1 引言
??? 濕度的獨(dú)立控制是建筑空調(diào)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。采用濕度的獨(dú)立控制不僅可避免采用表冷器除濕所造成的巨大的能源浪費(fèi)，提高制冷機(jī)運(yùn)行效率，而且一些新型替代性制冷技術(shù)如冷吊頂、相變蓄冷、和天然冷卻技術(shù)如深井水回灌取冷等就更易于在工程實(shí)際中得到推廣, 所帶來(lái)的節(jié)能、環(huán)保方面的意義是非常深遠(yuǎn)的。空調(diào)能耗占到國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗的1/3以上，而在華南地區(qū)亞熱帶氣候環(huán)境下，新風(fēng)帶來(lái)的潛熱負(fù)荷可以占到空調(diào)總負(fù)荷的20％－40％， 因此開發(fā)節(jié)能的新風(fēng)獨(dú)立除濕系統(tǒng)是建筑節(jié)能領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。
????? 將排濕和排除污染物的任務(wù)與排熱的要求分別處理，即通過(guò)送入清潔、干燥的空氣解決除濕、排除污染的要求，而余熱則可采用輻射或?qū)α鞣绞絾为?dú)處理，這應(yīng)該是未來(lái)綜合解決熱濕環(huán)境和空氣質(zhì)量的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)考慮的方式[1-2]。人體產(chǎn)濕量在200g/(h人)左右，如果室內(nèi)要求的濕度為12g/kg，送風(fēng)濕度差4-5g/kg，送風(fēng)濕度為7-8g/kg，露點(diǎn)為9-10.5°C，則每個(gè)人需要的送風(fēng)量為40-50kg/h，即33-42m3/人，這恰與排除一個(gè)人所產(chǎn)生的CO2量所要求的新風(fēng)量相同，這樣的新風(fēng)量也足 以滿足排除人體產(chǎn)生的其它污染物的要求。如果送風(fēng)溫差為5-6°C，這些風(fēng)量又恰好可排除人體發(fā)出的顯熱。
???? 本文提出四種獨(dú)立除濕系統(tǒng)，它們分別是：系統(tǒng)A，機(jī)械制冷＋熱泵；系統(tǒng)B，機(jī)械制冷＋顯熱回收；系統(tǒng)C，機(jī)械制冷＋膜法全熱回收；系統(tǒng)D，轉(zhuǎn)輪除濕＋熱泵系統(tǒng)。通過(guò)在華南氣候參數(shù)下的逐時(shí)模擬，分析了四種系統(tǒng)的能耗。
2 系統(tǒng)描述
????? 考慮四種獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)，分別是系統(tǒng)A，機(jī)械制冷＋熱泵；系統(tǒng)B，機(jī)械制冷＋顯熱回收；系統(tǒng)C，機(jī)械制冷＋膜法全熱回收；系統(tǒng)D，轉(zhuǎn)輪除濕＋熱泵系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的組成以及所對(duì)應(yīng)的焓濕圖分別如圖1-圖4所示。
????? 系統(tǒng)A是先用排風(fēng)流過(guò)熱泵冷凝器，以利于提高熱泵效率，新風(fēng)通過(guò)蒸發(fā)器冷卻除濕，然后通過(guò)冷凝器升溫供給室內(nèi)。冷凝溫度可運(yùn)行在45°C，而蒸發(fā)溫度為15°C，可以獲得較好的節(jié)能品質(zhì)。系統(tǒng)B是采用冷水盤管來(lái)冷卻除濕，除濕后的冷空氣通過(guò)一顯熱交換器與新風(fēng)進(jìn)行熱交換，在提高供風(fēng)溫度的同時(shí)對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷。系統(tǒng)C采用了基于高分子膜的全熱換熱器，首先在排風(fēng)和新風(fēng)間實(shí)現(xiàn)顯熱和潛熱的回收，然后新風(fēng)再送去冷卻除濕。系統(tǒng)D采用了除濕轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)新風(fēng)的除濕，由于轉(zhuǎn)輪需要再生，需要設(shè)置一個(gè)電加熱器。這種方式的問(wèn)題是送風(fēng)和排風(fēng)之間通過(guò)轉(zhuǎn)輪間隙而發(fā)生短路，從而導(dǎo)致交叉污染。
(a) (b)
圖1 機(jī)械制冷＋熱泵新風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(a)和焓濕圖(b).
(a) (b)
圖2 機(jī)械制冷＋顯熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(a)和焓濕圖(b)
3 模擬方法
蒸發(fā)盤管
蒸發(fā)盤管的性能由冷卻效率決定
eEva=[TA-TB]/[ TA-TEva] (1)
其中 T 是溫度(K), 下標(biāo)A, B, 和Eva 分別對(duì)應(yīng)A, B 點(diǎn)和蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度。模擬時(shí)假定蒸發(fā)器的效率是0.90。蒸發(fā)器空氣出口B點(diǎn) 的濕度由下式?jīng)Q定
fB=0.95 (2)
轉(zhuǎn)輪
應(yīng)用轉(zhuǎn)輪的目的是將空氣除濕，使空氣的狀態(tài)由B轉(zhuǎn)變到C。在除濕過(guò)程中，伴隨著濕度的減小，空氣的溫度上升。轉(zhuǎn)輪的工作狀態(tài)可以通過(guò)下面的Jurinak 模型來(lái)描述 [3]
(a) (a)
(b)
圖3 機(jī)械制冷＋膜法全熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(a)和焓濕圖(b).
(b)
圖4 轉(zhuǎn)輪除濕＋熱泵新風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(a)和焓濕圖(b).
(3)
(4)
(5)
(6)
其中下標(biāo)“s”和 “e” 分別代表 “供風(fēng)” 和 “排風(fēng)”；而“i” 和 “o” 分別代表“入口” 和“出口”。效率 hf1 和hf2 由生產(chǎn)廠家根據(jù)轉(zhuǎn)輪的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。
新風(fēng)供風(fēng)速度按每人每小時(shí) 45kg 提供。除濕轉(zhuǎn)輪的參數(shù)設(shè)定為：除濕劑質(zhì)量2.5kg； 蜂窩狀流道厚度0.2mm； 吸附劑有效質(zhì)量比0.7；轉(zhuǎn)輪厚度0.2m；轉(zhuǎn)速0.5rpm。轉(zhuǎn)輪性能系數(shù)hf1=0.29；hf2=0.85。
顯熱換熱器
采用傳統(tǒng)換熱器分析中的效率法，并假定冷熱流體的熱容相同，則D點(diǎn)的溫度由下式?jīng)Q定：
其中 eSen 是顯熱交換器的效率，可以由傳熱單元數(shù)法確定。在實(shí)際模擬時(shí)，可以假定換熱效率為一衡定值0.90。
蒸發(fā)冷卻器
???? 為了有效利用排風(fēng)側(cè)的空氣干度，利用一個(gè)蒸發(fā)冷卻器來(lái)冷卻排風(fēng)的溫度，然后讓它流過(guò)顯熱交換器實(shí)現(xiàn)熱量回收。采用的蒸發(fā)冷卻器裝有剛性結(jié)構(gòu)化填料，冷水在填料表面形成薄膜向下流動(dòng)，待冷卻空氣流過(guò)填料時(shí)，水分蒸發(fā)將空氣溫度降低。商品化的蒸發(fā)冷卻器的效率由下式表達(dá)
其中 TE 是進(jìn)入空氣的干球溫度，而TEwb 是入口空氣的濕球溫度； TE1 出口空氣的干球溫度。
因此E1點(diǎn)的溫度
(9)
飽和效率eC 通常在0.7-0.9 的范圍之內(nèi)。
加熱盤管
空氣的加熱在冷凝器或電加熱器中進(jìn)行，如果空氣在冷凝器中加熱，則加熱效率可以表示為
eCon=[TG-TF]/[ TF-TCon] (10)
其中T 是溫度 (K)，下標(biāo)G, F, 和Con 表示點(diǎn) G, F 和冷凝器。通常假定加熱效率為0.85。 如果采用電加熱器，則電加熱的功率
其中 qEle1 是電功率(kW),
熱泵/制冷系統(tǒng)
在新風(fēng)系統(tǒng)中，冷卻盤管是同時(shí)作為熱泵的蒸發(fā)器使用的，而加熱盤管是作為熱泵的冷凝器。熱泵系統(tǒng)的效率隨著運(yùn)行條件的不同而有差異，它可以由下式表達(dá)
(12)
其中qCon 是冷凝器散發(fā)的熱量(kW), qEle2 是壓縮機(jī)消耗的功率(kW)。
膜式全熱換熱器
???? 系統(tǒng)C采用了基于膜的全熱換熱器，它的熱交換效率由二個(gè)效率決定：顯熱交換效率 (eS) 和潛熱交換效率(eL)。出口空氣的溫度和濕度由下式?jīng)Q定：
按照筆者以前的分析[4]，采用所開發(fā)的基于膜的全熱換熱器，顯熱效率和潛熱效率分別等于0.8 和 0.7.
空調(diào)工程中的風(fēng)機(jī)和泵所消耗的功率是非常驚人的，他們的功耗由下式近似
Fan (pump) power=VaDp/(3600hf) (W) (15)
其中 Va 是空氣（水）的體積流量 (m3/h)，Dp 是總壓降(Pa)，hf 是泵或風(fēng)機(jī)的效率。
模擬過(guò)程以廣州地區(qū)為背景，送風(fēng)時(shí)間為9:00 到18:00。 為了將所有能耗的形式歸納起來(lái)進(jìn)行比較，將所有電耗乘以系數(shù) 3.3轉(zhuǎn)化為一次能源。
4 結(jié)果與討論
????? 熱泵（制冷系統(tǒng)）的性能同環(huán)境狀況密不可分，圖5是逐時(shí)模擬出的全年性能系數(shù)，可以看出制冷系統(tǒng)全年的性能變化。為了比較各種方案，將各種系統(tǒng)在廣州氣候條件下全年消耗的一次能源畫在圖6中，可以看出，在四種系統(tǒng)中，系統(tǒng)C即機(jī)械制冷＋膜法全熱回收全年消耗的能源最小，但總的說(shuō)來(lái)，由于四種系統(tǒng)都采取了節(jié)能措施，所以四種系統(tǒng)的能耗基本在一個(gè)數(shù)量級(jí)。
?????? 圖7顯示了系統(tǒng)C在全年不同月份的人均除濕能耗，在華南亞熱帶熱濕氣候環(huán)境下，幾乎全年都需要除濕，月除濕能耗值在1.5e5 kJ 到5.3e5 kJ 之間。能耗最小的月份是一月，而能耗最多的月份是八月。
圖5 熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)變化
圖6 不同系統(tǒng)人均全年除濕能耗
圖7 不同系統(tǒng)不同月份的人均除濕能耗
5 結(jié)論
????? 為了滿足獨(dú)立除濕系統(tǒng)開發(fā)的需要，本文評(píng)估了四種系統(tǒng)的全年能耗，結(jié)果表明，所提出的四種系統(tǒng)由于采用了能量回收措施，于傳統(tǒng)無(wú)能量回收措施的除濕方案相比，可以節(jié)能29-42%。 機(jī)械除濕加膜全熱回收系統(tǒng)的全年能耗最小，其值為4.4e6 kJ 每人。
參考文獻(xiàn)：
[1] 江億. 暖通空調(diào), 2003, 33: 4-7.
[2] Niu JL, Zhang LZ, Zuo HG. Energy and Buildings, 2002, 34(5): 487-495.
[3] Zhang LZ, Niu JL. Applied Thermal Engineering, 2002, 22(12): 1347-1367.
[4] Niu JL, Zhang LZ. Journal of membrane science, 2001, 189(2): 179-191.
本項(xiàng)目由國(guó)家自然科學(xué)基金資助 （50306005） 作者：張立志
