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转轮除湿复合空调系统
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内容提示：转轮除湿与机械制冷相结合的复合空调系统中，湿负荷由热量来承担、可有效地提高系统的经济性，降低能耗。本文介绍了一种天然气发动机直接驱动制冷与转轮除湿相结合的复合空调系统，并与常规冷冻减湿系统进行了比较。计算结果表明，空调系统的湿负荷越大，复合系统的优势越明显。
摘要：转轮除湿与机械制冷相结合的复合空调系统中，湿负荷由热量来承担、可有效地提高系统的经济性，降低能耗。本文介绍了一种天然气发动机直接驱动制冷与转轮除湿相结合的复合空调系统，并与常规冷冻减湿系统进行了比较。计算结果表明，空调系统的湿负荷越大，复合系统的优势越明显。（参考《建筑中文网》）
关键词：除湿 转轮 复合空调 能耗 湿负荷
一、前言
利用除湿材料(desiccant)的亲水性来处理潮湿空气的除湿技术(desiccant dehumidification)，现已广泛应用于对湿度要求较高的生产车间、仓库以及要求空气湿度较低的场合，如锂电池生产、聚酯切片生产等。除湿转轮是其中一种结构紧凑、性能好、应用广泛的设备，含有除湿材料的转芯在微型马达的驱动下，交替地暴露于温度较低、湿度较高的过程空气侧和温度较高、湿度较低的再生空气侧，利用再生空气的热量实现过程空气侧湿度的降低。
空调系统的任务之一是消除建筑内的余湿量，并将其维持在一定的舒适性水平上。传统的舒适性空调系统中，这一过程是通过冷冻减湿——将空气冷却到露点温度以下、使水分凝结析出——来实现的，在热力学上很不合理，而且为避免吹冷风的感觉常需将深冷后的空气再热到送风温度，冷热相抵的过程造成极大浪费。随着过去十年中除湿转轮制造技术的不断完善和新型除湿材料的不断商业化，原来主要用于工艺空调的除湿转轮开始进入到舒适性空调系统中，出现了多种形式的与蒸发冷却、机械制冷等融合而成的复合式空调系统。
国外的研究表明：由除湿转轮来负担湿负荷的复合式空调系统，特别适用于室内湿负荷大、新风量大的场所，如超市、运动场馆、医院等[1]。在可使用太阳能、发动机余热等低品位热量时，系统的经济性更为明显。此外，复合式空调系统将热、湿负荷分开处理，可实现与温度无关的、精确的湿度控制，改善舒适性。同时，能保证送风系统的干燥，避免与病态建筑综合症相关的微生物和霉菌的生长。
本文介绍了一种将除湿技术与机械制冷相结合的复合式空调系统，并对其运行能耗和适用性进行了分析。
二、系统说明
图1a 复合空调系统流程图 图1b 常规空调系统流程图
Fig.1a Psychrometric Chart for Hybrid AC System Fig.1b Psychrometric Chart for Traditional AC System
图1c 除湿复合空调系统示意图
图1a是一种典型的复合空调系统，其具体流程见图1c。该系统最早由Pennington提出[2]，使用太阳能再生、结合蒸发冷却供冷；随着发动机驱动制冷技术的深入，余热被越来越多地应用于再生除湿转轮。Parsons[3]提出了用发动机直接驱动制冷同时将发动机余热用于除湿的系统方案。Schmitz[4]建议将热电联产机组的余热在夏季进行除湿设备再生、并考虑利用冷凝器排热补充再生热量。
在这一系统中，湿负荷全部由新风承担；室外新风(点1)经转轮除湿后(点2)与房间回风进行显热交换，降低温度(点3)。之后再与回风混合(4点)、一起(如图所示)或单独通过机械制冷处理到送风状态(点O)。当室外空气湿度较大，通过预冷器预冷、降低温度后再进行除湿；若新风无法负担全部湿负荷，可结合预冷减湿，形成“双级除湿”系统。显热热交换器既减小了机械制冷量、又降低了再生空气加热量。
三、能耗计算与分析
为对比复合空调系统与常规冷冻减湿系统的能耗，我们借助国外某品牌除湿转轮的设计程序[5]进行了计算。图2、图3分别为计算得到的、在不同的新风百分比和室内湿负荷情况下两种系统的能耗情况。计算条件如下：室外空气34℃-40%RH；室内状态25℃-50%RH。室内余热量固定为40KW，余湿量分别取4kg/hr、8kg/hr、16kg/hr。除湿转轮的吸湿材料为氯化锂，面风速取厂家推荐值1.7m/s；显热热交换器的效率取为75%。作为对比的常规系统为一次回风，先冷冻到机器露点减湿之后再热到送风温度(如图1b)。两种系统的送风温差均固定为5℃；
该系统有下面一些主要特点：
1、在同样的新风比例和室内余湿量情况下，复合系统的需冷量大大低于常规系统(图2)；这是由于系统的湿负荷由热量承担。而且对于两种系统，在同样的室内余湿量下、需冷量均随新风比例的增大而增加，但复合空调系统的增加要平缓得多。常规冷冻减湿系统的需冷量由于新风湿负荷的增大而迅速增大。在复合系统中，新风比例增大、湿负荷增加、需热量迅速提高(图3)，而需冷量的增加较为平缓。
 图2 复合除湿空调系统与冷冻减湿系统的需冷量对比 Fig.2 Comparison of Cooling Capacity for Hybrid AC System and Traditional Refrigeration System |
2、此外，由于新风负担所有的湿负荷，当新风比例较小时，要求转轮的除湿能力较强。目前商业转轮的单级除湿能力一般在6~12g/Kg，在室外空气含湿量较大或室内湿负荷较大时，较小的新风量可能无法满足全部湿负荷。这时可在转轮的过程空气侧增设预冷器进行冷冻减湿、分担部分湿负荷，或者增大新风量。从图2中可以看出，复合系统在新风量50%的需冷量比常规系统在10%时还要低。
3、除湿转轮的焓增在一定程度降低了系统的效能。在经典的空气调节理论[6]以及大部分的工程设计中，都认为过程空气在转轮内的过程是等焓的；实际上由于蓄热效应，过程空气侧总有一定的焓增；图4为对上述的转轮计算得到的、当再生温度由40℃增高到70℃(过程空气侧的除湿量由0.87提高到4.47g/Kg)时，过程空气侧的焓增情况。显然再生侧的温度越高，过程侧的焓增越大。对过程侧进口焓值较低的情形，其出口的焓增可达10%。因此，制造商纷纷开发各种热容较小的材料，以尽可能降低焓增，改善效率。
 图3 复合除湿空调系统与冷冻减湿系统的需热量对比 Fig.3 Comparison of Heating Capacity for Hybrid AC System and Traditional Refrigeration System |
 图4 过程空气侧除湿量与焓增的关系 Fig 4Relationship between Humidity-Ratio Decrease and Enthalpy Increase of Process Air |
4、将湿负荷用热量来承担的方法，经济性取决于热量的来源。电加热的方法由于简单、可靠、容易控制而为很多的转轮制造商所采用，但并不经济，因为1KW由电转化而来的热量比1KW的冷量更昂贵。但当热量是某种形式的余热时，除湿就具备产生经济竞争力了。表1是一种发动机直接驱动冷水机组的制冷量和可利用余热量随转速的变化规律。
表1 天然气发动机驱动冷水机组的制冷量与可回收热量[7]
Table 1 Cooling Capacity and Recoverable Waste Heat from Engine-Driven Chillers
| 压缩机转速(rpm) | 1400 | 1300 | 1200 | 1100 | 1000 | 900 | 800 | 700 |
| 天然气耗量（Nm3/h） | 5.50 | 5.08 | 4.68 | 4.20 | 3.78 | 3.38 | 2.96 | 2.57 |
| 制冷量(kW) | 52.56 | 48.12 | 46.66 | 45.64 | 40.93 | 38.54 | 34.75 | 31.81 |
| 可回收的热量(kW) | 32.87 | 31.21 | 28.45 | 26.22 | 23.46 | 21.46 | 18.07 | 15.86 |
例如当室内余湿量为4Kg/hr、新风比例为25%时，由图2、图3可以发现：需冷量为46.6KW、需热量26.4KW。与该机组在1200rpm的冷、热量正好吻合。此时的天然气耗量为4.68Nm3/h，以天然气价格2.2元/Nm3计，运行能耗费用为10.3元/hr。若使用冷冻减湿、电加热再热的常规处理流程，需冷量与需热量分别为114.6KW和41.5KW。设电动冷水机组的COP=5，电价为0.62元/KW.h。其运行费用为40元/hr。即使以露点送风、降低舒适性的话，运行费用也为14.2元/hr。
当然，复合空调系统使用了除湿转轮而较常规系统更为复杂，也带来维护上的麻烦。并且当室内的热、湿负荷变化时，需要更为及时、准确、有效的控制来保证冷、热量的匹配。这类复合空调系统的推广有赖于自动控制程度的提高和集成。
四、结论
本文介绍了一种将转轮除湿与机械制冷相结合的复合空调系统。并对复合空调系统与常规冷冻减湿、再热的处理过程进行了能耗对比。
由于将空调系统的湿负荷由热量处理、并使用显热热交换器回收排风的冷量，在同样的新风比例和室内余热/余湿量情况下，复合系统的需冷量比常规冷冻减湿系统低很多。而且，复合空调系统的需冷量随新风比例的增大不如冷冻减湿系统敏感。 过程空气在除湿转轮内的焓增会影响复合空调系统的效能。 当再生热量来自于发动机的余热时(既所谓“发动机驱动的复合空调系统”)，热力学上的合理性会直接转化为经济性。复合空调系统的能耗较常规系统大为减少。当然，这一系统的推广还面临控制系统的完善等技术细节问题。今天的除湿技术与1930年代的机械制冷有很多的相似点。一方面，除湿系统不会减少机械制冷的使用，就象机械制冷并未减少风机和风扇的使用；另一方面，就象机械制冷增加了风扇供冷系统的费用一样，除湿系统也会增加机械制冷的成本；但是，除湿系统所带来的利益也超过了机械制冷。除湿技术可望在未来有更大的发展和更广泛的应用。随着“京都协议”的实施，替代工质的应用会导致制冷量的下降，而除湿技术会弥补这一下降。另外，随着建筑节能技术的普及、热负荷与湿负荷的比例会发生变化，湿负荷会相对增大，将热、湿负荷分开处理的方法会更有经济竞争力。
参考文献：
(1)American Gas Cooling Center, 《Applications Engineering Manual for Desiccant Systems》, September, 1999.
(2)Pennington N.A., Humidity Changer for Air-conditioning, US Patenet2,700,537, Januanry. 1955.
(3)Parsons B.K. et al, “Improving gas-fired heat-pump capacity and performance by adding a desiccant dehumidification subsystem”, ASHRAE Trans. CH-89-11-3, pp835-844.
(4)Schmitz G., “ A New Gas Driven HVAC system”, paper on Clean Energy Conference, Shanghai, December, 1999.
(5)Klingenburg GmbH, Design Program for SECO, CD-ROM, 2001.
(6)赵荣义等，《空气调节》，中国建筑工业出版社，1994年，第三版。
(7)许鹰，“天然气发动机驱动复合空调系统中发动机余热的综合利用”，同济大学硕士学位论文，2003年2月。
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200606/8606.htm
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