暖通空调HV &AC 2003年第33卷第6期 ・26・问题讨论
溶液除湿空调及热湿独立处理空调系统
清华大学 李 震☆ 江 亿 陈晓阳 刘晓华
摘要 综合比较各种除湿方式, 得出溶液除湿是实现湿度独立处理的较为可行的方式。
对溶液除湿空调的溶液除湿过程和再生过程进行了分析, 其效率, 并通过模拟计算, 1。。
关键词 溶液 d c a nt a ir c o n diti o ni n g a n d i n d e p e n d e nt
h u mi dit y c o ntr ol a ir c o n diti o ni n g s yst e m s
By Li Z hen , Jiang Y i , Chen X iaoyang and Liu X iaohua
Abs t r a c t Comp r e he ns i ve l y a na l ys i ng va ri ous d e humi dif yi ng me t ho ds , c ons i d e r s li qui d d e s i c c a n t d e humi dif i c a t i on f e a s i bl e t o r e a li z e i nd e p e nd e n t humi di t y c on t r ol. Ana l ys i ng li qui d d e humi dif yi ng a nd r e g e ne r a t i ng p r o c e s s e s f o r li qui d d e s i c c a n t a i r c ondi t i oni ng s ys t e m , p ut s f o rw a r d imp r ovi ng t he e ne r g y e f f i c i e nc y by s t e p p i ng a nd he a t r e c ove r y , a nd c onc l ud e s t ha t t he e ne r g y e f f i c i e nc y r a t i o i s
1～3und e r
s umme r w o r ki ng
c ondi t i ons
b a s e d
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c a l c ul a t i on. P r e s e n t s t he c ons t i t ue n t s of i nd e p e nd e n t humi di t y c on t r ol a i r c ondi t i oni ng s ys t e m wi t h li qui d d e s i c c a n t a nd i t s a dva n t a g e s , i nc l udi ng hi gh e ne r g y e f f i c i e nc y a nd b e i ng d ri ve n b y l ow -g r a d e he a t
s our c e
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Comp a r e s
t he s ys t e m wi t h c onve n t i ona l va p o r c omp r e s s i on
r e f ri g e r a t i on s ys t e ms i n r unni ng c os t s.
Ke yw o r ds li qui d , i nd e p e nd e n t humi di t y c on t r ol , a i r c ondi t i oni ng , s t e p p i ng , r e g e ne r a t i on , e ne r g y e f f i c i e nc y r a t i o ★Tsinghua University , Beijing , China
①
0 引言
★
也降到了同样低的温度, 某些情况下还需要再热来满足送风温度的要求, 造成能量的浪费。因此, 需要一种能够独立除湿的手段, 把除湿和降温过程分开, 从而使用温度较高的冷源就能把空气处理到送风状态, 提高了制冷机的效率, 也可提高室内的舒适性。
本文对目前各种除湿方法进行分析比较, 进而得出溶液除湿以实现除湿空调的方式, 并对这种空调方式进行模
空调的湿负荷主要来自室内人员的产湿以及新风含湿量, 这部分湿负荷在总的空调负荷中占20%～40%, 是整个空调负荷的重要组成部分。目前, 常用空调形式的空气处理方式为采用表冷器降温除湿, 为了满足除湿要求, 经常要把空气温度降到很低。如满足室内舒适性需求的空气温度为24℃, 露点温度为14℃, 为了实现除湿的目的, 冷水的温度要低到7℃, 而制冷机的蒸发温度低到2～5℃。不难看出, 需要在温度为24℃的热源下取热以满足降温要求, 而需要在14℃下取热以满足除湿要求。冷源的低温要求首先是为了满足除湿要求而设定的, 若只是为了降温, 蒸发温度可以高很多。为了除湿, 在冷凝过程中把干空气
①☆李震, 男,1975年7月生, 在读博士研究生
100084清华大学建筑学院建筑技术科学系(010) 62794194
收稿日期:20021206修回日期:20030926
暖通空调HV &AC 2003年第33卷第6期 问题讨论・27・
拟。在此基础上, 从能耗的角度对热湿独立处理的空调系
1. 1 几种现有的除湿方法
统与传统冷凝除湿空调方式进行了比较。除湿有很多方法[1], 归纳起来列于表1。
1 现有的除湿方法及吸湿材料除湿过程的基本原理 对表1各种除湿方式进行比较可以看出, 利用吸湿材
表1 几种现有的除湿方法及其特点
除 湿 原 理
降低空气饱和含湿量使水分析出以外部吸湿源降低空气含湿量
除 湿 方 式
冷凝除湿
将空气加压冷凝
另一侧抽真空(依靠膜两侧 膜法除湿
的水蒸气分压差)
另一侧加热再生(依靠膜两侧的水蒸气化学势差)
吸湿材料除湿固体吸湿剂
特 点
效率低(如引言所述)
干空气也同时被压缩, 功耗大功耗很大, 对膜的强度也有很高的要求
膜本身很薄, 膜两侧的温差较小, 而温差又是产生化学势差的原因, 所以, 导致膜两侧的传湿动力很小, 不可行
采用多孔材料(硅胶, 活性炭, 沸石(分子筛) , 氧化铝凝胶) 或有机物及盐类(高分子材料, 氯化锂晶体等) ; 吸湿能力强, 可以将空气处理到湿度很低的状态
, 氯化锂, , [2]; 吸湿能力溶液吸湿剂
可行的方式。1. 2 [3～4]20世纪50年代, , 系统。篇幅所限, 。吸湿剂完成整个除湿—再生循环的状态变化过程如图1所示。
采用固体吸湿材料除湿的系统, 有固定床式和转轮式两种。固定床式固体吸附除湿装置是通过改变空气侧图1 吸湿剂状态的变化流向实现间歇
式的吸湿再生; 转轮式除湿可实现连续的除湿和再生, 得到了更广泛的应用。这两种除湿方式有着致命的弱点, 即运行过程都是动态的, 其间混合损失大, 影响效率; 另外, 采用固体吸湿材料除湿很难实现等温除湿过程, 而除湿过程释放出的潜热使除湿剂的温度升高, 吸湿能力大打折扣, 整个过程传热传质的不可逆损失大, 效率不高。
相对于固体吸湿材料, 由于液体具有流动性, 采用溶液吸湿剂的传热传质设备比较容易实现; 另外, 溶液除湿过程容易被冷却, 从而实现等温的除湿过程, 不可逆损失可以减小。所以采用溶液吸收除湿的方法有可能达到较好的热力学效果。
将不同浓度的溶液采用与其平衡的湿空气状态来表示并绘于湿空气的温湿图上。图2是溶液吸湿过程中溶液状态变化过程,1→2是除湿过程, 溶液浓度降低, 同时若采用逆流、冷却等手段, 该过程可以近似等温甚至降温进行;2→3→4是溶液被加热、再生的过程, 该过程需要提供热量, 使溶液中的水分蒸发, 溶液变浓;4→1溶液被冷却, 再进入除湿器除湿。图3表示的是溶液除湿过程中空气的状态变化过程, 双线表示除湿过程, 单线表示再生过程。
湿
溶液除湿系统发展已经有40多年的历史, 应用过程中出现了诸多问题:开始
图2 吸湿溶液的循环过程
使用的溴化锂、氯化锂溶液对管道、设备有强腐蚀性; 而一些有机溶液如三甘醇, 有挥发性, 有机物弥漫在空气中, 会危图3 除湿及再生空气的循环过程害人体健康;
由于稀释和再生过程都为变温过程, 不可逆损失大, 导致该类系统的效率很低, 产出冷量与消耗的再生热量的比(能效比) 一般为0. 3～0. 6。上述问题现在已经基本得到了解决:使用塑料材料可以防止盐溶液的腐蚀, 而且成本较低; 盐溶液不会挥发到空气中污染室内空气; 通过调整工艺流程, 可以得到接近等温的除湿与再生过程, 并且可以通过热回收的手段, 实现较高的能效比。
2. 1 溶液除湿过程分析
要提高溶液除湿系统的能效比, 首先要分析原有的溶液除湿系统能效比低的原因。传统的溶液除湿空调系统除湿器中溶液的流量很大, 浓溶液和稀溶液的浓度差为2%左右。这样尽管在除湿过程中采取一些冷却措施来减弱由于溶液温升导致其吸湿能力下降的趋势, 但是传质过程中水蒸气分压差造成的不可逆损失仍然很大, 如图4所示。上述过程导致的直接后果是再生温度高, 从而再生器的效率低。解决上述问题的方法是采用分级除湿[5], 即在除湿的过程中盐溶液的浓度随着湿空气湿度的变化而变
暖通空调HV &AC 2003年第33卷第6期 ・28・问题讨论
化, 同时每一级都采取相应的冷却
措施。这样, 如图5所示, 传热温差、传质的浓度差会大大减小, 从而减小了除湿过程的不可逆损失,
充分利用了溶液的吸湿能力, 即在吸收同样多水分的情况下, 分级的方法可使得溶液的浓度差达到10%左右。这样送溶液, 图4 传统除湿器内传质不可逆损失
图7 再生器流程示意图
对于除湿器, 由于冷却水的引入, 使得整个过程近似等
温进行。, 产生冷水来冷却除:
(2) c -s h h s ,kJ/kg 。
, 分析中设定热水进水温度为90℃, 热; 再生空气采用室外空气, 再生空气的进口与出口采用回热的手段。再生空气与热溶液(被热水加热) 接触, 使溶液中的水分蒸发, 溶液被浓缩。
每除去1g 水, 再生器需要的加热量为:
q =
h -h d out -d in
(3)
图5 采用分级除湿的方法减小不可逆损失
被再生,
, 除湿器中溶液的流, 而小流量会减小气液接触面积。因此, 为了强化换热, 要保证除湿器每一级内的溶液流量很大; 而为了充分利用溶液的吸湿能力, 提高溶液进出口浓度差, 级与级之间的流量要很小。这样既保证了换热有充分的接触面积, 又使得溶液进出口可以实现高的浓度差。除湿器的流程简图如图6所示。其中, 除湿过程不断被冷却, 冷却水一部分来自室外的冷却塔, 一部分来自室内
式中h out 为再生器排风的焓值, kJ/kg ; d in 为新风的含湿量,g/kg ; d out 为再生器排风的含湿量,g/kg 。
再根据式(1) , 得到:
EER =
(d out
-d in ) q
(4)
式(1) ～(4) 为计算设备效率的基本公式, 编制对设备的模拟分析程序(具体模型由于篇幅所限从略) , 在给定室内外参数的情况下, 可以得到设备在不同工况下的效率(计算结果见表2) 。
表2 溶液除湿空调系统在不同工况下的运行效率
室外温度/℃
图6 除湿器流程示意图
37. 7
26. 538. 822. 226. 430. 331. 839. 030. 526. 632. 534. 930. 535. 130. 226. 221. 6室外空气含湿量
/(g/kg ) 14. 912. 118. 012. 314. 320. 230. 212. 116. 117. 425. 016. 324. 720. 712. 021. 614. 3送风温度送风含湿除湿空调再生效率/℃量/(g/kg ) 系统EER
21. 119. 821. 719. 520. 221. 523. 220. 720. 920. 822. 421. 222. 321. 920. 121. 519. 99. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 839. 832. 051. 861. 641. 211. 351. 191. 033. 701. 431. 151. 131. 641. 091. 332. 411. 030. 990. 860. 830. 870. 820. 850. 870. 860. 840. 860. 870. 870. 870. 870. 870. 830. 870. 85回风的间接蒸发冷却。对室内的回风采用间接蒸发冷却的方式进行热回收, 间接蒸发冷却产生的冷水先用来冷却除湿后的新风, 而后用来冷却除湿过程的溶液。对室内回风的焓的回收也使得整个系统运行的能效比大大提高。
2. 2 溶液再生过程分析
对于再生器也采用分级的方法, 用高温热源再生比较浓的溶液, 用低温热源再生比较稀的溶液, 这样使得热源的利用效率提高。图7是一种分级再生器的流程示意图。
定义以下几个参数:
EER =
Q h
(1)
式中EER 为溶液除湿空调的能效比; Q c 为得到的冷量,
kW ; Q h 为再生器的加热量,kW 。
暖通空调HV &AC 2003年第33卷第6期 问题讨论・29・
表2中的数据, 是在设定再生器热水进口温度为90℃的情况下得到的。可以看出, 在不同的室外状况下, 该除湿
空调系统的效率(EER ) 可达1～3。而采用同样温度热源驱动吸收式制冷机的热利用效率只有0. 4～0. 6, 可见, 采用该技术能够比采用同样热源驱动的吸收式制冷机有更高的效率。3 热湿独立处理的空调系统3. 1 热湿独立处理空调系统的构成
前文介绍了一种有效的湿度独立处理方案, 在此基础上, 就可以构建热湿独立处理空调系统, 系统图如图8
所示。
立处理空调系统的适用情况。
通过对热湿独立处理空调系统进行模拟计算, 得到了系统的季节运行参数。模拟分析针对如下的情况:热湿独立处理空调系统是液体除湿加电压缩制冷提供18℃冷水, 常规空调形式是电压缩制冷提供7℃冷水。针对某一建筑, 分别应用两种空调形式, 通过分析计算得到两种形式空调的运行能耗。设定两种空调形式运行时间相同, 室内温湿度要求为温度26℃, 相对湿度60%。由于溶液除湿系统采用热水驱动, 为了有经济可比性, 引入电价与热价之比, 最终得到两种方式的年运行费用状况, 如图9所示
。
图9 热湿独立处理空调系统与常规冷凝除湿
空调系统运行费比较
图8 热湿独立处理的空调系统示意图
图中的制冷机提供较高温度的冷水, 使得制冷效率大大提高; 另外, 该温度下的冷水也可由地下水等免费的冷源提供。冷水送到室内空调末端, 负责处理室内的显热负荷。由于室内的湿负荷主要为人员产湿量, 而新风量也主要依据人员的要求而定, 所以, 采用新风承担室内的湿负荷是可行的, 即将新风除湿机组处理后的干燥的新风送入室内, 满足新风量和除湿的要求。
溶液除湿系统的空气处理部分和再生部分是分开的, 并且多个空气处理部分共用一个再生器, 构成如图中所示的集中再生的溶液除湿新风处理系统。浓溶液通过各个支路通往空气处理模块, 吸湿后的稀溶液通过管路流回再生器再生, 如此循环。溶液的回路带有储液罐, 起到了蓄能调峰的作用。新风处理机中有两股空气流过, 即被处理的新风和起冷却作用的回风, 新风被除湿并依次被冷却水和回风冷却, 送入室内。
3. 2 热湿独立处理空调系统的运行能耗
热湿独立处理空调系统的核心思想是把建筑的显热负荷和潜热负荷区别对待, 用不同的方法分别处理, 避免了常规空调形式统一处理负荷带来的再热损失等问题, 因而从根本上找到处理这两种不同性质负荷的理想方法。作为一种新的空调系统形式, 与常规空调形式相比, 其运行经济性以及使用条件和场合是迫切需要解决的问题。以下从运行经济性出发对两种空调系统形式进行了比较, 得出热湿独
图9中纵坐标为热湿独立处理空调系统与常规冷凝除
湿空调系统的年运行费用之比, 当此数值小于1时, 表明热湿独立处理的空调系统有更好的经济性; 横坐标为电价与热价之比(电价、热价的单位均为元/kJ ) 。电的价格相对热的价格越高, 采用常规冷凝除湿空调系统的运行费用就越高, 本文提出的热湿独立处理空调系统的优势就越明显。由图9可以看出, 当电热价格比为3时, 运行费比值已经为0. 8, 若电价为0. 6元/(kWh ) (目前的情况) , 计算可得热价为55. 6元/G J , 即在目前电价的情况下, 夏季采用热水驱动的空调, 热价在55. 6元/G J 的情况下, 仍然可以节省20%的运行费。4 热湿独立处理空调系统应用前景
随着我国城市能源结构的调整, 天然气将成为重要的城市能源, 燃气—蒸汽联合循环是天然气利用的理想方[6]
式。在该方式中, 一年四季都需要有热负荷。在冬季, 燃气—蒸汽联合循环所提供的热能可用来供暖; 在夏季, 该热源用于空调中有以下几种方式:采用集中的制冷机, 送冷水到用户, 由于冷水的温差小, 冷水流量就会很大, 造成管路初投资、冷水的输运损失都很大; 还有一种方法是送热水来驱动末端用户的吸收机, 这种方法的问题在于所提供的热水温度不是很高, 导致吸收机的能效比下降, 一般只有0. 4～0. 6, 这种方法基本上也不可行。根据本文前面的介绍, 采用基于热湿独立处理的溶液除湿空调系统来解决空调除湿问题无疑是理想的选择。
从初投资角度看, 溶液除湿空调系统主要的换热部件采用塑料材料, 防腐蚀而且价格低廉, 溶液的管道尺寸小且无需外保温, 这些都使得设备的成本很低。相比之下, 溶液的投资占了整个系统投资的主要部分, 综合下来, 若形成一
(下转第33页)
暖通空调HV &AC 2003年第33卷第6期 问题讨论・33・
表5 办公楼类建筑在冬季空调设计温度下辅助热源和空气源热泵机组的容量配比情况
北京
设计温度/℃
最佳经济平衡点温度/℃热泵提供热量所占比例/%辅助加热量所占比例/%
12452. 547. 5
济南
10045. 254. 8
郑州
7162. 337. 7
南京
6252. 847. 2
武汉
5352. 547. 5
上海
445248
长沙
3646. 953. 1
南昌
3742. 657. 4
成都
147525
重庆
2763. 736. 3
广州
660100
表6 办公楼类建筑在夏季空调设计温度下辅助冷源和空气源热泵机组的容量配比情况
北京
设计温度/℃
最佳经济平衡点温度/℃热泵提供冷量所占比例/%辅助供冷量所占比例/%
33. 2441. 958. 1
济南
34. 8055. 844. 2
郑州
35. 6164. 735. 3
南京
3524555
武汉
35. 2347. 652. 4
1997
上海
36. 4441. 958. 1
长沙
35. 8640. 259. 8
南昌
35. 673565
成都
31. 6460. 91
重庆
36. 5741. 258. 8
广州
32. 860100
负荷, 基本不用另加辅助热源, 但这样初投资较高, 设备利用率偏低, 可能不经济。3 结语
在的问题, , 、, , 但这种配比情况不是绝对的, 可因各种设备和能源的价格波动而有所变化。另一方面, 在实际设计中, 以什么方法更经济合理地实现空调和供暖, 应考虑设备的使用寿命、初投资、运行费用、对环境的保护等, 并结合实际情况做出决定, 不可盲目照搬。参考文献
1 蒋能照, 主编. 空调用热泵技术及应用. 北京:机械工业出版社,
2. 华中暖通空
(1) 19
3 ———选用风冷热泵机组的新方法. 见:全国
1998年学术年会文集. 1998. 293297
4 姜益强. 空气源热泵冷热水机组供热最佳平衡点的研究:[硕士
学位论文].哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1999
5 姜益强, 姚杨, 马最良. 空气源热泵供热最佳经济平衡点的探
讨. 暖通空调,2001,31(3) :3941
87
10
6 姜益强, 姚杨, 马最良. 空气源热泵冷热水机组供热最佳能量平
衡点的研究. 哈尔滨建筑大学学报,2001,34(3) :83
7 吴有筹. 风冷热泵应用问题简析. 暖通空调,1995,25(5) :8
8 刘向东. 四类民用建筑设计冷负荷概算的研究:[硕士学位论
文].哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1996
(上接第29页)
定的生产规模, 整个热湿独立处理空调系统的投资会低于传统的空调方式。
总的看来, 基于溶液除湿的热湿独立处理空调系统与传统冷凝除湿空调系统相比有以下优点:
a ) 热负荷、湿负荷分开处理, 避免了过度冷却和再热
f ) 整个设备各个部件构造简单, 节省初投资。
5 结语
本文探讨了热湿独立处理空调方式的重要意义, 其中独立的湿度控制手段是实现热湿独立处理的关键。综合各种除湿方式, 溶液除湿空调是可以实现湿度独立控制的理想的空调方式, 该方式避免了冷凝除湿的能源浪费, 并且可
) 来驱动, 且具有较高的以利用低品位的热源(温度为90℃
的损失, 有较高的能源利用效率并提高了室内的舒适程度。
b ) 通过溶液的喷洒可以除去空气中的尘埃、细菌、霉
效率。而目前其他已有的技术对于应用这样低温的热源制冷没有什么令人满意的办法。在进行了全年运行费用的计算之后, 可以得出, 热湿独立处理空调系统较现有的常规空调形式, 有很好的经济性。该方式对整个夏季的城市能源系统的优化有重大意义。参考文献
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liquid desiccants. Solar Energy , 1998, 62:11183 ASHRAE. Desiccant cooling and dehumidification. 1992. 33394 ASHRAE. ASHRAE Handbook 2Systems and Equipment. 20005 袁一军. G enius 湿能空调器. 暖通空调, 2000,30(3) ,46476 Fu Lin , Jiang Y i , Yuan Weixing , et al. Influence of return water
temperatures on the energy consumption of a district cooling system. Applied Thermal Engineering , 2001, 21(1) :511521
菌及其他有害物; 同时由于避免了使用有凝结水的盘管, 也消除了室内的一大污染源; 可采用全新风运行; 提高了室内空气品质。
c ) 可使用低温热源驱动, 为低品位热源的利用提供了
有效的途径。
d ) 在冬季, 新风系统可以方便地实现全热回收, 节省
了投资, 减少了供暖负荷。
e ) 可以方便地实现蓄能, 系统中设储浓溶液的容器,
负荷小的时候储存浓溶液, 负荷大的时候用来除湿, 从而减小了系统的容量和相应的投资; 单位质量蓄冷能力为冰的蓄冷能力的60%, 而且无需保温等措施。