除濕冷凝水回收在除濕機(jī)溫濕度控制中的應(yīng)用效果探析

徐偉 易巍 田志剛 譚志勇 李迎春 黃國(guó)斌

摘 要：以北京大興機(jī)場(chǎng)除濕機(jī)為例，分析了冷凝水回收對(duì)除濕機(jī)溫濕度的影響，并探討了冷凝水回收系統(tǒng)的節(jié)能效果。隨著進(jìn)水溫度的升高，空調(diào)系統(tǒng)制冷量及整體除濕量均會(huì)下降，而使用回收冷凝水，每天每臺(tái)除濕機(jī)可以節(jié)約冷卻塔能耗2.86 kWh。該研究可以為綠色機(jī)場(chǎng)溫濕度控制的實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：除濕冷凝水;溫濕度控制;節(jié)能;制冷系統(tǒng);空調(diào)系統(tǒng)

0? ? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的無節(jié)制開發(fā)和消耗，不僅嚴(yán)重破壞了全球的生態(tài)環(huán)境，而且抑制了全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。據(jù)了解，建筑總能耗占全社會(huì)總能耗的1/3，其中，空調(diào)能耗在建筑能耗中占比高達(dá)50%[2]。除濕作為降低能耗非常重要的一部分，受到行業(yè)越來越多學(xué)者的關(guān)注[3]。機(jī)場(chǎng)作為重要的交通樞紐，在我國(guó)的綠色節(jié)能建設(shè)中具有非常關(guān)鍵的作用。因此，國(guó)家對(duì)于機(jī)場(chǎng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求會(huì)更高[4]。相關(guān)研究表明，機(jī)場(chǎng)的干燥環(huán)境對(duì)于飛機(jī)的安全降落十分重要[5]。要想合理地使用機(jī)場(chǎng)的地下空間，必須有效解決機(jī)場(chǎng)地下的除濕問題。作為除濕的關(guān)鍵工具，除濕機(jī)因水汽化潛熱高，其經(jīng)常處于高能耗狀態(tài)[6]。為此，有學(xué)者提出了復(fù)合除濕節(jié)能方案，針對(duì)空氣質(zhì)量流量、溫度和濃度3個(gè)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，除濕系統(tǒng)的性能提高了27.54%[7]。目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)除濕機(jī)調(diào)溫的研究相對(duì)較少，大量冷凝水直接排放，不僅污染了環(huán)境，還浪費(fèi)了較多的水資源[8]，因此，研究除濕機(jī)組冷凝水回收在除濕機(jī)溫濕度控制和節(jié)能中的效果意義重大。

1? 除濕機(jī)組原理與理論分析

1.1? ?除濕機(jī)工作原理

除濕機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括電源、壓縮機(jī)、水冷冷凝器、蒸發(fā)器、視液鏡、風(fēng)冷冷凝器、貯液器和節(jié)流部件。室外的空氣經(jīng)過壓縮機(jī)后被壓縮成高溫高壓的氣體，經(jīng)過排氣孔后進(jìn)入水冷冷凝器，在冷凝器中部分氣體實(shí)現(xiàn)了熱量的交換，變成了液體進(jìn)入了風(fēng)冷冷凝器，最后進(jìn)入到蒸發(fā)器中，實(shí)現(xiàn)熱量的蒸發(fā)，之后處理的液體又會(huì)進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)中，不斷降低熱源形成冷卻水[9]。除濕機(jī)是通過低溫蒸發(fā)器來降低空氣的濕度，蒸發(fā)器由于一直處于蒸發(fā)吸熱的狀態(tài)，隨著溫度的不斷降低，聚集的水會(huì)越來越多，空氣中的水不斷從不飽和狀態(tài)到飽和狀態(tài)，析出更多的水資源，有效地降低了外界空氣中水汽的含量，從而達(dá)到降低空氣濕度的目的[10]。

1.2? ?冷凝水調(diào)節(jié)理論分析

從除濕機(jī)的結(jié)構(gòu)中可以看出，其主要借助控制進(jìn)出口的溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)室外空氣濕度的控制，一般進(jìn)風(fēng)口的干球溫度為15～35 ℃，出風(fēng)溫度可以維持在±1 ℃，出風(fēng)干球溫度為±2 ℃，蒸發(fā)器的溫度越低，產(chǎn)生的冷凝水量就會(huì)越多。所以，我們?nèi)绻麑⒂烧舭l(fā)器產(chǎn)生的冷凝水混合到冷卻水中，就可以有效地降低冷凝器中的溫度。冷凝溫度變化時(shí)系統(tǒng)理論循環(huán)壓焓圖如圖2所示。在蒸發(fā)溫度t0不變的情況下，當(dāng)冷凝溫度由tk′下降到tk時(shí)，制冷循環(huán)由1-2′-3′-4′-1變?yōu)?-2-3-4-1。在上述除濕機(jī)中包含一個(gè)水冷冷凝器和風(fēng)冷冷凝器，這兩個(gè)冷凝器借助一根管道連接起來，當(dāng)冷凝器中的溫度上升時(shí)，除濕器整體的性能系數(shù)會(huì)不斷下降，當(dāng)冷凝器中的溫度降低時(shí)，除濕器整體的性能系數(shù)就會(huì)不斷增大。

2? 應(yīng)用效果實(shí)驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證本文提出理論的可行性，我們對(duì)冷凝水的回收在除濕機(jī)溫濕度控制中的應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)是在3月份進(jìn)行的，除濕機(jī)組溫度范圍設(shè)置為10～43 ℃，固定進(jìn)風(fēng)干球溫度設(shè)置為 32 ℃，相對(duì)濕度設(shè)置為61%，進(jìn)水溫度設(shè)置為30 ℃，出水溫度設(shè)置為 35 ℃，在上述條件下進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，并收集冷凝水，冷凝水溫度范圍為 10～15 ℃。對(duì)于除濕機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)，主要根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《除濕機(jī)》（GB/T 19411—2003）和《全新風(fēng)除濕機(jī)》（GB/T 20109—2006）進(jìn)行測(cè)試[11]。溫濕度測(cè)量使用露點(diǎn)濕球溫濕度計(jì)（華圖公司HE71x系列），采用德圖風(fēng)速儀器（Testo 425）來測(cè)量空氣流速，具體如圖3所示。

除濕機(jī)在陜西省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心進(jìn)行性能檢測(cè)，該檢驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)室依據(jù)GB/T 10870—2001和 GB/T 18430.1—2007 設(shè)計(jì)、建造。在進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)干球溫度為32 ℃、相對(duì)濕度61%的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，待實(shí)驗(yàn)室中除濕機(jī)的干濕球溫度達(dá)到恒定狀態(tài)后，且機(jī)組的冷凝水穩(wěn)定流出后，放置一個(gè)木桶用于收集冷凝水，持續(xù)收集1 h，采用相應(yīng)的測(cè)定方法檢測(cè)除濕機(jī)的功率、電壓、電流和溫度;處理完成之后使用電子秤（TGT-100）進(jìn)行稱重，之后再將收集的冷凝水倒掉重新稱重，從而計(jì)算出實(shí)際收集冷凝水的質(zhì)量，多次后取平均值作為冷凝水的出水溫度，當(dāng)取完冷凝水后選取合適的處理時(shí)間段，每隔5 min采集一次除濕機(jī)的性能數(shù)據(jù)，接著間隔2 ℃對(duì)機(jī)組的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，一共采集8組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[12]。

3? 應(yīng)用效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1? 除濕機(jī)組性能分析

如圖4所示，隨著冷卻水進(jìn)水溫度的不斷升高，電源電壓出現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢(shì)，而電機(jī)電流和輸入功率則呈現(xiàn)小幅升高的趨勢(shì)。在相同實(shí)驗(yàn)工況下，冷卻水進(jìn)水溫度的降低可適當(dāng)減少機(jī)組的功耗，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的。隨著不同冷卻水進(jìn)水溫度的提高，除濕機(jī)的整體進(jìn)水溫度和出水溫度明顯提升，而進(jìn)出風(fēng)的干球和濕球溫度基本保持不變，其中進(jìn)風(fēng)干球溫度最高，達(dá)32 ℃左右。對(duì)于除濕機(jī)的除濕量而言，出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，但是當(dāng)冷卻水溫度為32 ℃時(shí)則出現(xiàn)了短暫的升高現(xiàn)象。對(duì)于壓縮機(jī)的制冷量而言，隨著冷卻水溫度的升高，制冷量不斷降低，且溫度越高減小的幅度也相對(duì)較大。理論上在蒸發(fā)溫度一定的情況下，冷凝溫度越低，機(jī)組制冷量越大，但是在實(shí)際應(yīng)用中機(jī)組的制冷量是有所偏差的，并不能一直保持增大狀況。因?yàn)?，?duì)于系統(tǒng)來說，一般為了保證整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行工況，機(jī)組的運(yùn)行壓力不能太低，尤其低壓部分不能偏離設(shè)計(jì)壓力太多，低壓部分壓力太低會(huì)增大壓縮機(jī)的壓縮比，使排氣溫度升高，從而影響系統(tǒng)的制冷量。同時(shí)，壓縮機(jī)出廠時(shí)廠家一般也都會(huì)提出壓縮機(jī)使用溫度范圍的建議，若超出機(jī)組的應(yīng)用范圍并不能起到預(yù)想的效果。所以，在機(jī)組運(yùn)行中，不能一味地考慮降低冷凝溫度，應(yīng)盡量使其在性能最優(yōu)的工況下運(yùn)行，這樣才能更好地發(fā)揮機(jī)組的制冷效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。

3.2? 冷凝水節(jié)能分析

對(duì)于冷凝水的節(jié)能效果分析，我們首先假設(shè)冷凝水溫度為 14 ℃，空氣與液體的換熱溫差為 6 ℃，那么一臺(tái)除濕機(jī)可以回收的冷凝水的量Q為：

Q=60×4.2×6÷3.6=420 W

假設(shè)冷卻塔的風(fēng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行功率為 1.5 kW，空氣與液體的換熱溫差為8 ℃，那么除濕風(fēng)機(jī)的換熱量Q1為：

Q1=1.01×1.127×8×7 500÷3 600

≈18.97 kW

當(dāng)除濕機(jī)中的所有冷凝水得到有效的回收和利用后，除濕風(fēng)機(jī)能夠提供的固定的換熱量Q2為：

Q2=Q1-Q=18.97-0.42=18.55 kW

那么除濕冷凝水回收后，機(jī)場(chǎng)在一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的情況下，一天可節(jié)省的電量W為：

W=（1.5-18.55×1.5÷18.97）×3.6×24

≈2.86 kWh

由于本項(xiàng)目屬于機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目，通風(fēng)除濕系統(tǒng)需全年運(yùn)行，則年節(jié)省耗電量W1為 ：

W1=2.86×365=1 043.9 kWh

從上述結(jié)果可以看出，使用冷凝水回收后，除濕機(jī)的輸入功率減小了，整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率得到了有效提升，通過有效地利用冷凝水達(dá)到了節(jié)能的目的，這對(duì)于機(jī)場(chǎng)的建設(shè)至關(guān)重要，可以減少較多的能源消耗和運(yùn)行成本。

3.3? 除濕溫濕度控制

如圖 5 所示，對(duì)比干球溫度16 ℃、20 ℃、24 ℃和28 ℃在不同的出風(fēng)時(shí)間下的出風(fēng)溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著出風(fēng)時(shí)間的增加，機(jī)組的出風(fēng)溫度變化趨勢(shì)相對(duì)平緩，均在控制偏差允許的范圍內(nèi)。且隨著出風(fēng)溫度的升高，除濕機(jī)的溫度控制范圍不斷增大，溫度的波動(dòng)范圍不斷減小。但是對(duì)比原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，從中可以看出，進(jìn)風(fēng)溫度以及機(jī)組控制程序的變化均會(huì)影響到機(jī)組的出風(fēng)溫度。本次實(shí)驗(yàn)在干球溫度為28 ℃時(shí)，相比原始出風(fēng)溫度發(fā)生了較大的波動(dòng)，究其原因可能在于控制系統(tǒng)與實(shí)際處理之間存在時(shí)差，導(dǎo)致發(fā)出的命令并沒有被有效執(zhí)行。但從整體的角度來看，整個(gè)除濕機(jī)組的溫度控制系統(tǒng)是有效的。

從不同干球溫度下的出風(fēng)時(shí)間與相對(duì)濕度變化情況（圖 6）可以看出，相對(duì)濕度的變化并沒有得到明顯改善，且與控制程序設(shè)定的60%±5%的精度稍有偏差。由于濕度控制的波動(dòng)范圍明顯大于溫度，故濕度的控制精度稍差于溫度的控制精度，但改變控制程序后的濕度波動(dòng)相對(duì)較小，尤其是隨著干球溫度的升高，相對(duì)濕度趨于穩(wěn)定，因此整體來說該控制程序是合理的。

該系統(tǒng)采用的是分別控制出風(fēng)溫度和濕度的雙通道分離控制程序，可使除濕機(jī)組溫濕度控制精度不能兼顧的問題得到根本改善。但由于該機(jī)組設(shè)計(jì)用風(fēng)冷冷凝器進(jìn)口處的旁通流量調(diào)節(jié)閥為電磁閥，不能實(shí)現(xiàn)制冷劑旁通量的連續(xù)可調(diào)，所以，即使控制程序采用趨勢(shì)控制系統(tǒng)也會(huì)因電磁閥的頻繁啟閉影響到出風(fēng)溫濕度。

3.4? 冷凝水對(duì)溫濕度的影響

當(dāng)冷凝水進(jìn)水溫度較低時(shí)，水量的變化對(duì)出風(fēng)溫度的變化影響較大，冷凝水進(jìn)水溫度越低，除濕機(jī)調(diào)溫作用越強(qiáng)。在除濕機(jī)冷凝水應(yīng)用技術(shù)研究中，將冷凝水用于新風(fēng)預(yù)冷能夠?qū)崿F(xiàn)較好的節(jié)能效果。此外，隨著冷卻水溫度的降低，壓縮機(jī)的出風(fēng)溫度也在不斷降低，對(duì)于串聯(lián)型調(diào)溫除濕機(jī)，通過降低冷卻水進(jìn)水溫度可以達(dá)到一定的控溫和降耗作用。通過將冷凝水與冷卻水的混合進(jìn)而控制出風(fēng)溫度和濕度的變化是可行的，因?yàn)殡S著冷凝水與冷卻水的混合，液體的溫度不斷降低，這樣水冷冷凝器的散熱減小，除濕機(jī)出風(fēng)的溫度波動(dòng)就會(huì)不斷降低，加上壓縮機(jī)的加載和電磁閥的開閉，可以有效地達(dá)到控制出風(fēng)溫度和濕度的要求，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)除濕機(jī)的控制。該方案既可以實(shí)現(xiàn)能源的再利用，又可以有效地提高機(jī)組的性能，是一種低成本、綠色、環(huán)保的方案。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)場(chǎng)地下空間除濕問題，通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，分析了在不同冷凝水溫度下除濕機(jī)組的性能，并對(duì)冷凝水回收系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行了分析，最終我們將除濕機(jī)中的冷凝水與冷卻水混合，以優(yōu)化系統(tǒng)性能，達(dá)到節(jié)約能源的目的。該方案既能實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凝水的充分利用，又可以有效地提升除濕機(jī)的性能，可為綠色機(jī)場(chǎng)建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。但是目前我們所做的工作還存在以下問題：首先，本文設(shè)置的出風(fēng)溫度，僅僅在固定值下進(jìn)行測(cè)試，并沒有考慮不同的出風(fēng)溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，后續(xù)需要多做幾組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比;其次，本文對(duì)于冷凝水的回收對(duì)除濕溫濕度的影響分析還不夠深入，沒有通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)來證明這一理論。下一步我們會(huì)針對(duì)這兩個(gè)方面開展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

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收稿日期：2021-02-19

作者簡(jiǎn)介：徐偉（1963—），男，北京人，高級(jí)工程師，研究方向：暖通空調(diào)系統(tǒng)。