蒸发冷却与溶液除湿复合空调系统的应用

摘 要

摘要：根据长江流域高温高湿的气候条件，构建了两级蒸发冷却与溶液除湿相结合的复合空调系统。介绍了复合空调系统的流程，根据该地区的气候条件和相关的空调设计参数，比较了复合空
摘要：根据长江流域高温高湿的气候条件，构建了两级蒸发冷却与溶液除湿相结合的复合空调系统。介绍了复合空调系统的流程，根据该地区的气候条件和相关的空调设计参数，比较了复合空调系统与一次回风空调系统的能耗。在设计工况下，复合空调系统的能效比为2.6，相比于一次回风空调系统的节能率为47.2%。
关键词：蒸发冷却；溶液除湿；复合空调系统；长江流域
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
    近年来国际上对蒸发冷却技术在空调中的应用非常重视，在理论上和应用技术上开展了大量的研究工作。在国外，蒸发冷却空调系统由于具有能效比高、设备简单等特点而备受关注，不管干燥地区还是非干燥地区都采用了这项技术，取得了明显的节能效果[1]。在国内，蒸发冷却技术也越来越受到人们的重视，目前在我国干燥地区尤其是新疆地区得到了应用，并收到良好的效果，但在长江流域等高温高湿地区的应用却很少。
    由于长江流域气候潮湿，室外空气湿球温度较高，比焓、含湿量均大于室内设计点，单独使用蒸发冷却技术无法得到理想的送风状态参数，需要将蒸发冷却与除湿技术[2～4]联合应用。因此，本文根据长江流域的气候条件，构建了蒸发冷却与溶液除湿(采用内冷型溶液除湿器及传统的溶液再生方式)相结合的复合空调系统，分析复合空调系统的流程。结合算例，对复合空调系统在长江流域应用的可行性和节能性进行探讨。
1 复合空调系统的流程
   ① 系统流程
   复合空调系统的工作原理是：首先将室外潮湿空气或室外与室内的混合空气进行除湿，然后被干燥的空气通过间接蒸发冷却器、直接蒸发冷却器将空气处理到所需的温湿度范围。复合空调系统包括溶液除湿器、除湿溶液再生器、蒸发冷却器等装置，复合空调系统的流程见图1。

   ② 除湿、再生
   除湿时，浓溶液与被处理空气在溶液除湿器中进行热质交换，空气逐渐被干燥，溶液浓度逐渐降低，稀溶液则进入稀溶液槽准备再生。溶液再生所需温度一般为65～80℃，进入除湿溶液再生器的空气温度越高则越有利于再生过程的发生，进入溶液除湿器内的浓溶液温度越低越好[5]。因此，再生时进入除湿溶液再生器的室外空气，应通过空-空换热器提高其干球温度。稀溶液经过电加热器加热后，进入除湿溶液再生器与被加热后的室外空气进行热质交换，除湿溶液浓度不断增加，直至达到设定的浓度，然后将此浓溶液储存至浓溶液槽。溶液除湿器与除湿溶液再生器之间设置了一个溶液换热器用于提升稀溶液温度，并降低浓溶液温度。采用内冷型溶液除湿器，利用冷却水先将浓溶液冷却，然后再进行除湿，使除湿过程近似为等温过程，从而获得更好的除湿效果。
   ③ 蒸发冷却
   蒸发冷却技术可以对经过溶液除湿后的空气进一步降温，蒸发冷却技术有多种应用及组合方式，其基本形式主要是直接蒸发冷却(DEC)和间接蒸发冷却(IEC)。在直接蒸发冷却中，被处理空气与水直接接触，被处理空气实现等焓冷却，空气温度下降，湿度增大。在间接蒸发冷却中，通过喷淋将二次空气(采用室内排风)冷却，然后被处理空气(一次空气)通过换热器把热量传递给二次空气，一次空气实现等湿冷却。
直接蒸发冷却效率ηDEC的计算式为：
 
式中ηDEC——直接蒸发冷却效率
    tin、tout——被处理空气的进、出口干球温度，℃
    tin,wb——被处理空气的进口湿球温度，℃
    一般直接蒸发冷却处理后空气的相对湿度可达到90%～95%。
间接蒸发冷却效率ηIEC的计算式为[6]：
 
式中ηIEC——间接蒸发冷却效率
    t1,in、t1,out——一次空气的进、出口干球温度，℃
    t2,wb——二次空气的进口湿球温度，℃
    间接蒸发冷却效率的主要影响因素为换热器结构、一二次空气流量比及进口状态参数。
    考虑到直接蒸发冷却和间接蒸发冷却的特点，复合空调系统采用了IEC+DEC两级蒸发冷却组合方式。复合空调系统的焓-湿图见图2。状态W的新风与状态N的回风混合至状态C，然后进入溶液除湿器，经过等温除湿至状态D，经间接蒸发冷却器等湿冷却到状态E，冷却后的空气分成两部分，一部分经直接蒸发冷却器等焓冷却到状态F，另一部分旁通，这两部分空气在送入房间前混合到送风状态O，吸收房间的余热余湿，沿热湿比线到状态N。
 

    复合空调系统的主要特点为：a.由于长江流域地区室外空气湿球温度较高，间接蒸发冷却的二次空气采用室内排风而不是室外空气，充分利用了室内空气湿球温度较低的特点，实现了对室内排风的全热回收，比传统空调系统中的显热回收更有效。b.与仅采用直接蒸发冷却相比，IEC+DEC两级蒸发冷却处理所得的空气温度更低，含湿量更小，可减小送风量，降低设备造价和运行费用。c.可以采用太阳能、工业余热等低品位热源驱动溶液再生，实现低品位热源的有效利用。
2 复合空调系统性能分析
2.1 设计参数及各状态点参数
    重庆地区夏季空气调节室外计算干、湿球温度分别为36.3、27.3℃，室内计算干球温度为26℃，室内计算湿球温度为20，2℃，室内计算相对湿度为60%。某建筑物空调面积为100m2，室内热负荷为20kW，湿负荷为3.5g/s，新风比为30%，送风温差为7℃，直接蒸发冷却效率为90%。
热湿比ε的计算式为：
 
式中ε——热湿比，kJ/kg
    Φ——室内热负荷，kW
    W——室内湿负荷，kg/s
    将已知参数代入式(1)，计算得ε=5714kJ/kg。根据复合空调系统焓-湿图，结合上述条件，计算得到重庆地区气候条件下，空气处理过程中各状态点的参数，见表1。
表1 空气处理过程中各状态点的参数
状态点
干球温度
/℃
湿球温度
/℃
含湿量/
(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
送风量qm的计算式为：
 
式中qm——送风量，kg/s
    hN、h0——状态点N、O的比焓，kJ/kg
   将已知参数代入式(2)，计算得qm=1.75kg/s。
2.2 复合空调系统的制冷量
    复合空调系统的制冷量包含两部分：溶液除湿过程中的制冷量、间接蒸发冷却过程中的制冷量。复合空调系统制冷量ΦC的计算式为：
    ΦC=ΦLD+ΦIEC    (3)
    ΦLD=qm(hC-hD)    (4)
    ΦIEC=qm(hD-hE)    (5)
式中ΦC——复合空调系统的制冷量，kW
    ΦLD——溶液除湿过程中的制冷量。kW
    ΦIEC——间接蒸发冷却过程中的制冷量，kW
    hC、hD、hE——状态点C、D、E的比焓，kJ/kg
    将已知参数代入式(4)、(5)，计算得到ΦLD=27.3kW，ΦIEC=8.4kW，并由式(3)计算得到ΦC=35.7kW。
2.3 复合空调系统功耗
   ① 溶液再生耗热量
溶液再生耗热量Φr的计算式为：
 
式中Φr——溶液再生耗热量，kW
    r——水的汽化潜热，kJ/kg，为2500kJ/kg
    dC、dD——状态点C、D的含湿量，g/kg
    ηr——溶液再生效率，根据文献[7]提供的实验数据，在较典型工况下为0.82
    将已知参数代入式(6)，计算得Φr=35.21kW。
   ② 溶液再生功耗
根据重庆地区电价和热价，取电热价比为4[8]，根据电热价比将溶液再生耗热量折算成等价的功耗Pr，计算式为：
 
式中Pr——溶液再生功耗，kW
    ηh——电加热器的加热效率，取0.9
    将已知参数代入式(7)，计算得到Pr=9.8kW。
    ③ 复合空调系统总功耗
    复合空调系统的辅助设备为溶液泵、蒸发冷却循环泵及一、二次风机，功耗一般不超过溶液再生功耗的40%[9]，本文取40%，则复合空调系统辅助设备的功耗Pa的计算式为：
    Pa=0.4Pr    (8)
式中Pa——复合空调系统辅助设备的功耗，kW
   将已知参数代入式(8)，计算得Pa=3.92kW。
   复合空调系统的总功耗Pt计算式为：
    Pt=Pr+Pa    (9)
式中Pt——复合空调系统的总功耗，kW
   将已知参数代入式(9)，计算得Pt=13.72kW。
   ④ 复合空调系统的性能系数
复合空调系统性能系数IEER的计算式为：
 
式中IEER——复合空调系统的性能系数
   将已知参数代入式(10)，计算得IEER=2.6。
3 复合空调系统节能分析
3.1 一次回风空调系统空气处理过程
   一次回风空调系统焓一湿图见3。状态W的室外新风与状态N的室内回风混合处理到状态C，经过表冷器冷却除湿到状态L(机器露点)，然后经过电加热器加热到送风状态0送入房间，吸收房间余热余湿，沿热湿比线到状态N。一次回风空调系统的主要缺点是：被处理空气先冷却后再热，存在冷热抵消问题；表冷器在湿工况下工作，需要温度较低的冷源。
 

3.2 一次回风空调系统的功耗
   仍以上述工程为例，计算一次回风空调系统功耗。根据一次回风空调系统空气处理过程计算得出状态点L的参数：温度为13.8℃，含湿量为9.8g/kg，比焓为40.2kJ/kg，状态点N、W、C、O的参数与复合空调系统相同。
   ① 表冷器冷却除湿所需冷量
   表冷器冷却除湿所需冷量Φs的计算式为：
    Φs=qm(hC-hL)    (11)
式中Φs——表冷器冷却除湿所需冷量，kW
   将已知参数代入式(11)，计算得Φs=47.08kW。
   ② 电加热器功耗
电加热器功耗Ph的计算式为：
 
式中Ph——电加热器耗热量，kW
    将已知参数代入式(12)，计算得Ph=13.38kW。
   ③ 表冷器冷却除湿功耗
冷却除湿工况下，表冷器平均性能系数ICOP为4.42[8]，则表冷器冷却除湿功耗Pc的计算式为：
 
式中Pc——表冷器冷却除湿功耗，kW
    将已知参数代入式(13)，计算得Pc=10.65kW。
    ④ 一次回风空调系统功耗
    一次回风空调系统的辅助设备仅为送风机，因此辅助设备的功耗小于复合空调系统。设定一次回风空调系统辅助设备功耗为复合空调系统的50%，则一次回风空调系统辅助设备功耗Pa′的计算式为：
    Pa′=0.5Pa    (14)
式中Pa′——一次回风空调系统辅助设备功耗，kW
    将已知参数代入式(14)，计算得Pa′=1.96kW。则一次回风空调系统的总功耗Pt′计算式为：
    Pt′=Ph+Pc+Pa′    (15)
式中Pt′——一次回风空调系统总功耗，kW
    将已知参数代入式(15)，计算得Pt′=25.99kW。
3.3 复合空调系统的节能效率
复合空调系统相对于一次回风空调系统节能率η的计算式为：
 
式中η——复合空调系统相对于一次回风空调系统节能率
    将已知参数代入式(16)，计算得η=0.472。由此可知，与一次回风空调系统相比，复合空调系统有较好的节能效果，其节能率为47.2%。
4 结论
    ① 针对长江流域高温高湿的气候条件，构建了溶液除湿与IEC+DEC两级蒸发冷却复合空调系统，该系统不使用氯氟烃制冷剂，对室内排风进行全热回收。若利用太阳能、工业余热等低品位热源进行溶液再生，系统除泵与风机外不消耗电能，可有效降低夏季电网负荷，是一种节能环保的空调方式。
    ② 在长江流域，复合空调系统完全可以达到设计要求，系统总体性能良好，能效比达到2.6。
    ③ 与一次回风空调系统相比，复合空调系统的节能效率为47.2%。
参考文献：
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(本文作者：卢军1、2 刘雨曦1、2 1.重庆大学 城市建设与环境工程学院 重庆 400045；2.三峡库区生态环境教育部 重点实验室 重庆 400045)