除湿溶液直接接触)将除湿过程释放出的潜热带出。由于抑制了除湿溶液的温升,使溶液始终能保持较低的水蒸气压,有利于吸收空气中的水蒸气。

水冷型波纹板降膜式除湿器外部示意图本论文基于内冷型除湿器进行模拟计算，故采用水冷型的波纹板降膜式结构，，冷却水为18－21度的高温冷水，由于本文采用了较一般除湿器温度更低的冷源（一般冷源由冷却塔提供），因此在提供相同除湿效果的前提下，本文中的除湿溶液浓度可以更低，初步选定为28％。

3空气处理过程各参数及示意图

本文选取南京室外计算干球温度为35℃，湿球温度为28.3℃，计算得dw=21.53g/kg,hw=90.57kJ/kg。室内设计参数为干球温度25度，相对湿度为60％，计算的dn=11.89g/kg，hn=55.53kJ/kg。设计对象为一栋使用面积为10000，层高为3m的办公楼，按照相关设计标准选定单位面积负荷为150w/,潜热负荷比为40％。换气次数为3次/h,可得新风量为30kg/s。

在传统的空调系统中，空气处理过程中，室内回风与新风混合至状态点C后经表冷器冷却除湿至状态点L，L点相对湿度为95％,温度为15℃，含湿量为10.1g/kg,比焓为40.69kJ/kg.（参考一般表冷器的设计参数）。考虑室内负荷的具体状况加入一定的再热量，然后沿热湿比线ε送入室内。

冷冻除湿空气调节流程图图3为液除湿一次回风系统，室内回风与新风混合至状态点C后，经溶液装置除湿至状态点H，当除湿器的除湿效率确定了，则H点状态由内部冷却水的温度和除湿溶液的浓度决定。状态为H的空气被送入室内去除所有的湿负荷，而室内的显热负荷由风机盘管负担，即n点状态被处理到M点再被送回室内去除显热负荷。

首先根据室内负荷状况，进一步确定两种空气处理方式的各个状态点。

（1）传统冷冻除湿方式：

根据前面所给数据，计算的室内总负荷为1500kw，潜热负荷为600kw，水的潜热在25℃时大致为2440kJ/kg。计算可得潜热负荷为0.246kg/s。热湿比ε＝1500/0.246=6098kJ/kg,根据前面给出的表冷器出口空气参数（相对湿度为95％,温度为15℃，含湿量为10.1g/kg,比焓为40.69kJ/kg）计算可得，此状态空气需再热才能满足热湿比的条件，计算可得需再热至19度(此时比焓为44.80kJ/kg)，能满足热湿比，求出送风量为139.8kg/s，新风量为30kg/s,则回风量为109.8kg/s。

（2）本文独立热湿处理方式

这种方式如前所述，新风加一定量回风被溶液除湿后送入房间去除湿负荷，而室内风机盘管通以高温冷水去除显热负荷。

本文选取质量浓度为28％的LiCl溶液，由于除湿器内部通以18—21度冷水，假定溶液温度能维持在23度左右，出口空气能被降温至25度（参考相关换热器资料），冷水与溶液，溶液与空气之间均有2度的温差以保证除湿过程潜热的传递。又由于在实际除湿过程中除湿溶液的浓度变化很小，一般不超过1％，为了本论文的计算，参考了ManuelR.Conde的文章《Propertiesofaqueoussolutionsoflithiumandcalciumchlorides:formulationsforuseinairconditioningequipmentdesign》［2］，设计了一个计算水及LiCl溶液性质的程序。

程序计算结果显示，23℃浓度为28％的LiCl溶液表面等效含湿量为8.31g/kg，当浓度为27％时，含湿量变化不大，为8.81g/kg。假定本除湿器的除湿效率较好，能将空气处理接近溶液的状态，设定出口空气含湿量可被处理至9g/kg。由湿负荷及室内空气含湿量计算可得送风量为85.12kg/s。比较可知，其送风量较第一种方式要小40％。计算可得回风量为55.12kg/s，则除湿器除湿量为30×（21.53－9）＋55.12×（11.89－9）＝0.535kg/s。

为了得到较好的除湿效果设定溶液流量为20kg/s［3］，计算可得除湿溶液的浓度变化范围为28％到27.3％。

有了上面的这些数据，可以计算出两种方式的耗能。一般来说，空调系统的能耗包括了两大部分：输配能耗和冷热源的能耗。由于溶液除湿空调输配的能耗和传统空调差不多［4］，故本文只计算了溶液除湿空调冷热源运行的费用来与传统空调进行比较。本文提出的空调处理过程能耗包括高温制冷机的耗电量和再生过程所需热能。另外由相关文献可知，提供7-12℃冷水的空调系统的COP=4.42；提供18-21℃冷水的空调系统的COP=7.34,溶液再生效率为0.82［5］，其中为除湿前后溶液含水量之差，r为水的汽化潜热，电热价比为4。假定除湿过程温度为50℃，其对应的汽化潜热为2382kJ/kg。假定溶液热交换器效率为80％，即从再生器出来的浓溶液在热交换后为30℃，进入除湿器之前需要冷却至23℃。而溶液的比热容大致为3kJ/kg.k，故需要冷却冷量为3×7×20＝420kw。

（1）传统冷冻除湿方式耗能

包括两大部分：冷水机组耗能和再生加热量耗能，且都是高品位的电能。冷水机组承担冷负荷为109.8×(55.53－40.69)＋30×（90.57－40.69）＝3125.8kw，根据其COP＝4.42，计算得耗电量为707.2kw，再热耗电量为139.8×（44.8－40.69）＝574.6kw总耗电量为1281.8kw

（2）本文提出的热湿独立处理方式

也包括两大部分：冷水机组耗能和溶液再生耗能，前者为高品位电能，后者为较廉的热能。

冷水机组所需提供的冷量又分三大部分：除湿器内冷源，室内风机盘管供冷量，浓溶液降温。第一部分冷量为55.12×（55.53－48.17）＋30×（90.57－48.17）＝1677.7kw；

第二部分冷量为室内显热负荷，即为900kw；第三部分前面已经计算得到为420kw。三者相加得总冷负荷为2997.7kw。根据高温冷水机组COP为7.34，可知耗电量408.4kw。

再生器耗能根据式＝0.82计算得到，＝0.535kg/s，r=2380kJ/kg(50℃时)，计算可得再生耗热量Q＝1552kw，按经济成本折合为电就是1552/4=388kw。则总的当量耗电量为796.4kw。

若不考虑输配系统的能量消耗差异，在本文所述的室外计算条件和室内负荷条件下，本文所提出的热湿独立处理方式在运行费用方面（根据热电价格比为4折合成耗电量）有明显的优势，总节约成本为（1281.8－796.4）/1281.8=38%。

5存在问题及展望

分析可以发现本系统虽然相对于传统系统有诸多优点，但由于很多设计参数均来自于相关文献，缺少实证性，要付诸实用，很多地方仍需要仔细考虑：

（1）本文设定的计算条件为潜热负荷占40％，运行费用可节约40％。但应注意到很多场合的潜热负荷没有这么大的潜热负荷比例，也就是说热湿比要比本文提到的6098要大，在这种情况下溶液除湿的优点就被弱化了，在运行费用方面相比传统方式而言几乎就没有什么优势了，所以在湿负荷比例小的场合这种系统是不适用的。

（2）溶液换热器效率有待提高，现今换热器大致能达到80％左右的效率，若能再提高几个百分点，一方面减轻了冷却进入除湿器溶液的冷水负荷，另一方面再生效率也能进一步提高。

（3）本文设定电热价格比为4，这是文献中的数据，但它是随着很多因素变化的，特别是在现今电力过剩的形式下，这种系统的竞争力受到一定程度的削弱。

不可否认这种系统虽然存在上述这些问题，但其还是有很大的发展空间的：

（1）送风温差小，只有三四度的送风温差，舒适性较高

（2）溶液除湿可净化空气消灭多种病菌和病毒，另外杜绝冷冷凝水的产生，卫生条件较好

（3）由于使用高温冷冻水，可以提高制冷机组COP。

（4）特别使用于高湿环境，在这种使用环境下其相对于传统冷冻除湿空调有非常明显的优势，因此在工程实践推广方面可优先考虑这种高湿环境的工程。

参考文献：

［1］张小松,殷勇高,曹毅然.蓄能型液体除湿蒸发冷却系统中除湿性能的实验研究［J］.热科学与技术2004,3:60-64.

［2］ManuelR.Conde.Propertiesofaqueoussolutionsoflithiumandcalciumchlorides:formulationsforuseinairconditioningequipmentdesign［J］.InternationalJournalofthermalscience,2004,43:367-382.

［3］赵云,施明恒.太阳能液体除湿空调系统中除湿器型式的选择［J］太阳能学报,2002,23:32-35.

［4］刘晓华.温湿度独立控制空调系统［M］.北京：建筑工业出版社,2006.

［5］陈晓阳，江亿，李震.湿度独立控制空调系统的工程实践［J］.暖通空调，2004,34（11）：103－109.