溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在不同氣候地區(qū)的優(yōu)化選擇

李霜玲，彭冬根，周君明

（南昌大學(xué)，江西南昌 330031）

1 前言

據(jù)統(tǒng)計，我國公共建筑的空調(diào)能耗約占建筑總能耗的 22%～50%［1］，國內(nèi)外學(xué)者 基于此對新型空調(diào)系統(tǒng)進行了大量的研究［2～6］。我國西北地區(qū)氣候干燥，含濕量低，干濕球溫度溫差大，獨特的氣候環(huán)境使得蒸發(fā)冷卻技術(shù)在蘭州、西安、新疆等地得到了大量應(yīng)用［7～9］。而在我國南方，氣候濕潤，干濕球溫度溫差較小，單獨使用蒸發(fā)冷卻技術(shù)不能滿足舒適性的要求，還應(yīng)與除濕技術(shù)相結(jié)合。溶液除濕與蒸發(fā)冷卻技術(shù)的有機結(jié)合，使得蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用不僅僅局限于干燥地區(qū)，還能應(yīng)用于高溫高濕的南方，從而充分發(fā)揮其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢［10～13］。目前對該種空調(diào)系統(tǒng)的研究主要集中在如何提升空調(diào)部件的性能上，而系統(tǒng)整體性能的研究較少［14～19］。本文對多種除濕蒸發(fā)空調(diào)系統(tǒng)進行分析研究，通過為不同氣候城市選擇較適合的空調(diào)系統(tǒng)，有效地降低空調(diào)使用能耗提供參考。

2 溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是一種新型的空調(diào)系統(tǒng)，由溶液除濕與再生循環(huán)、空氣處理循環(huán)和水循環(huán)三部分構(gòu)成。其中溶液除濕循環(huán)負責(zé)將室外空氣或室外與室內(nèi)排風(fēng)混合的空氣處理到合適的濕度，使之承擔(dān)室內(nèi)全部的潛熱負荷，再利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)將空氣處理到合適的溫濕度范圍。

2.1 空氣處理循環(huán)

圖1中6種溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的空氣處理循環(huán)分別由全熱交換器（EX）、除濕器、再循環(huán)蒸發(fā)冷卻器（REC）、空氣-水熱交換器（AWHX）、空氣-空氣熱交換器（AAHX）、間接蒸發(fā)冷卻器（IEC）、直接蒸發(fā)冷卻器（DEC）組合而成。

圖1 6種溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)C1～C6和5種蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)R1～R5空調(diào)部件的組成

如循環(huán)C1，質(zhì)量流量為ma的室外新風(fēng)與部分室內(nèi)排風(fēng)直接接觸，圖1（b）中線O-1代表室外新風(fēng)被溫度較低且更干燥的排風(fēng)預(yù)冷除濕的過程；經(jīng)過預(yù)處理后的空氣進入除濕器，由于水蒸氣分壓力差的作用，空氣被進一步除濕。而水蒸氣從氣態(tài)到液態(tài)會釋放大量汽化潛熱，因此空氣溫度隨之升高（線1-2）；升溫除濕后的空氣在AWHX中由從冷卻塔送來的冷水等濕冷卻（線2-3），再送入REC進一步冷卻（線3-4），最后送入室內(nèi)，完成空氣處理循環(huán)。循環(huán)C1的特點是送風(fēng)溫度較低，制冷量相對較小。這是由于有50%的空氣在REC中先被冷卻到低于其露點溫度，再用于冷卻余下還未被處理的空氣，最后被排往大氣。這將導(dǎo)致系統(tǒng)的送風(fēng)質(zhì)量減半，制冷量較小，但是可以用于低溫送風(fēng)。與循環(huán)C1相同，循環(huán)C2，C4和C6均選取了EX對室內(nèi)排風(fēng)進行了全熱回收。循環(huán)C2，C3，C4利用DEC、AAHX和IEC的組合，循環(huán)C5和C6利用AWHX和IEC的組合，來替代循環(huán)C1中AAHX和REC的組合。其中，DEC和AAHX的組合與IEC的工作原理相同，先使用DEC冷卻室內(nèi)空氣作為二次空氣，再利用AAHX間接冷卻過程空氣。除了循環(huán)C5，其他循環(huán)的IEC均選用室外空氣作為二次空氣。

2.2 溶液除濕與再生循環(huán)

圖1（c）～（e）與圖1（a）的溶液除濕與再生循環(huán)相同，所以文中只給出了圖1（a）的溶液除濕與再生循環(huán)原理圖。

溶液除濕與再生循環(huán)是溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的核心，高濃度的除濕溶液與被處 理空氣直接接觸，由于水蒸氣分壓力差的作用，空氣中的水蒸氣被溶液吸收。從除濕器內(nèi)出來的稀溶液經(jīng)過溶液熱交換器升溫后進入再熱器內(nèi)進一步的加熱。被加熱的溶液達到再生溫度后進入溶液再生器內(nèi)，再生器內(nèi)的水蒸氣輸送過程正好與除濕器相反，溶液里面的水蒸氣不斷擴散至空氣中，完成除濕溶液的再生過程。再生后的濃溶液經(jīng)過溶液熱交換器降溫后通過冷卻水進一步的降溫，恢復(fù)除濕能力后重新進入除濕器內(nèi)對需處理空氣進行除濕，完成溶液循環(huán)。

2.3 冷熱水循環(huán)

冷卻塔的冷卻水可用于冷卻空氣和再生后的濃溶液。再熱器的熱水可以用于加熱除濕后的稀溶液。有日照的時候，可以利用太陽能來提供熱水，無日照的時候，可以連接電加熱器等輔助熱源來提供熱水。

3 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

西北地區(qū)氣候干燥，含濕量低，不需要對室外空氣單獨進行除濕。將6種溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)除去除濕器和全熱交換器就組成了5種蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的組成原理圖由加粗框線表示。其中，DEC和IEC從室內(nèi)回收熱量時，空氣的質(zhì)量流量均為ma。

4 模型建立

在模型建立的過程中，采用如下假設(shè)條件：

（1）冷卻水的溫度比室外空氣的濕球溫度高3 ℃。

（2）室內(nèi)空氣的狀態(tài)參數(shù)為：干球溫度26 ℃，相對濕度60%。

（3）濃溶液與空氣的質(zhì)量流量比為0.9。

（4）熱水溫度65 ℃。

（5）所有空調(diào)部件的效 率均為常數(shù)0.7［20～22］。

4.1 熱質(zhì)交換模型

再生器、除濕器、全熱交換器的性能采用焓效率和濕效率來表示：

式中 εh，εd——焓效率、濕效率

din，dout——進、出口空氣的含濕量，g/kg

hin，hout——進、出口空氣的比焓，kJ/kg

heq——按理想熱力過程計 算的出口空氣焓和，kJ/kg

deq——按理想熱力過程計算的出口空氣含濕量，g/kg

4.2 熱交換模型

空氣-空氣熱交換器、溶液-溶液熱交換器、再熱器、空氣-水熱交換器等的性能采用熱效率來表示：

式中 ta，in，ta，out——各個部件的空氣進、出口溫度，℃

tls，trs——冷、熱水溫度，℃

tdew——室外或室內(nèi)空氣的露點溫度，℃

4.3 溶液側(cè)質(zhì)量守恒

溶液側(cè)質(zhì)量守恒方程：

式中 Msol，d，Msol，c——稀、濃溶液質(zhì)量流量，kg/s

4.4 溶液側(cè)能量守恒

溶液側(cè)能量守恒方程：

式中 Cpd，Cpc—— 稀、濃 溶 液 的 比 熱 容，kJ/（kg·K）

Md，Mc——稀、濃溶液的質(zhì)量，kg

Td，in，Td，out——進、出口稀溶液的溫度，K

Tc，in，Tc，out——為進、出口濃溶液的溫度，K

患者在網(wǎng)上預(yù)約后，按時到診室就診，刷卡就可以支付醫(yī)生醫(yī)事服務(wù)費。如果患者需要后續(xù)檢查，醫(yī)生在診間就可以為其預(yù)約，同時完成扣費，患者前往檢查即可。如果患者需要取藥，醫(yī)生也可以在診間為其扣費，并把取藥信息傳送到藥房，患者前往取藥即可，這樣就省去了患者反復(fù)排隊的麻煩。

4.5 新風(fēng)獲得冷量

新風(fēng)獲得冷量為：

式中 Qcc——新風(fēng)獲得冷量，kW

ma——空氣質(zhì)量流量，kg/s

hOA——室外空氣的比焓，kJ/kg

hSA——送風(fēng)的比焓，kJ/kg

4.6 再生熱量Qreg

再生熱量為：

式中 Qreg——再生熱量，kW

TRHX，in，TRHX，out——再熱器進、出口溶液溫度，℃

4.7 系統(tǒng)熱力系數(shù)

系統(tǒng)總能耗分為系統(tǒng)再生加熱的耗能以及輔助電能耗，但輔助電耗能一般不超過再生加熱耗能的10［12］，故系統(tǒng)熱力系數(shù)η（不考慮電耗能）為：

5 結(jié)果分析

在Matlab平臺，選取室外空氣參數(shù)［23］，聯(lián)立求解系統(tǒng)所有部件的效率方程、質(zhì)量和能量守恒方程、以及氯化鋰溶液熱物理性質(zhì)相關(guān)的方程［24］，以制冷量、系統(tǒng)熱力系數(shù)等參數(shù)作為指標(biāo)，比較不同循環(huán)的性 能。

5.1 南方氣候帶的系統(tǒng)性能分析

根據(jù)地理位置和建筑氣候分區(qū)的不同，選擇廣州、?？诖硐臒岫貐^(qū)的典型氣候，選擇上海、南昌代表夏熱冬冷地區(qū)的典型氣候。圖2，3為南昌、廣州2個城市分別選用6種溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)時空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)熱力系數(shù)COP、制冷量Q、送風(fēng)溫度t4、送風(fēng)濕度d4的變化曲線。

圖2 南昌地區(qū)循環(huán)C1～C6的性能比較

圖3 廣州地區(qū)循環(huán)C1～C6的性能比較

如圖2（a）所示，在南昌地區(qū)選用不同的空調(diào)循環(huán)，其送風(fēng)參數(shù)產(chǎn)生了較大的變化。具體表現(xiàn)為選用循環(huán)C1時制冷量最小，為21.1 kJ/kg，選用循環(huán)C6時制冷量最大，為42.3 kJ/kg；選用循環(huán)C1時送風(fēng)溫度最小，t4為20.3 ℃；選用其他循環(huán)時送風(fēng)溫度在22～24 ℃范圍內(nèi)；選用循環(huán)C3和C5時送風(fēng)濕度最大，均為0.0122 kg/kg，選用循環(huán)C6時送風(fēng)濕度最小，為0.0094 kg/kg。原因是循環(huán)C1選用REC作為空調(diào)部件，空氣進入REC后，部分空氣經(jīng)過冷卻后作為二次空氣冷卻剩余的空氣，然后排往室外。使得送風(fēng)的質(zhì)量流量減半，制冷量最小。與其他空調(diào)部件相比，REC可以實現(xiàn)將入口空氣的溫度降低到接近露點溫度，REC所制取空氣的送風(fēng)溫度也最低。結(jié)合數(shù)據(jù)分析，循環(huán)C2、C4和C6對室外空氣進行除濕前，均選用全熱交換器對室內(nèi)排風(fēng)進行全熱回收，所以制取的冷量較大。其中，循環(huán)C6全熱回收的室內(nèi)排風(fēng)質(zhì)量流量最大，所以制取的冷量最大。系統(tǒng)熱力系數(shù)的變化與制冷量的變化非常接近，原因是再生熱量變化在0.97～1.55 kJ/kg范圍內(nèi)，使得制冷量成為系統(tǒng)熱力系數(shù)變化的主要影響因素。循環(huán)C3和循環(huán)C5中僅有除濕器有減濕作用，其他過程均為等濕過程，所制取的空氣濕度最高。循環(huán)C6的全熱交換器和除濕器均有減濕作用，且循環(huán)C6全熱回收的室內(nèi)排風(fēng)質(zhì)量流量較其他循環(huán)大，所以循環(huán)C6的送風(fēng)濕度較低。選用AWHX對進入循環(huán)C2的室外空氣進行等濕冷卻預(yù)處理，就組成了循環(huán)C4。由于循環(huán)2與循環(huán)4的各項數(shù)據(jù)都很接近，說明在循環(huán)C2前設(shè)置AWHX對循環(huán)性能的提升效果不明顯。

從圖2，3可知：在潮濕的南方氣候帶，循環(huán)C6的送風(fēng)濕度最低，系統(tǒng)熱力系數(shù)最高，是最佳循環(huán)；循環(huán)C1可用于低溫送風(fēng)。

5.2 西北氣候帶的系統(tǒng)性能分析

根據(jù)濕球溫度劃分區(qū)域的不同，選擇銀川和呼和浩特代表高適應(yīng)區(qū)的典型氣候，選擇西安和吐魯番代表適應(yīng)區(qū)的典型氣候［25］。圖4為4個城市分別選用5種蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)時空調(diào)系統(tǒng)的制冷量、送風(fēng)溫度的變化時得到的曲線。

如圖4所示，呼和浩特地區(qū)選用循環(huán)R3時制冷量最大，其他地區(qū)選用循環(huán)R4時制冷量最大，4個地區(qū)選用循環(huán)R1時制冷量均為最??；西安地區(qū)選用循環(huán)R4時送風(fēng)溫度最低，其他地區(qū)選用循環(huán)R1時送風(fēng)溫度均為最低，4個地區(qū)選用循環(huán)R5時送風(fēng)溫度均為最高。原因是循環(huán)C1選用REC作為空調(diào)部件，使得送風(fēng)的質(zhì)量流量減半，制冷量最小。REC可以實現(xiàn)將入口空氣的溫度降低到接近露點溫度，所以送風(fēng)溫度也較低。但是西安地區(qū)含濕量較大，露點溫度較高，導(dǎo)致送風(fēng)溫度也較高，說明循環(huán)R1不適用于中濕度地區(qū)的低溫送風(fēng)。選用直接蒸發(fā)冷卻器與AAHX的組合對送入循環(huán)R5的室內(nèi)空氣進行熱回收或選用AWHX對進入循環(huán)R2的室外空氣進行預(yù)冷， 就組成了循環(huán)R3，所以循環(huán)R3制取的冷量大于循環(huán)R5和循環(huán)R2。循環(huán)R4選用的IE C 以室內(nèi)排風(fēng)為二次空氣，與選用室外空氣作為二次空氣的循環(huán)R5相比，能有效的利用室內(nèi)排風(fēng)濕球溫度較低的特點，使得送風(fēng)的溫度低，制冷 量大。對于中濕度地區(qū)，選 用IEC對循環(huán)R3的制冷性能的提升效果低于2.4%，所以選用循環(huán)R4更節(jié)能且制冷量更高。

6 結(jié)論

（1）選用全熱交換器對室內(nèi)排風(fēng)進行熱回收，有效地提升了循環(huán)C6的除濕性能和制冷量，使得循環(huán)C6的送風(fēng)濕度最低，系統(tǒng)熱力系數(shù)最高，最適 用于潮濕的南方氣候帶。

（2）選用REC作為空調(diào)部 件，可以實現(xiàn)將入口空氣的溫度降低到接近露點溫度，有效地提升循環(huán)C1的冷卻性能，使得循環(huán)C1送風(fēng)溫度最低，可用于南方地區(qū)的低溫送風(fēng)。

（3）選用AWHX對新風(fēng)進行預(yù)處理對提升循環(huán)C4性能的效果不明顯。

（4）選用IEC對室內(nèi)排風(fēng)進行熱回收，有效地提升了循環(huán)R4的制冷量。

（5）循環(huán)R1可應(yīng)用于西北干燥地區(qū)的低溫送風(fēng)。

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