基于地下水-太陽能工作的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)

任秀宏， 鄭立國

(1.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 洛陽 471023；2.河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050031)

0 引 言

目前常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)普遍采用冷凝除濕方式(采用7 ℃的冷凍水)實現(xiàn)對空氣的降溫與除濕處理，同時去除建筑的顯熱負(fù)荷與潛熱負(fù)荷(濕負(fù)荷)。占總負(fù)荷一半以上的顯熱負(fù)荷本可以采用高溫冷源排走，卻與除濕—起共用7℃的低溫冷源進行處理，造成了能量利用品位上的浪費。通過冷凝除濕方式對空氣進行冷卻和除濕，其吸收的顯熱與潛熱比只能在一定的范圍內(nèi)變化，而建筑室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)所需要的熱濕比卻在較大的范圍內(nèi)變化。而且，冷凝除濕方式產(chǎn)生的潮濕表面成為霉菌等生物污染物繁殖的良好場所，嚴(yán)重影響室內(nèi)空氣品質(zhì)。溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)采用熱濕分開處理，用溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)控制室內(nèi)濕度，采用較高溫度的冷源控制室內(nèi)溫度，除能有效避免常規(guī)空調(diào)的弊端外，還能夠利用太陽能、工業(yè)廢熱等低品位能源，能有效節(jié)約能源和改善大氣環(huán)境。溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)由于其顯著的節(jié)能優(yōu)勢及其對室內(nèi)空氣品質(zhì)的良好影響，近年來得到了較快發(fā)展[1-2]。

傳統(tǒng)溶液除濕空調(diào)是將新風(fēng)直接送入除濕器進行溶液除濕，利用熱泵或其他輔助加熱設(shè)備加熱再生溶液，加熱后的溶液直接與室外空氣進行熱質(zhì)交換使得溶液再生。在熱濕地區(qū)室外空氣含濕量高，除濕器除濕負(fù)荷大，導(dǎo)致系統(tǒng)初投資、運行能耗及再生熱量增加[3-7]。針對傳統(tǒng)溶液除濕空調(diào)存在問題，在地下水資源豐富的地區(qū)充分利用地下水所儲存的天然冷量，提出一種新型可實現(xiàn)地下水-太陽能高效利用的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理[8]

基于地下水-太陽能工作的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)由新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)、輻射空調(diào)系統(tǒng)和除濕/再生模塊組成，主要有4個循環(huán)。

循環(huán)1：一部分地下水經(jīng)水泵送至新風(fēng)機組表冷器，流入該設(shè)備的地下水低于新風(fēng)的露點溫度從而實現(xiàn)新風(fēng)冷卻除濕，經(jīng)新風(fēng)機組表冷器吸收熱量后與除濕器內(nèi)冷卻水回水及冷輻射吊頂?shù)幕厮旌虾蠡毓嘀恋叵隆?/p>

循環(huán)2：地下水的一部分由第二循環(huán)泵送至冷輻射吊頂，流入冷輻射吊頂與室內(nèi)空氣進行顯熱交換以承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，吸收熱量后，與經(jīng)過新風(fēng)機組表冷器的地下水及除濕器冷卻水回水混合后回灌至地下。

循環(huán)3：地下水的一部分經(jīng)第三循環(huán)泵送至除濕器熱交換器，吸收除濕過程釋放的潛熱后溫度升高，與經(jīng)過新風(fēng)機組表冷器的地下水及冷輻射吊頂回水混合后回灌至地下。

循環(huán)4：溶液除濕過程中，除濕器中的低溫度、高濃度的除濕溶液從頂部噴淋，經(jīng)新風(fēng)機組表冷器處理后的新風(fēng)從下部進入，完成新風(fēng)除濕過程。除濕后的稀溶液與再生后的濃溶液在換熱器中換熱，溫度升高。利用太陽能作為再生熱源，低水蒸氣分壓力的室內(nèi)排風(fēng)作為再生空氣源，并用環(huán)境熱量預(yù)熱排風(fēng)，以提高除濕溶液的再生效率和濃度，完成溶液的再生過程，如此循環(huán)處理新風(fēng)。循環(huán)5：空氣處理系統(tǒng)工作時，室外新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)機組表冷器處理后，然后再經(jīng)過內(nèi)冷型除濕器等溫除濕至新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點，經(jīng)風(fēng)機加壓后送入空調(diào)房間。需指出，從抽水井中抽取地下水應(yīng)先經(jīng)過除沙和過濾處理后再進入新風(fēng)機組表冷器，回水應(yīng)進行回灌處理。

夏季空氣處理過程i-d圖如圖2所示。室外新風(fēng)先經(jīng)新風(fēng)機組表冷器冷卻減濕至機器露點(見圖2中新風(fēng)狀態(tài)點W到狀態(tài)點L過程)，冷卻減濕后的新風(fēng)再經(jīng)過內(nèi)冷型除濕器承擔(dān)等溫處理至A點，除濕器承擔(dān)室內(nèi)全部潛熱負(fù)荷和部分新風(fēng)冷負(fù)荷(見圖2狀態(tài)點L到狀態(tài)點A過程)，房間顯熱負(fù)荷有冷輻射吊頂承擔(dān)(見圖2室內(nèi)空氣狀態(tài)點N等濕冷卻到狀態(tài)點B過程)，處理后新風(fēng)經(jīng)風(fēng)機送入室內(nèi)和冷輻射吊頂處理后的回風(fēng)在室內(nèi)混合至O(見圖2中狀態(tài)點A和狀態(tài)點B混合至O過程沿?zé)釢癖染€送入室內(nèi))，從而維持房間溫度和濕度穩(wěn)定。 圖中細(xì)線表示采用冷凝除濕方式的一次回風(fēng)再熱式空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程。

2 系統(tǒng)能耗計算分析

為了進行該新系統(tǒng)節(jié)能性分析，需要建立組成系統(tǒng)各部件數(shù)學(xué)模型。

2.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[9-10]

2.1.1系統(tǒng)中各部件的質(zhì)量和能量守恒方程

∑Gi-∑Go=0

(1)

Q+∑Gi·hi-∑Go·ho=0

(2)

式中：Gi、Go為進、出容器的溶液質(zhì)量流量，kg/s；Q為設(shè)備與外界的能量交換，kW；hi、ho為容器進、出口流體的焓值，kJ/kg。

2.1.2空氣處理機組數(shù)學(xué)模型

新風(fēng)機組表冷器負(fù)荷：

q1=w1cw·Δt1=GW(hw-hL)=K1F1·Δtm

(3)

式中：w1是地下水流經(jīng)新風(fēng)機組表冷器的水流量，kg/s；Δt1是地下水經(jīng)過新風(fēng)機組表冷器的溫升，℃；GW是新風(fēng)的質(zhì)量流量，kg/s；hW、hL是新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)機組熱交換設(shè)備進出口處的新風(fēng)比焓，J/g；K1是新風(fēng)機組表冷器的傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；F1是新風(fēng)機組表冷器的換熱面積，m2；Δtm是新風(fēng)機組表冷器的對數(shù)平均溫差，℃。

2.1.3冷輻射吊頂?shù)臄?shù)學(xué)模型

冷輻射吊頂?shù)呢?fù)荷:

qd=w2cw·Δt2=GH(hN-hB)

(4)

式中：w2是地下水流經(jīng)冷輻射吊頂?shù)乃髁?，kg/s；Δt2是地下水經(jīng)過冷輻射吊頂?shù)臏厣?，℃；GH是回風(fēng)的質(zhì)量流量，kg/s；hN是室內(nèi)空氣狀態(tài)點比焓，J/g；hB冷輻射吊頂冷卻室內(nèi)空氣后空氣的比焓，J/g。

2.1.4除濕器的數(shù)學(xué)模型

χ1Gsol·in=χ2Gsol·out=χ2(Gsol·in+Δy)

(5)

式中:Gsol·in為除濕器進口溶液質(zhì)量流量，kg/s，Gsol·out為除濕器出口溶液質(zhì)量流量，kg/s；χ1、χ2分別為除濕器進、出口溶液的濃度，%；Δy為處理空氣的除濕量，g/s。

2.2 系統(tǒng)能耗計算[11-15]

以洛陽市某建筑為例，對新型系統(tǒng)較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性進行計算分析。該建筑面積100 m2，人員密度為1人/m2，體力活動性質(zhì)為輕度活動，室內(nèi)設(shè)計溫度為26 ℃，相對濕度50%，室內(nèi)余熱量Q為36 kW，新風(fēng)比30%，送風(fēng)溫差7 ℃，再生器再生效率ηr為80%，采用一次回風(fēng)再熱式系統(tǒng)時，制冷機的COP為4.42；電熱價比為4，即1 W電的價格相當(dāng)于4 W熱的價格。

據(jù)上述條件，計算房間的余濕量Mw為：

式中：φ為群集系數(shù)；n為空調(diào)區(qū)的總?cè)藬?shù)；g為成年男子散濕量，g/h。

熱濕比:

ε=Q/MW=36 000/4.5525=7907.74 (J/g)

根據(jù)圖2夏季空氣處理過程i-d圖，結(jié)合上述計算結(jié)果，計算得到洛陽地區(qū)氣候條件下，兩種系統(tǒng)空氣處理過程中各狀態(tài)點的參數(shù)值，見表1。

系統(tǒng)送風(fēng)量：

2.2.1新型系統(tǒng)能耗計算

(1) 新型系統(tǒng)溶液再生耗熱量。

表1 新型系統(tǒng)及一次回風(fēng)系統(tǒng)中各狀態(tài)點參數(shù)值

式中：r為水的汽化潛熱；ηr為溶液除濕的能源利用效率，也稱為溶液的再生效率，即溶液再生時有效能耗與總能耗之比。

(2) 溶液再生耗電量E。由于電熱價為4，可將溶液再生耗熱量折合成等價的耗電量。

(3) 新型系統(tǒng)總能耗。新型系統(tǒng)如果采用電加熱器加熱溶液再生，則需要消耗電量，耗電量計入系統(tǒng)總能耗之中；但如果采用太陽能集熱器進行再生，則不需要消耗電能。新型系統(tǒng)的能耗除此以外還包括輔助電能，即溶液泵、循環(huán)水泵以及風(fēng)機等能耗，一般不超過溶液再生能耗的50%。假設(shè)此比例取為50%，則新型系統(tǒng)的總能耗E為：①采用電加熱器再生，系統(tǒng)總能耗E1=6.9+27.7×0.5=20.75 kW；②采用太陽能集熱器再生，系統(tǒng)總能耗E2=27.7×0.5=13.85 kW。

2.2.2一次回風(fēng)再熱式系統(tǒng)能耗計算

表冷器冷卻除濕所需的冷量：

再熱器加熱量：

表冷器冷卻除濕能耗：

再熱器再熱能耗：

Ezr=Qzr=16.51 (kW)

一次回風(fēng)再熱式系統(tǒng)總能耗：總能耗還應(yīng)包括風(fēng)機、水泵帶來的輔助能耗，該系統(tǒng)輔助能耗小于新型系統(tǒng)，假設(shè)其輔助能耗為新型系統(tǒng)輔助能耗的50%，則一次回風(fēng)系統(tǒng)的總能耗耗為：

2.2.3節(jié)能效率

新型系統(tǒng)采用電加熱器進行溶液再生時，與一次回風(fēng)再熱式系統(tǒng)比較其節(jié)能效率：

新型系統(tǒng)采用太陽能集熱器進行溶液再生時，與一次回風(fēng)再熱式系統(tǒng)比較其節(jié)能效率：

兩種系統(tǒng)負(fù)荷分配比較見表2。

表2 夏季工況兩種系統(tǒng)負(fù)荷分配比較

通過以上的計算和比較，易于發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，該新型溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)系統(tǒng)能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)系統(tǒng)的能耗，節(jié)能效果很顯著。

3 結(jié) 論

基于地下水-太陽能工作的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)通過直接利用地下水儲能處理新風(fēng)，為冷輻射吊頂提供冷量及冷卻除濕器中的鹽溶液，實現(xiàn)低品位地?zé)崮苤苯永茫煌瑫r利用太陽能作為再生熱源，節(jié)省電能，實現(xiàn)了可再生能源太陽能的高效利用。

(1) 利用地下水所儲存的低品位能量預(yù)處理新風(fēng)，降低新風(fēng)的溫度及含濕量，減小除濕器除濕負(fù)擔(dān)，降低溶液輸配能耗，即降低系統(tǒng)初投資及運行費用。

(2) 利用地下水冷卻除濕溶液，提高溶液除濕能力，節(jié)省制備冷卻水的能耗。

(3) 利用太陽能作為再生熱源，用環(huán)境熱量預(yù)熱的低水蒸氣分壓力的室內(nèi)排風(fēng)作為再生空氣源，可降低再生熱源的溫度，實現(xiàn)太陽能更大范圍應(yīng)用，以便提高除濕溶液再生效率和濃度，增強系統(tǒng)的除濕性能。

本系統(tǒng)實現(xiàn)低品位可再生能源地?zé)崮芎吞柲艿母咝Ю?，具有有效?jié)約化石能源、節(jié)省高品位電能，對環(huán)境無污染，提高人居環(huán)境質(zhì)量等優(yōu)點，由于該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，機組性能穩(wěn)定可靠，在地?zé)豳Y源豐富的熱濕地區(qū)應(yīng)用前景廣闊。

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