蒸發冷卻與溶液除濕復合空調系統的應用

摘 要

摘要：根據長江流域高溫高濕的氣候條件，構建了兩級蒸發冷卻與溶液除濕相結合的復合空調系統。介紹了復合空調系統的流程，根據該地區的氣候條件和相關的空調設計參數，比較了復合空
摘要：根據長江流域高溫高濕的氣候條件，構建了兩級蒸發冷卻與溶液除濕相結合的復合空調系統。介紹了復合空調系統的流程，根據該地區的氣候條件和相關的空調設計參數，比較了復合空調系統與一次回風空調系統的能耗。在設計工況下，復合空調系統的能效比為2.6，相比于一次回風空調系統的節能率為47.2%。
關鍵詞：蒸發冷卻；溶液除濕；復合空調系統；長江流域
Application of Complex Liquid Desiccant Evaporative Cooling Air-conditioning System
LU Jun，LIU Yuxi
Abstract：According to the high temperature and humidity climate in Yangtze River basin，a complex air-conditioning system with two-stage evaporative cooling and liquid desiccant is constructed.The process of the complex air-conditioning system is introduced.The energy consumptions of the complex air-conditioning system and the primary return air-conditioning system are compared according to the regional climate condition and the complex air-conditioning design parameters.The energy efficiency ratio of the complex air-conditioning system is 2.6.and its energy saving rate is 47.2% compared with the primary return air-conditioning system under the design condition.
Key words：evaporative cooling；liquid desiccant；complex air-conditioning system； Yangtze River basin
    近年來國際上對蒸發冷卻技術在空調中的應用非常重視，在理論上和應用技術上開展了大量的研究工作。在國外，蒸發冷卻空調系統由于具有能效比高、設備簡單等特點而備受關注，不管干燥地區還是非干燥地區都采用了這項技術，取得了明顯的節能效果[1]。在國內，蒸發冷卻技術也越來越受到人們的重視，目前在我國干燥地區尤其是新疆地區得到了應用，并收到良好的效果，但在長江流域等高溫高濕地區的應用卻很少。
    由于長江流域氣候潮濕，室外空氣濕球溫度較高，比焓、含濕量均大于室內設計點，單獨使用蒸發冷卻技術無法得到理想的送風狀態參數，需要將蒸發冷卻與除濕技術[2～4]聯合應用。因此，本文根據長江流域的氣候條件，構建了蒸發冷卻與溶液除濕(采用內冷型溶液除濕器及傳統的溶液再生方式)相結合的復合空調系統，分析復合空調系統的流程。結合算例，對復合空調系統在長江流域應用的可行性和節能性進行探討。
1 復合空調系統的流程
   ① 系統流程
   復合空調系統的工作原理是：首先將室外潮濕空氣或室外與室內的混合空氣進行除濕，然后被干燥的空氣通過間接蒸發冷卻器、直接蒸發冷卻器將空氣處理到所需的溫濕度范圍。復合空調系統包括溶液除濕器、除濕溶液再生器、蒸發冷卻器等裝置，復合空調系統的流程見圖1。

   ② 除濕、再生
   除濕時，濃溶液與被處理空氣在溶液除濕器中進行熱質交換，空氣逐漸被干燥，溶液濃度逐漸降低，稀溶液則進入稀溶液槽準備再生。溶液再生所需溫度一般為65～80℃，進入除濕溶液再生器的空氣溫度越高則越有利于再生過程的發生，進入溶液除濕器內的濃溶液溫度越低越好[5]。因此，再生時進入除濕溶液再生器的室外空氣，應通過空-空換熱器提高其干球溫度。稀溶液經過電加熱器加熱后，進入除濕溶液再生器與被加熱后的室外空氣進行熱質交換，除濕溶液濃度不斷增加，直至達到設定的濃度，然后將此濃溶液儲存至濃溶液槽。溶液除濕器與除濕溶液再生器之間設置了一個溶液換熱器用于提升稀溶液溫度，并降低濃溶液溫度。采用內冷型溶液除濕器，利用冷卻水先將濃溶液冷卻，然后再進行除濕，使除濕過程近似為等溫過程，從而獲得更好的除濕效果。
   ③ 蒸發冷卻
   蒸發冷卻技術可以對經過溶液除濕后的空氣進一步降溫，蒸發冷卻技術有多種應用及組合方式，其基本形式主要是直接蒸發冷卻(DEC)和間接蒸發冷卻(IEC)。在直接蒸發冷卻中，被處理空氣與水直接接觸，被處理空氣實現等焓冷卻，空氣溫度下降，濕度增大。在間接蒸發冷卻中，通過噴淋將二次空氣(采用室內排風)冷卻，然后被處理空氣(一次空氣)通過換熱器把熱量傳遞給二次空氣，一次空氣實現等濕冷卻。
直接蒸發冷卻效率ηDEC的計算式為：
 
式中ηDEC——直接蒸發冷卻效率
    tin、tout——被處理空氣的進、出口干球溫度，℃
    tin,wb——被處理空氣的進口濕球溫度，℃
    一般直接蒸發冷卻處理后空氣的相對濕度可達到90%～95%。
間接蒸發冷卻效率ηIEC的計算式為[6]：
 
式中ηIEC——間接蒸發冷卻效率
    t1,in、t1,out——一次空氣的進、出口干球溫度，℃
    t2,wb——二次空氣的進口濕球溫度，℃
    間接蒸發冷卻效率的主要影響因素為換熱器結構、一二次空氣流量比及進口狀態參數。
    考慮到直接蒸發冷卻和間接蒸發冷卻的特點，復合空調系統采用了IEC+DEC兩級蒸發冷卻組合方式。復合空調系統的焓-濕圖見圖2。狀態W的新風與狀態N的回風混合至狀態C，然后進入溶液除濕器，經過等溫除濕至狀態D，經間接蒸發冷卻器等濕冷卻到狀態E，冷卻后的空氣分成兩部分，一部分經直接蒸發冷卻器等焓冷卻到狀態F，另一部分旁通，這兩部分空氣在送入房間前混合到送風狀態O，吸收房間的余熱余濕，沿熱濕比線到狀態N。
 

    復合空調系統的主要特點為：a.由于長江流域地區室外空氣濕球溫度較高，間接蒸發冷卻的二次空氣采用室內排風而不是室外空氣，充分利用了室內空氣濕球溫度較低的特點，實現了對室內排風的全熱回收，比傳統空調系統中的顯熱回收更有效。b.與僅采用直接蒸發冷卻相比，IEC+DEC兩級蒸發冷卻處理所得的空氣溫度更低，含濕量更小，可減小送風量，降低設備造價和運行費用。c.可以采用太陽能、工業余熱等低品位熱源驅動溶液再生，實現低品位熱源的有效利用。
2 復合空調系統性能分析
2.1 設計參數及各狀態點參數
    重慶地區夏季空氣調節室外計算干、濕球溫度分別為36.3、27.3℃，室內計算干球溫度為26℃，室內計算濕球溫度為20，2℃，室內計算相對濕度為60%。某建筑物空調面積為100m2，室內熱負荷為20kW，濕負荷為3.5g/s，新風比為30%，送風溫差為7℃，直接蒸發冷卻效率為90%。
熱濕比ε的計算式為：
 
式中ε——熱濕比，kJ/kg
    Φ——室內熱負荷，kW
    W——室內濕負荷，kg/s
    將已知參數代入式(1)，計算得ε=5714kJ/kg。根據復合空調系統焓-濕圖，結合上述條件，計算得到重慶地區氣候條件下，空氣處理過程中各狀態點的參數，見表1。
表1 空氣處理過程中各狀態點的參數
狀態點
干球溫度
/℃
濕球溫度
/℃
含濕量/
(g·kg-1)
比焓/
(kJ·kg-1)
W
36.3
27.3
19.9
88.2
N
26.0
20.2
12.5
58.1
C
29.1
22.7
14.9
67.1
D
29.1
18.2
8.3
51.5
E
24.6
16.5
8.3
46.7
F
17.8
16.5
10.9
46.7
0
19.O
16.5
9.8
46.7
送風量qm的計算式為：
 
式中qm——送風量，kg/s
    hN、h0——狀態點N、O的比焓，kJ/kg
   將已知參數代入式(2)，計算得qm=1.75kg/s。
2.2 復合空調系統的制冷量
    復合空調系統的制冷量包含兩部分：溶液除濕過程中的制冷量、間接蒸發冷卻過程中的制冷量。復合空調系統制冷量ΦC的計算式為：
    ΦC=ΦLD+ΦIEC    (3)
    ΦLD=qm(hC-hD)    (4)
    ΦIEC=qm(hD-hE)    (5)
式中ΦC——復合空調系統的制冷量，kW
    ΦLD——溶液除濕過程中的制冷量。kW
    ΦIEC——間接蒸發冷卻過程中的制冷量，kW
    hC、hD、hE——狀態點C、D、E的比焓，kJ/kg
    將已知參數代入式(4)、(5)，計算得到ΦLD=27.3kW，ΦIEC=8.4kW，并由式(3)計算得到ΦC=35.7kW。
2.3 復合空調系統功耗
   ① 溶液再生耗熱量
溶液再生耗熱量Φr的計算式為：
 
式中Φr——溶液再生耗熱量，kW
    r——水的汽化潛熱，kJ/kg，為2500kJ/kg
    dC、dD——狀態點C、D的含濕量，g/kg
    ηr——溶液再生效率，根據文獻[7]提供的實驗數據，在較典型工況下為0.82
    將已知參數代入式(6)，計算得Φr=35.21kW。
   ② 溶液再生功耗
根據重慶地區電價和熱價，取電熱價比為4[8]，根據電熱價比將溶液再生耗熱量折算成等價的功耗Pr，計算式為：
 
式中Pr——溶液再生功耗，kW
    ηh——電加熱器的加熱效率，取0.9
    將已知參數代入式(7)，計算得到Pr=9.8kW。
    ③ 復合空調系統總功耗
    復合空調系統的輔助設備為溶液泵、蒸發冷卻循環泵及一、二次風機，功耗一般不超過溶液再生功耗的40%[9]，本文取40%，則復合空調系統輔助設備的功耗Pa的計算式為：
    Pa=0.4Pr    (8)
式中Pa——復合空調系統輔助設備的功耗，kW
   將已知參數代入式(8)，計算得Pa=3.92kW。
   復合空調系統的總功耗Pt計算式為：
    Pt=Pr+Pa    (9)
式中Pt——復合空調系統的總功耗，kW
   將已知參數代入式(9)，計算得Pt=13.72kW。
   ④ 復合空調系統的性能系數
復合空調系統性能系數IEER的計算式為：
 
式中IEER——復合空調系統的性能系數
   將已知參數代入式(10)，計算得IEER=2.6。
3 復合空調系統節能分析
3.1 一次回風空調系統空氣處理過程
   一次回風空調系統焓一濕圖見3。狀態W的室外新風與狀態N的室內回風混合處理到狀態C，經過表冷器冷卻除濕到狀態L(機器露點)，然后經過電加熱器加熱到送風狀態0送入房間，吸收房間余熱余濕，沿熱濕比線到狀態N。一次回風空調系統的主要缺點是：被處理空氣先冷卻后再熱，存在冷熱抵消問題；表冷器在濕工況下工作，需要溫度較低的冷源。
 

3.2 一次回風空調系統的功耗
   仍以上述工程為例，計算一次回風空調系統功耗。根據一次回風空調系統空氣處理過程計算得出狀態點L的參數：溫度為13.8℃，含濕量為9.8g/kg，比焓為40.2kJ/kg，狀態點N、W、C、O的參數與復合空調系統相同。
   ① 表冷器冷卻除濕所需冷量
   表冷器冷卻除濕所需冷量Φs的計算式為：
    Φs=qm(hC-hL)    (11)
式中Φs——表冷器冷卻除濕所需冷量，kW
   將已知參數代入式(11)，計算得Φs=47.08kW。
   ② 電加熱器功耗
電加熱器功耗Ph的計算式為：
 
式中Ph——電加熱器耗熱量，kW
    將已知參數代入式(12)，計算得Ph=13.38kW。
   ③ 表冷器冷卻除濕功耗
冷卻除濕工況下，表冷器平均性能系數ICOP為4.42[8]，則表冷器冷卻除濕功耗Pc的計算式為：
 
式中Pc——表冷器冷卻除濕功耗，kW
    將已知參數代入式(13)，計算得Pc=10.65kW。
    ④ 一次回風空調系統功耗
    一次回風空調系統的輔助設備僅為送風機，因此輔助設備的功耗小于復合空調系統。設定一次回風空調系統輔助設備功耗為復合空調系統的50%，則一次回風空調系統輔助設備功耗Pa′的計算式為：
    Pa′=0.5Pa    (14)
式中Pa′——一次回風空調系統輔助設備功耗，kW
    將已知參數代入式(14)，計算得Pa′=1.96kW。則一次回風空調系統的總功耗Pt′計算式為：
    Pt′=Ph+Pc+Pa′    (15)
式中Pt′——一次回風空調系統總功耗，kW
    將已知參數代入式(15)，計算得Pt′=25.99kW。
3.3 復合空調系統的節能效率
復合空調系統相對于一次回風空調系統節能率η的計算式為：
 
式中η——復合空調系統相對于一次回風空調系統節能率
    將已知參數代入式(16)，計算得η=0.472。由此可知，與一次回風空調系統相比，復合空調系統有較好的節能效果，其節能率為47.2%。
4 結論
    ① 針對長江流域高溫高濕的氣候條件，構建了溶液除濕與IEC+DEC兩級蒸發冷卻復合空調系統，該系統不使用氯氟烴制冷劑，對室內排風進行全熱回收。若利用太陽能、工業余熱等低品位熱源進行溶液再生，系統除泵與風機外不消耗電能，可有效降低夏季電網負荷，是一種節能環保的空調方式。
    ② 在長江流域，復合空調系統完全可以達到設計要求，系統總體性能良好，能效比達到2.6。
    ③ 與一次回風空調系統相比，復合空調系統的節能效率為47.2%。
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(本文作者：盧軍1、2 劉雨曦1、2 1.重慶大學 城市建設與環境工程學院 重慶 400045；2.三峽庫區生態環境教育部 重點實驗室 重慶 400045)