基于TRNSYS的熱濕分段空調(diào)系統(tǒng)仿真

呂艷 梁彩華 張小松

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

隨著人民生活水平的提高，建筑能耗特別是暖通空調(diào)的能耗在持續(xù)增長(zhǎng)[1]，因此空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究的意義十分重大。從目前有關(guān)文獻(xiàn)來看，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)空調(diào)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了較多的研究。張濤等[2]提出一種濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)，通過采取溶液除濕或轉(zhuǎn)輪除濕等方法來承擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)濕負(fù)荷，利用冷水機(jī)組制取高溫冷凍水承擔(dān)空調(diào)的顯熱負(fù)荷并取得了很好的節(jié)能效果。蔣華等[3]提出一種組合式空氣處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠按照不同運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的降溫、除濕、加熱和加濕處理，可以擴(kuò)大系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度范圍和空氣的熱濕處理范圍。陸詩奎等[4]提出輻射供冷聯(lián)合的濕獨(dú)立處理的新型空調(diào)系統(tǒng)，通過輻射供冷消除室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，溶液除濕的全新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)的潛熱負(fù)荷，輻射供冷所需要的冷水由基于溶液除濕的開式吸收式冷水機(jī)組提供。由此，本文基于熱濕分段處理的空調(diào)負(fù)荷處理方法，利用TRNSYS軟件建立熱濕分段空調(diào)系統(tǒng)仿真模型，對(duì)熱濕分段空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性能進(jìn)行研究。

1 熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)僅設(shè)置一個(gè)表冷器，既承擔(dān)濕負(fù)荷也承擔(dān)熱負(fù)荷，空氣經(jīng)過空調(diào)箱中的表冷器同時(shí)進(jìn)行降溫和除濕，以達(dá)到所需送風(fēng)狀態(tài)。本文的熱濕分段處理空氣處理方法是指將常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中的一個(gè)表冷器變?yōu)閮蓚€(gè)表冷器，一個(gè)表冷器首先對(duì)空氣進(jìn)行顯熱負(fù)荷處理，另一個(gè)表冷器進(jìn)行濕負(fù)荷處理[5～6]。

如圖1所示，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)將室內(nèi)回風(fēng)與新風(fēng)混合后（M點(diǎn)）利用低溫冷凍水直接處理到室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)（S點(diǎn)），但是這使得冷凍水與空氣的換熱溫差過大，不可逆損失增大。而熱濕分段處理空氣方法是首先將空氣與一個(gè)表冷器進(jìn)行顯熱交換，干工況運(yùn)行，即過程M-D’，D’點(diǎn)的位置與高溫表冷器的處理能力有關(guān)，然后再利用另外一個(gè)表冷器來承擔(dān)剩下的顯熱負(fù)荷及潛熱負(fù)荷，濕工況運(yùn)行，即過程D’-D-S。這樣可以減少用低溫冷凍水承擔(dān)顯熱負(fù)荷而造成的不可逆熱損失，同時(shí)制取高溫冷凍水可以提高冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度，從而有利于提高機(jī)組運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的。對(duì)于該系統(tǒng)的節(jié)能效果將用節(jié)能率來進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中節(jié)能率為：

式中：S為節(jié)能率；s為冷凍水溫度上升1℃機(jī)組COP上升的百分?jǐn)?shù)；t1為高溫冷凍水供水溫度，℃；t2為低溫冷凍水供水溫度，℃；q1為高溫表冷器的換熱量，kW；q2為低溫表冷器的換熱量，kW。

圖1 熱濕分段處理過程

高溫表冷器進(jìn)水溫度和排數(shù)設(shè)置涉及到表冷器換熱面積、高低溫表冷器換熱量大小分配及節(jié)能率，故研究熱濕分段空調(diào)系統(tǒng)高溫表冷器進(jìn)水溫度對(duì)節(jié)能效果的影響以及如何設(shè)置高、低溫表冷器排數(shù)以獲取較高節(jié)能效果具有重要意義，因此這是本文研究的重點(diǎn)。

2 熱濕分段空調(diào)系統(tǒng)仿真模型的建立

綜合考慮到本文的研究?jī)?nèi)容，為了便于熱濕分段處理的空調(diào)系統(tǒng)的模型建立，下面對(duì)其做以下幾點(diǎn)簡(jiǎn)化：①進(jìn)入空氣處理箱的空氣密度均勻，并且流速均勻通過；②空氣處理箱嚴(yán)格密閉，除了水分析出沒有空氣質(zhì)量流失；③空氣與冷凍水換熱充分、均勻；④冷水機(jī)組在制取冷凍水時(shí)，蒸發(fā)溫度每升高1℃，機(jī)組COP平均提高3%[6]。

本文TRNSYS模擬的熱濕分段處理的空調(diào)系統(tǒng)選用了兩個(gè)Type52b的表冷器分別作為高溫表冷器和低溫表冷器；選用一個(gè)Type65c的繪圖儀對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行輸出；并使用若干數(shù)據(jù)處理部件對(duì)表冷器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。TRNSYS模型中的Type52b表冷器換熱過程中有干工況和濕工況兩種工況。熱濕分段處理的空調(diào)系統(tǒng)模擬圖如圖2所示。

圖2 熱濕分段處理的空調(diào)系統(tǒng)模擬圖

2.1 表冷器干工況數(shù)學(xué)模型

當(dāng)表冷器表面的溫度高于進(jìn)口空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，表冷器干工況運(yùn)行，其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Cpm為濕空氣的定壓比容，kJ/(kgK)；Cpw為水的定壓比容，kJ/(kgK)；Q 為全熱交換量，W；Ta為進(jìn)口空氣溫度，K；Tw為進(jìn)水溫度，K；ma為空氣流量，kg/s；mw為水流量，kg/s；UA 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/K；Ntu為傳熱單元數(shù)；ε為傳熱效能；C*為干工況時(shí)熱容比；dry為干表面。

2.2 表冷器濕工況數(shù)學(xué)模型

當(dāng)表冷器表面的溫度低于進(jìn)口空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，表冷器濕工況運(yùn)行，空氣通過表冷器冷卻除濕。對(duì)于濕工況的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：ha為濕空氣焓值，kJ/kg；hs為飽和空氣焓值，kJ/kg；Cpw為水的定壓比容，kJ/(kgK)；Q 為全熱交換量，W；ε 為傳熱效能；ma為干空氣流量，kg/s；mw為水流量，kg/s；m*為濕工況時(shí)熱容比；wet為濕表面。

3 熱濕分段空調(diào)系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

高溫表冷器進(jìn)水溫度和排數(shù)設(shè)置涉及到表冷器換熱面積、高低溫表冷器換熱量大小分配及節(jié)能率,故研究熱濕分段空氣系統(tǒng)高溫表冷器進(jìn)水溫度最佳值以及如何設(shè)置高、低溫表冷器排數(shù)以獲取較高節(jié)能效果是本文研究的重點(diǎn)。本文將對(duì)2:2型（即高溫表冷器2排，低溫表冷器2排）、1:3型、3:1型的排數(shù)設(shè)置分別進(jìn)行模擬。在每個(gè)確定的排數(shù)設(shè)置下，高溫表冷器供水溫度從7℃按2℃增量增加到21℃，對(duì)各溫度分別進(jìn)行模擬。

設(shè)模擬的初始參數(shù)為：進(jìn)風(fēng)壓力101325Pa，進(jìn)風(fēng)流量為2000m3/h；進(jìn)風(fēng)干球溫度25℃；表冷器供水流量0.3L/s；低溫表冷器進(jìn)水7℃。模擬結(jié)果見圖3～6。

3.1 熱濕分段空調(diào)系統(tǒng)制冷量的變化規(guī)律

從圖3～5仿真結(jié)果可以看出：在其余初始參數(shù)相同的工況下，在每個(gè)確定的排數(shù)設(shè)置下，高溫表冷器的換熱量都隨高溫表冷器進(jìn)水溫度的升高而降低（如圖3所示）而低溫表冷器換熱量則呈上升趨勢(shì)（如圖4所示），這是因?yàn)殡S著高溫表冷器進(jìn)水溫度升高，高溫表冷器中冷凍水與空氣之間溫差變小，所以換熱量隨之減少，高溫表冷器空氣出口溫度也逐漸升高，這就導(dǎo)致低溫表冷器中冷凍水與空氣的溫差增大，所以低溫表冷器的換熱量呈上升趨勢(shì)；但是高溫表冷器換熱量降低的幅度大于低溫表冷器制冷量上升的的幅度，因此總換熱量總體上呈下降的趨勢(shì)（如圖5所示）。

圖3 高溫表冷器制冷量變化

圖4 低溫表冷器制冷量變化圖

圖5 表冷器總制冷量變化圖

從圖3可以看出高溫表冷器制冷量呈現(xiàn)3:1型>2:2型>1:3型的趨勢(shì)，在高溫表冷器進(jìn)水溫度較低時(shí)，不同排數(shù)設(shè)置下高溫表冷器換熱量相差很大，因?yàn)榇藭r(shí)空氣與冷凍水之間換熱溫差大，換熱面積成為影響換熱量的主要因素，高溫表冷器排數(shù)越多，換熱面積越大，則換熱量也就隨之越大；隨著進(jìn)水溫度的升高，不同排數(shù)設(shè)置時(shí)高溫表冷器制冷量差距減少，分析其原因：此時(shí)空氣與冷凍水之間換熱溫差小，換熱溫差成為影響換熱量的主要因素。而從圖4可以看出，不同排數(shù)設(shè)置下，低溫表冷器換熱量相差很大且?guī)缀鯙橐欢ㄖ?，因?yàn)閷?duì)于低溫表冷器，冷凍水進(jìn)水溫度恒為7℃，即不同排數(shù)設(shè)置下，空氣與冷凍水的溫差為一定值，低溫表冷器的換熱量與低溫表冷器的排數(shù)近似成正比例關(guān)系。

3.2 熱濕分段空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率的變化規(guī)律

從圖6可以看出：在其余初始參數(shù)相同的工況下，在每個(gè)確定的排數(shù)設(shè)置下，節(jié)能率隨高溫表冷器進(jìn)水溫度的升高先增大后減少，在高溫表冷器進(jìn)水溫度為19℃時(shí)均能取得最大值，同時(shí)在此基礎(chǔ)上對(duì)排數(shù)比分別為1:3型，2:2型和3:1型三種方案進(jìn)行了研究，得出節(jié)能率呈現(xiàn)3:1型>2:2型>1:3型的趨勢(shì)，當(dāng)高溫表冷器進(jìn)水溫度達(dá)19℃時(shí)，3:1型節(jié)能率高達(dá)18.7%，其節(jié)能效果顯著。分析其原因：高溫表冷器排數(shù)越多，其換熱量越大，使得高溫表冷器的換熱量在總制冷量中所占的比重越大，故其節(jié)能率更高。

從上述結(jié)果可以看出：3:1型換熱量變化幅值覆蓋了2:2型和1:3型換熱量變化范圍，同時(shí)3:1型的節(jié)能率大于2:2型和1:3型，因此，當(dāng)設(shè)計(jì)計(jì)算中需要選擇排數(shù)比為2:2型、1:3型、3:1型三種類型時(shí)均可用3:1型代替，同時(shí)又能取得較高的節(jié)能率。因此，在運(yùn)行負(fù)荷允許范圍內(nèi)盡可能增大高溫表冷器換熱面積以取得較高節(jié)能率，同時(shí)換熱量的變化范圍較大。

圖6 節(jié)能率變化圖

4 結(jié)論

1）本文利用TRNSYS軟件對(duì)熱濕分段空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，并對(duì)熱濕分段處理方法的原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析；

2）在每個(gè)給定的排數(shù)設(shè)置下，熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率隨高溫表冷器進(jìn)水溫度的升高先增大后減少，在高溫表冷器進(jìn)水溫度為19℃時(shí)均能取得最大值。

3）排數(shù)比為3:1型時(shí)節(jié)能率最大，最高可達(dá)18.7%。同時(shí)3:1型換熱量變化幅值覆蓋了2:2型和1:3型換熱量變化范圍，因此在運(yùn)行負(fù)荷允許范圍內(nèi)盡可能增大高溫表冷器換熱面積以取得較高節(jié)能率。

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