低位熱驅(qū)動的工業(yè)建筑除濕降溫空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用研究

周葦杭 殷勇高 程小松 陳九法

(1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室 南京 210096；2 南京紫金山智慧城市研究院 南京 210000)

全球能源投入總量的23%～53%以余熱的形式排放，余熱具有極大的回收利用潛力，回收余熱能夠有效提高能源利用效率[1-2]，對節(jié)能環(huán)保以及我國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。目前，學(xué)者們在余熱回收利用方面進(jìn)行了很多研究，有眾多應(yīng)用案例[3-4]。但余熱的品位越低，回收利用的難度越大，尤其是80 ℃以下的余熱資源，難以高效、低成本的進(jìn)行回收利用。

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)是將空氣溫度和濕度分開處理的一種空氣調(diào)節(jié)形式，與常規(guī)系統(tǒng)相比能夠更好的對建筑熱濕環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，且節(jié)能潛力顯著[5-7]。將溶液除濕技術(shù)與吸收式制冷技術(shù)相結(jié)合，可以構(gòu)成溫濕度獨立控制的空調(diào)系統(tǒng)，使用該類技術(shù)也是對余熱進(jìn)行有效回收利用的途徑之一[8-12]。眾多學(xué)者對溶液除濕與吸收式制冷的耦合系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，Xu Cong等[13]提出一種低品位熱驅(qū)動的空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的驅(qū)動熱源為90 ℃，利用冷凍水對除濕溶液進(jìn)行降溫，除濕溶液再對空氣的溫濕度進(jìn)行處理，吸收式制冷子系統(tǒng)的性能系數(shù)COP(coefficient of performance)最高可達(dá)0.85。Su Wei等[14]提出一種壓縮-吸收式制冷與溶液除濕耦合的空調(diào)系統(tǒng)，除濕溶液可由壓縮-吸收式制冷系統(tǒng)的冷凝熱驅(qū)動再生，而由于壓縮機的存在，吸收式制冷系統(tǒng)的發(fā)生溫度可由100 ℃降至60 ℃。Xu Aixiang等[15]提出一種余熱深度利用的空調(diào)系統(tǒng)，150 ℃熱水可被利用至90 ℃，系統(tǒng)最大COP為0.6。在工質(zhì)對方面，吸收式制冷系統(tǒng)使用最成熟的工質(zhì)對為LiBr/H2O[16]，為降低工質(zhì)成本并提高系統(tǒng)性能，很多學(xué)者對NH3/LiNO3、NH3/NaSCN、離子液體及多元工質(zhì)對進(jìn)行了研究[17-18]。溶液除濕工質(zhì)對以LiCl/H2O、LiBr/H2O等研究較多，而多元工質(zhì)對如LiBr/CaCl2、LiCl/CaCl2也是單一工質(zhì)較好的低成本替代方案[19-20]。

本文提出一種低位熱驅(qū)動的工業(yè)建筑除濕降溫空調(diào)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于實際工程中。該系統(tǒng)由高溫冷水機組子系統(tǒng)和溶液除濕新風(fēng)機組子系統(tǒng)組成，高溫冷水機組負(fù)責(zé)處理空氣的顯熱負(fù)荷，溶液除濕新風(fēng)機組負(fù)責(zé)處理空氣的潛熱負(fù)荷。由于應(yīng)用了熱濕解耦處理技術(shù)，顯著提高了冷水機組蒸發(fā)溫度，降低了對工質(zhì)蒸氣壓等的要求，使CaBr2等蒸氣壓相對LiBr較高但成本相對更低的工質(zhì)有利用的空間。因此，高溫冷水機組采用CaBr2/LiCl多元工質(zhì)對，溶液除濕新風(fēng)機組采用LiCl/CaCl2多元工質(zhì)，對該系統(tǒng)在工業(yè)余熱回收利用中的實際效果和系統(tǒng)的實際性能進(jìn)行分析與評估。

1 空調(diào)系統(tǒng)概況介紹

1.1 系統(tǒng)原理

低位熱驅(qū)動的工業(yè)建筑除濕降溫空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)驅(qū)動熱源為工業(yè)建筑生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣余熱，熱水可以通過吸收煙氣余熱升溫至約80 ℃。該系統(tǒng)的主要循環(huán)回路包括熱水回路、冷凍水回路、冷卻水回路、除濕溶液回路和冷水機組內(nèi)部循環(huán)回路。

1高溫冷水機組；2熱水泵；3冷卻水泵；4冷凍水泵；5～7溶液泵；8溶液加熱器；9溶液-溶液換熱器；10溶液冷卻器；11溶液回?zé)崞鳎?2～13節(jié)流閥；14～15風(fēng)機。圖1 低位熱驅(qū)動的工業(yè)建筑除濕降溫空調(diào)系統(tǒng)Fig.1 Low-grade heat-driven industrial building dehumidification and cooling air-conditioning system

熱水回路：熱水先送入冷水機組的發(fā)生器中驅(qū)動溶液的發(fā)生過程，后進(jìn)入再生器側(cè)的溶液加熱器對除濕溶液進(jìn)行加熱，再返回?zé)煔庥酂峄厥昭b置由煙氣將熱水重新加熱升溫。

冷凍水回路：冷凍水回路連接冷水機組的蒸發(fā)器和溶液除濕新風(fēng)機組的表冷器，冷凍水從冷水機組的蒸發(fā)器中獲取冷量后，進(jìn)入表冷器對除濕后的空氣進(jìn)行降溫。

冷卻水回路：冷卻水回路分為兩路，第一路冷卻水經(jīng)由除濕器側(cè)的溶液冷卻器，對除濕溶液進(jìn)行降溫，以達(dá)到更好的除濕效果。第二路冷卻水先后流經(jīng)冷水機組的吸收器和冷凝器，通過控制吸收溫度從而更好的吸收制冷劑蒸氣并使冷凝器中的制冷劑蒸氣進(jìn)行冷凝。

除濕溶液回路：除濕溶液從除濕器頂端噴淋至填料表面，對室外新風(fēng)進(jìn)行濕度處理后，由溶液泵將部分溶液繼續(xù)送入除濕器進(jìn)行除濕，另一部分溶液依次經(jīng)過溶液-溶液熱交換器與溶液加熱器后進(jìn)入再生器進(jìn)行再生，再生后的除濕溶液送回除濕器。

冷水機組內(nèi)部循環(huán)回路：冷水機組發(fā)生器內(nèi)的濃溶液先流入溶液-溶液熱交換器與來自吸收器的稀溶液進(jìn)行換熱降溫，后流入吸收器吸收制冷劑蒸氣，使溶液濃度降低，再將稀溶液送入發(fā)生器并噴淋至換熱管上進(jìn)行發(fā)生濃縮，發(fā)生器內(nèi)的水蒸氣由于壓差作用進(jìn)入冷凝器并進(jìn)行冷凝，冷凝后的制冷劑通過膨脹閥噴淋至蒸發(fā)器換熱管上，制冷劑汽化從而吸收冷凍水帶回的熱量，之后制冷劑蒸氣由于壓差的作用，進(jìn)入吸收器被溶液吸收，至此完成冷水機組的內(nèi)部循環(huán)。

圖2 機組實物Fig.2 Physical map of unit

1.2 系統(tǒng)運行模式

高溫冷水機組與溶液除濕新風(fēng)機組實物如圖2所示。該系統(tǒng)有4個運行模式：除濕降溫模式，即啟動冷水機組及溶液除濕新風(fēng)機組，對空氣溫度與濕度進(jìn)行處理；降溫模式，即啟動冷水機組，對空氣溫度進(jìn)行處理；除濕模式，即啟動溶液除濕新風(fēng)機組，對空氣濕度進(jìn)行處理；通風(fēng)模式，該模式下只需啟動風(fēng)機即可實現(xiàn)對車間的通風(fēng)，從而改善車間空氣質(zhì)量。在該工程應(yīng)用中，主要對空氣溫濕度，熱水、冷凍水、冷卻水的流量及溫度進(jìn)行監(jiān)測，測量設(shè)備規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 測量設(shè)備規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specifications of measuring equipment

2 性能評估方法

2.1 冷水機組性能系數(shù)

COP是評價冷水機組的關(guān)鍵指標(biāo)，本文將其定義為制冷量Qe與耗熱量Qg及電功率W之和的比值：

(1)

冷水機組的Qe與Qg分別由式(2)和式(3)計算：

Qe=mw,chilcp,w(tw,chil,in-tw,chil,out)

(2)

Qg=mw,hotcp,w(tw,hot,in-tw,hot,out)

(3)

式中：W為冷水機組溶液泵等輔助設(shè)備電功率之和，kW；mw,chil為冷凍水質(zhì)量流量，kg/s；cp,w為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；tw,chil,in、tw,chil, out分別為冷凍水回水、出水溫度，℃；mw,hot為熱水質(zhì)量流量，kg/s；tw,hot,in、tw,hot,out分別為冷水機組熱水進(jìn)、出口溫度，℃。

2.2 除濕效率與再生效率

溶液除濕與再生的性能可通過除濕效率及再生效率來衡量。除濕效率ηd定義為除濕器中被處理空氣的實際含濕量變化值與空氣理論上最大含濕量變化值的比值，再生效率ηv定義為再生器中空氣的實際含濕量變化值與再生空氣理論上最大含濕量變化值的比值，計算方法如下：

(4)

(5)

式中：ωa,deh,in、ωa,deh,out為分別為除濕器進(jìn)、出口空氣含濕量；ωe,deh為除濕器進(jìn)口溶液的等效含濕量；ωa,reg,in、ωa,reg,out分別為再生器進(jìn)、出口空氣含濕量；ωe,reg為再生器進(jìn)口溶液的等效含濕量。上述含濕量單位均為g/(kg干空氣)。

3 結(jié)果與分析

3.1 冷水機組實時運行參數(shù)分析

冷水機組運行過程中熱水進(jìn)、出口溫度的變化如圖3所示。由圖3可知，熱水進(jìn)口溫度最高為82.7 ℃，最低為67.9 ℃，溫度在此區(qū)間內(nèi)呈周期波動。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是工廠電爐運行過程中要不斷上料和下料，使產(chǎn)生煙氣的量及溫度均會有所波動，從而導(dǎo)致熱水溫度產(chǎn)生周期波動的現(xiàn)象。熱水出口溫度相對較為穩(wěn)定，出口溫度在56.7～62.7 ℃之間波動, 冷水機組平均熱源利用溫差為16.6 ℃，最大熱源利用溫差高達(dá)20.7 ℃。

圖3 冷水機組熱水溫度Fig.3 Hot water temperature of the chiller

圖4所示為冷水機組運行過程中發(fā)生溫度和冷卻水進(jìn)口溫度的變化。由圖4可知，發(fā)生溫度在13∶30以前保持在63～66 ℃之間，對照圖3可知，該段時間熱水進(jìn)口溫度保持在75 ℃以上，熱水出口溫度在60 ℃以上，發(fā)生溫度變化與之相對應(yīng)。13∶30以后，發(fā)生溫度呈波動下降趨勢，由63.8 ℃降至58.2 ℃，這是由于熱水進(jìn)口溫度波動下降至67.9 ℃，此時熱水出口溫度也降至56.7 ℃。運行時間段內(nèi)冷卻水進(jìn)口平均溫度為31 ℃且較為穩(wěn)定，因此保證了機組的冷凝效果。

圖4 冷水機組發(fā)生溫度及冷卻水進(jìn)口溫度Fig.4 Generation temperature and cooling water inlet temperature of the chiller

冷水機組冷凍水出水、回水溫度以及空氣送風(fēng)溫度如圖5所示，冷凍水出水溫度保持在15.1～16.3 ℃范圍內(nèi)，由于溶液的蓄能特性，即使在熱源溫度波動很大的情況下，仍然可以輸出溫度相對穩(wěn)定的高溫冷凍水，冷凍水回水溫度約為19 ℃，送風(fēng)溫度保持在約22 ℃。

圖5 冷凍水溫度及送風(fēng)溫度Fig.5 Chilled water temperature and supply air temperature

3.2 冷水機組實際運行性能分析

冷水機組運行時制冷量和耗熱量的實時變化情況如圖6(a)所示。由圖6(a)可知，制冷量在35.2～42.4 kW范圍內(nèi)變化，總體趨勢相對平穩(wěn)。這是因為冷水機組溶液的蓄能特性，在熱源溫度高時可以產(chǎn)生更高濃度的溶液，即使熱源溫度下降難以維持溶液的發(fā)生，高濃度的溶液也能持續(xù)一段時間維持吸收器腔體壓力在一個較低的水平，不斷吸收蒸發(fā)器產(chǎn)生的制冷劑蒸氣、保持蒸發(fā)溫度，提供滿足需求的制冷量。

機組的實時耗熱量呈周期波動，機組耗熱量較高時，有較高的發(fā)生溫度，從而發(fā)生速率更快，發(fā)生器出口的溶液濃度也處于較高水平，該段時間發(fā)生器所產(chǎn)生制冷劑蒸氣的量大于吸收器所吸收制冷劑蒸氣的量，溶液濃度上升；機組耗熱量較低時，發(fā)生溫度有所下降，該段時間發(fā)生器所產(chǎn)生制冷劑蒸氣的量小于吸收器所吸收制冷劑蒸氣的量，溶液濃度呈下降趨勢；溶液濃度的變化在一個周期之內(nèi)形成動態(tài)平衡。造成耗熱量波動很大的原因在前文已說明，與工廠的生產(chǎn)過程密切相關(guān)。

由于冷水機組的溶液蓄能特性以及較大的耗熱量波動，實時COP處于波動狀態(tài)。為便于定量描述機組的性能，將COP定義為一個波動周期內(nèi)總制冷量與總耗熱量及電功率之和的比值(耗熱量波動周期為40～50 min)，其中機組及輔助設(shè)備的電功率為1.7 kW。上述評估方法可以降低機組溶液蓄能對COP的影響。冷水機組COP實時變化如圖6(b)所示，COP最大為0.73，最小為0.64，機組平均COP為0.69，總體呈上升趨勢。機組運行前期COP較低的原因是此時耗熱量不僅用于滿足機組的制冷需求，還用于提高吸收器腔體內(nèi)的溶液濃度。當(dāng)溶液濃度上升至一定值后，耗熱量全部用于匹配機組的制冷需求。14∶00以后，熱水進(jìn)口平均溫度逐漸降低，而COP仍維持在較高水平，主要原因是:1)冷卻水溫度從31.5 ℃持續(xù)降至30 ℃，機組的冷卻條件更好；2)機組溶液蓄能發(fā)揮了作用，在熱水溫度較高時通過提高溶液濃度進(jìn)行蓄能，在熱水溫度降低時進(jìn)行了能量釋放。

圖6 冷水機組實際運行性能Fig.6 Actual performance of the chiller

3.3 溶液除濕與再生性能分析

溶液除濕新風(fēng)機組的除濕性能如圖7(a)所示。新風(fēng)含濕量的平均值為19.4 g/(kg干空氣)，經(jīng)除濕后，送風(fēng)含濕量平均值可降至11.9 g/(kg干空氣)，機組的平均除濕效率為61.2%。機組的再生性能如圖7(b)所示，再生空氣出口含濕量在26.2～29.1 g/(kg干空氣)之間波動，再生效率在25.4%～32.2%之間波動，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是熱源溫度的變化對溶液的蒸氣壓影響較大，導(dǎo)致溶液的再生效率產(chǎn)生一定波動。

圖7 除濕與再生性能Fig.7 Performance of dehumidification and regeneration

4 結(jié)論

本文設(shè)計并建造了一種低位熱驅(qū)動的工業(yè)建筑除濕降溫空調(diào)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的實際性能進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1)系統(tǒng)在熱源溫度呈周期波動且均值為77.2 ℃的條件下，冷水機組的平均COP為0.69、熱源利用溫差為16.6 ℃，冷水機組可提供15.1～16.3 ℃的高溫冷凍水，實現(xiàn)對工業(yè)建筑熱環(huán)境的有效調(diào)控。

2)溶液除濕新風(fēng)機組可將新風(fēng)含濕量從19.4 g/(kg干空氣)處理至11.9 g/(kg干空氣)，在實際應(yīng)用中的平均除濕效率為61.2%，再生效率為29.2%。