夏季潮濕地區(qū)不同THIC空調(diào)系統(tǒng)綜合COP對比分析

楊昌智+羅志文+蔣新波

摘 要：以溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)作為研究對象，建立了不同形式溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)模型.通過一實際工程對各系統(tǒng)的COP進行分析、計算，揭示了不同溫濕度獨立控制系統(tǒng)自身的性能和地區(qū)差異.通過對比發(fā)現(xiàn)，在室外空氣含濕量相對較小的地區(qū)應優(yōu)先考慮熱泵轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，對于室外含濕量相對較大的地區(qū)適合選擇溶液除濕系統(tǒng)和冷凝除濕系統(tǒng).

關(guān)鍵詞：空調(diào)；夏季潮濕地區(qū)；溫濕度獨立控制；COP

中圖分類號： TU83 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）05-0144-07

Abstract：Taking temperature and humidity independent control air conditioning system as the research project， different models of the system have been established.Through analysis and calculation of each system's COP of a practical engineering project， it reveals the differences in performance and regional differences of the independent control system itself. By comparison，the heat pump wheel dehumidification system should be considered first，where the outdoor air humidity ratio is relatively small. On the other hand，the liquid desiccant dehumidification system and condensate system may be better where the ratio is relatively large.

Key words：air-conditioning； humid regions in summer season； temperature and humidity independent control； COP

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)（Temperature and Humidity Independent Control Air Conditioning System，簡稱THIC空調(diào)系統(tǒng)）采用溫度與濕度兩套獨立的空調(diào)子系統(tǒng)，分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度，從而避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理所帶來的損失[1]，所采取的新風處理形式包括轉(zhuǎn)輪除濕、溶液除濕、冷凝除濕等[2-4].但是目前關(guān)于THIC系統(tǒng)COP的分析主要集中對某單一系統(tǒng)的研究，而同一地區(qū)不同形式的THIC系統(tǒng)COP以及不同地區(qū)同一形式的THIC系統(tǒng)COP均存在相當大的不同[5～8]，研究不同情況下不同溫濕度獨立控制系統(tǒng)的綜合COP特性，對指導空調(diào)系統(tǒng)選擇和設計有著重要意義.本文根據(jù)國內(nèi)不同地區(qū)室外氣象參數(shù)的不同，結(jié)合各種THIC系統(tǒng)的處理過程研究了不同處理過程的能耗以及綜合COP.

1 基本參數(shù)信息

1.1 氣候條件

我國幅員遼闊，各地氣候存在著顯著差異，依據(jù)室外氣象條件可分為潮濕地區(qū)和干燥地區(qū).在干燥地區(qū)，室外空氣比較干燥，空氣處理過程的核心任務是對空氣的降溫處理過程，而在潮濕地區(qū)，需要對新風除濕之后才能送入室內(nèi)，空氣處理過程的核心任務是對新風的除濕處理過程.表1為我國主要城市所處氣候分區(qū).本次研究主要選取潮濕地區(qū)的北京、上海、長沙、廣州、哈爾濱、海口、成都，各城市室外氣象參數(shù)見表2[9].

1.2 新風送風量和送風參數(shù)的確定

以某高級辦公樓為例，空調(diào)面積為5 000 m2，負荷指標為140 W/m2（房間顯熱負荷），因計算干球溫度相差不大，為討論簡便忽略通過圍護結(jié)構(gòu)傳入負荷的差異.人員密度為0.5人/m2，人員散濕量為109 g/（人·h），辦公建筑的新風量取30 m3/（人·h），室內(nèi)設計參數(shù)N：焓值、溫度、含濕量和相對濕度分別為58.54 kJ/kg，26 ℃，12.7 g/kg和60%[10].

新風送風濕度求解公式：

空氣處理過程見圖1.

圖中O點為新風的處理狀態(tài)點，F(xiàn)為干式風機盤管送風點，S為房間送風狀態(tài)點，各狀態(tài)點根據(jù)規(guī)范規(guī)定的送風溫差、房間的顯熱潛熱負荷確定[9].計算得新風焓值hO為44.8 kJ/kg，送風狀態(tài)點S溫度、含濕量、焓值分別為21 ℃，11.9 g/kg和51.4 kJ/kg；干式風機盤管送風參數(shù)F的溫度、含濕量、焓值分別為22.2 ℃，12.7 g/kg和53.7 kJ/kg.總送風量、干式風機盤管送風量、新風送風量分別為97 kg/s，72 kg/s，25 kg/s.

2 THIC模型的建立

2.1 轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

2.1.1 熱回收式單級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

帶全熱回收的單級轉(zhuǎn)輪除濕新風機組處理流程如圖2所示.

帶全熱回收的單級轉(zhuǎn)輪除濕新風機組處理過程在焓濕圖上表示如圖3所示.

新風W先經(jīng)過全熱回收裝置與回風進行熱回收，取全熱回收器的顯熱回收效率為60%，潛熱回收效率為55%，根據(jù)換熱公式[11]可以得到熱回收后W′點的狀態(tài).

冷水機組制冷量的計算：

2.1.2 熱回收式雙級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

帶全熱回收的雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風機組流程如圖4所示.

新風熱回收后W′點、再生空氣狀態(tài)點M和M′點的求解方法和熱回收式單級轉(zhuǎn)輪除濕一致.

2.1.3 熱泵式單級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

熱泵式單級轉(zhuǎn)輪除濕新風機組流程如圖6所示.

熱泵式單級轉(zhuǎn)輪除濕新風處理焓濕圖和圖2一致.新風熱回收后W′點、再生空氣狀態(tài)點M點的求解方法和熱回收式單級轉(zhuǎn)輪除濕一致.該過程中風冷熱泵最大再生能力為50 ℃，再生溫度高于50 ℃部分仍采用電加熱再生.

2.1.4 熱泵式雙級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

熱泵式雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風機組流程如圖7所示.

熱泵式雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風處理焓濕圖和圖4一致.熱泵式雙級轉(zhuǎn)輪除濕處理過程的計算方法和熱泵式單級轉(zhuǎn)輪除濕的計算方法相同，在這里就不再贅述.

2.2 溶液除濕系統(tǒng)

2.2.1 熱泵式單級溶液除濕系統(tǒng)

熱泵式單級溶液除濕新風機組流程如圖8所示.

熱泵式單級溶液除濕新風機組處理過程在焓濕圖上表示如圖9所示.

新風W和回風N進行熱回收，熱回收后新風A在右邊噴淋模塊中和被蒸發(fā)器5冷卻的溶液進行熱濕交換，溶液被稀釋且溫度升高，新風A被降溫除濕達到送風狀態(tài)點O，左邊噴淋模塊中的溶液被冷凝器4加熱后，在噴淋單元內(nèi)完成溶液的濃縮再生過程，被稀釋的和被濃縮的溶液經(jīng)過換熱器7換熱后通過溶液管相連，通過溶液管中溶液的流動完成蒸發(fā)器側(cè)和冷凝器側(cè)溶液的循環(huán)，以維持兩端的濃度差.

熱泵系統(tǒng)制冷量計算：

2.2.2 熱泵式雙級溶液除濕系統(tǒng)

熱泵式雙級溶液除濕新風機組流程如圖10所示.

熱泵式雙級溶液除濕新風機組處理過程在焓濕圖上表示如圖11所示.

兩級除濕溶液采用不同濃度，濃度高的溶液無需承擔較多的排熱量，濃度低的溶液排出冷凝熱的能力較強[12].

熱泵系統(tǒng)制冷量計算：

2.3 冷凝除濕系統(tǒng)

室內(nèi)排風再熱送風式冷凝除濕機組流程如圖12所示.

室內(nèi)排風再熱送風式冷凝除濕機組處理過程在焓濕圖上表示如圖13所示.

除濕處理后的新風L與室內(nèi)回風N之間進行顯熱熱回收，實現(xiàn)對新風的再熱處理.回風經(jīng)過與除濕處理后的新風之間的顯熱回收后溫度降低，之后再進入全熱回收裝置與新風進行全熱交換，對新風進行預冷.預冷后的新風W′經(jīng)過低溫冷水盤管處理降溫除濕處理到L點.

低溫冷水機組制冷量計算：

3 系統(tǒng)能耗及系統(tǒng)效率

3.1 計算方法

本文計算結(jié)果采用COP的形式表示，計算過程中風冷熱泵COP取2.8，低溫冷水機組COP取4.6，高溫冷水機組COP取7.8.冷凍水輸送系數(shù)和冷卻水輸送系數(shù)取41.5[10].取值符合《冷水機能效限定值及能源效率等級》要求[13].

3.2 計算結(jié)果

熱回收式轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)采用電加熱再生空氣，低溫冷水機組對除濕后新風進行降溫處理，包括一級轉(zhuǎn)輪除濕和雙級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng).熱泵式轉(zhuǎn)輪除濕利用熱泵對除濕后新風進行降溫以及加熱再生空氣，熱泵能提供的最高再生溫度為50 ℃，高于50 ℃部分采用電加熱再生空氣.溶液除濕新風系統(tǒng)的核心部件是溶液式全熱回收裝置，新風和室內(nèi)回收先在溶液式全熱回收裝置中進行熱濕交換，然后再通過溶液式全熱回收裝置進行新風的降溫除濕以及溶液的再生，除濕再生過程中所需的冷熱量由熱泵機組提供.各系統(tǒng)COP（含室內(nèi)顯熱、潛熱和新風負荷）見表3.

4 THIC空調(diào)系統(tǒng)COP對比分析

各個城市不同溫濕度獨立控制系統(tǒng)COP和含濕量關(guān)系見圖14.

對于轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，達到相同室內(nèi)狀態(tài)參數(shù)時熱泵式機組的COP明顯高于單純采用電再生的轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，說明電加熱再生是一種不可取的再生方式.采用熱泵冷凝熱再生轉(zhuǎn)輪時，單級轉(zhuǎn)輪的COP小于雙級轉(zhuǎn)輪，此時雖然雙級轉(zhuǎn)輪的再生熱量大于單級轉(zhuǎn)輪，但雙級轉(zhuǎn)輪的再生溫度在50 ℃左右，能夠很好的利用熱泵的冷凝熱.

對于溶液除濕系統(tǒng)，同一個地區(qū)單級溶液除濕系統(tǒng)和雙級溶液除濕系統(tǒng)的COP相差很小.但實際情況中雙級溶液除濕中濃度低的一級排除冷凝熱的能力比較強，有利于降低冷凝溫度，而濃度較高的一級不用承擔過多的排熱量，也就不會提高冷凝溫度.冷凝溫度降低，整個系統(tǒng)的COP將有所提高[14].

對于室外空氣含濕量較低的地區(qū)如北京和哈爾濱，采用熱泵式轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)能獲得較高的系統(tǒng)能效比；對于上海、長沙、廣州、?？?、成都等室外空氣含濕量較高的地區(qū)，則采用溶液除濕系統(tǒng)、冷凝除濕系統(tǒng)能獲得較高的系統(tǒng)能效比；室外空氣含濕量越高的地區(qū)越適合采用冷凝除濕系統(tǒng)；從圖13還可以看出，溶液除濕THIC系統(tǒng)COP值其地區(qū)差異性不大.

5 結(jié) 論

本文根據(jù)3種不同形式的THIC系統(tǒng)的處理過程，結(jié)合不同城市的夏季室外狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)處理過程得出了不同室外狀態(tài)參數(shù)下我國潮濕地區(qū)采用不同形式THIC系統(tǒng)的綜合COP.通過研究分析可以得出以下結(jié)論.

1）對于室外含濕量相對較小的地區(qū)如北京、哈爾濱，在進行溫濕度獨立控制系統(tǒng)設計時，可優(yōu)先考慮選擇熱泵轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)；對于室外含濕量相對較大的地區(qū)如長沙、廣州，適合選擇溶液除濕系統(tǒng)和冷凝除濕系統(tǒng).

2）由于再生熱對系統(tǒng)綜合COP有很大的影響.應使用余熱、廢熱等低品位能源作為再生熱源.

3）本次計算過程中沒有考慮變工況下機組COP和除濕器性能的變化以及風機的能耗，計算結(jié)果存有一定的局限性，可供溫濕度獨立控制系統(tǒng)的技術(shù)研究、工程設計參考.對于實際工況下各系統(tǒng)的COP，有待以后進一步研究.

參考文獻

[1] 劉曉華.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003：36-38.

[2] JAIN S，BANSAL P K.Performance analysis of liquid desicand dehumidification systems[J].International Journal of Refrigeration，2007，30（5）：861-872.

[3] NARAYANAN R，SAMAN W Y，WHITE S D， et al.Comparative study of different desiccant wheel designs[J].Applied Thermal Engineering，2011，31（10）：1613-1620.

[4] LUO Yi-mo，YANG Hang-xing，LU Lin. Liquid desiccant dehumidifier： Development of a new performance predication model based on CFD[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，69（2）：408-416.

[5] 馬宏權(quán)，龍惟定.高溫高濕地區(qū)溫濕度獨立控制系統(tǒng)應用分析[J].暖通空調(diào)，2009，39（2）：62-69.

[6] 劉栓強，江億，劉曉華，等.熱泵驅(qū)動的雙級溶液調(diào)濕新風機組原理及性能測試[J].暖通空調(diào)，2008，38（1）：54-63.

[7] 楊自力，連之偉.基于理想除濕效率的液體除濕空調(diào)系統(tǒng)性能影響因素分析[J].上海交通大學學報，2014，48（6）：822-826.

[8] 楊昌智，陳丹.排風熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析[J].湖南大學學報：自然科學版，2009，36（12）：103-108.

[9] GB 50736-2012 民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：102-177.

[10] GB 50189-2005 公共建筑節(jié)能設計標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：23-24.

[11]劉云祥.排風熱回收系統(tǒng)應用的探討[J].暖通空調(diào)，2012（7）：72-77.

[12]黃蓉.溫濕度獨立控制系統(tǒng)在長沙地區(qū)的應用研究[D].長沙：湖南大學土木工程學院，2014：49-51

[13]GB 19577-2004 冷水機能效限定值及能源效率等級[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004：1-4.

[14]劉栓強.熱泵式溶液調(diào)濕空氣處理裝置的研究[D].北京：清華大學建筑學院，2010：63-65.