淺析復合空調轉輪除濕技術(shù)

　　摘要：今天的除濕技術(shù)與1930年代的機械制冷有很多的相似點(diǎn)。一方面，除濕系統不會(huì )減少機械制冷的使用，就象機械制冷并未減少風(fēng)機和風(fēng)扇的使用；另一方面，就象機械制冷增加了風(fēng)扇供冷系統的費用一樣，除濕系統也會(huì )增加機械制冷的成本；但是，除濕系統所帶來(lái)的利益也超過(guò)了機械制冷。除濕技術(shù)可望在未來(lái)有更大的發(fā)展和更廣泛的應用。

　　關(guān)鍵詞：除濕轉輪復合空調能耗濕負荷

　　一、前言

　　利用除濕材料(desiccant)的親水性來(lái)處理潮濕空氣的除濕技術(shù)(desiccantdehumidification)，現已廣泛應用于對濕度要求較高的生產(chǎn)車(chē)間、倉庫以及要求空氣濕度較低的場(chǎng)合，如鋰電池生產(chǎn)、聚酯切片生產(chǎn)等。除濕轉輪是其中一種結構緊湊、性能好、應用廣泛的設備，含有除濕材料的轉芯在微型馬達的驅動(dòng)下，交替地暴露于溫度較低、濕度較高的過(guò)程空氣側和溫度較高、濕度較低的再生空氣側，利用再生空氣的熱量實(shí)現過(guò)程空氣側濕度的降低。

　　空調系統的任務(wù)之一是消除建筑內的余濕量，并將其維持在一定的舒適性水平上。傳統的舒適性空調系統中，這一過(guò)程是通過(guò)冷凍減濕——將空氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下、使水分凝結析出——來(lái)實(shí)現的，在熱力學(xué)上很不合理，而且為避免吹冷風(fēng)的感覺(jué)常需將深冷后的空氣再熱到送風(fēng)溫度，冷熱相抵的過(guò)程造成極大浪費。隨著(zhù)過(guò)去十年中除濕轉輪制造技術(shù)的不斷完善和新型除濕材料的不斷商業(yè)化，原來(lái)主要用于工藝空調的除濕轉輪開(kāi)始進(jìn)入到舒適性空調系統中，出現了多種形式的與蒸發(fā)冷卻、機械制冷等融合而成的復合式空調系統。

　　國外的研究表明：由除濕轉輪來(lái)負擔濕負荷的復合式空調系統，特別適用于室內濕負荷大、新風(fēng)量大的場(chǎng)所，如超市、運動(dòng)場(chǎng)館、醫院等[1]。在可使用太陽(yáng)能、發(fā)動(dòng)機余熱等低品位熱量時(shí)，系統的經(jīng)濟性更為明顯。此外，復合式空調系統將熱、濕負荷分開(kāi)處理，可實(shí)現與溫度無(wú)關(guān)的、A的濕度控制，改善舒適性。同時(shí)，能保證送風(fēng)系統的干燥，避免與病態(tài)建筑綜合癥相關(guān)的微生物和霉菌的生長(cháng)。

　　本文介紹了一種將除濕技術(shù)與機械制冷相結合的復合式空調系統，并對其運行能耗和適用性進(jìn)行了分析。

　　二、能耗計算與分析

　　為對比復合空調系統與常規冷凍減濕系統的能耗，我們借助國外某品牌除濕轉輪的設計程序[5]進(jìn)行了計算。圖2、圖3分別為計算得到的、在不同的新風(fēng)百分比和室內濕負荷情況下兩種系統的能耗情況。計算條件如下：室外空氣34℃-40%RH；室內狀態(tài)25℃-50%RH。室內余熱量固定為40KW，余濕量分別取4kg/hr、8kg/hr、16kg/hr。除濕轉輪的吸濕材料為氯化鋰，面風(fēng)速取廠(chǎng)家推薦值1.7m/s；顯熱熱交換器的效率取為75%。作為對比的常規系統為一次回風(fēng)，先冷凍到機器露點(diǎn)減濕之后再熱到送風(fēng)溫度。兩種系統的送風(fēng)溫差均固定為5℃；

　　該系統有下面一些主要特點(diǎn)：

　?。?、在同樣的新風(fēng)比例和室內余濕量情況下，復合系統的需冷量大大低于常規系統(圖2)；這是由于系統的濕負荷由熱量承擔。而且對于兩種系統，在同樣的室內余濕量下、需冷量均隨新風(fēng)比例的增大而增加，但復合空調系統的增加要平緩得多。常規冷凍減濕系統的需冷量由于新風(fēng)濕負荷的增大而迅速增大。

　?。?、此外，由于新風(fēng)負擔所有的濕負荷，當新風(fēng)比例較小時(shí)，要求轉輪的除濕能力較強。目前商業(yè)轉輪的單級除濕能力一般在6~12g/Kg，在室外空氣含濕量較大或室內濕負荷較大時(shí)，較小的新風(fēng)量可能無(wú)法滿(mǎn)足全部濕負荷。這時(shí)可在轉輪的過(guò)程空氣側增設預冷器進(jìn)行冷凍減濕、分擔部分濕負荷，或者增大新風(fēng)量。從圖2中可以看出，復合系統在新風(fēng)量50%的需冷量比常規系統在10%時(shí)還要低。

　?。?、除濕轉輪的焓增在一定程度降低了系統的效能。在經(jīng)典的空氣調節理論[6]以及大部分的工程設計中，都認為過(guò)程空氣在轉輪內的過(guò)程是等焓的；實(shí)際上由于蓄熱效應，過(guò)程空氣側總有一定的焓增；圖4為對上述的轉輪計算得到的、當再生溫度由40℃增高到70℃(過(guò)程空氣側的除濕量由0.87提高到4.47g/Kg)時(shí)，過(guò)程空氣側的焓增情況。顯然再生側的溫度越高，過(guò)程側的焓增越大。對過(guò)程側進(jìn)口焓值較低的情形，其出口的焓增可達10%。因此，制造商紛紛開(kāi)發(fā)各種熱容較小的材料，以盡可能降低焓增，改善效率。

　?。?、將濕負荷用熱量來(lái)承擔的方法，經(jīng)濟性取決于熱量的來(lái)源。電加熱的方法由于簡(jiǎn)單、可靠、容易控制而為很多的轉輪制造商所采用，但并不經(jīng)濟，因為1KW由電轉化而來(lái)的熱量比1KW的冷量更昂貴。但當熱量是某種形式的余熱時(shí)，除濕就具備產(chǎn)生經(jīng)濟競爭力了。表1是一種發(fā)動(dòng)機直接驅動(dòng)冷水機組的制冷量和可利用余熱量隨轉速的變化規律。

　　表1天然氣發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)冷水機組的制冷量與可回收熱量[7]

　　壓縮機轉速(rpm)

　　1400

　　1300

　　1200

　　1100

　　1000

　　900

　　800

　　700

　　天然氣耗量（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

　　可回收的熱量(kW)

　　32.87

　　31.21

　　28.45

　　26.22

　　23.46

　　21.46

　　18.07

　　15.86

　　例如當室內余濕量為4Kg/hr、新風(fēng)比例為25%時(shí)，由圖2、圖3可以發(fā)現：需冷量為46.6KW、需熱量26.4KW。與該機組在1200rpm的冷、熱量正好吻合。此時(shí)的天然氣耗量為4.68Nm3/h，以天然氣價(jià)格2.2元/Nm3計，運行能耗費用為10.3元/hr。若使用冷凍減濕、電加熱再熱的常規處理流程，需冷量與需熱量分別為114.6KW和41.5KW。設電動(dòng)冷水機組的COP=5，電價(jià)為0.62元/KW.h。其運行費用為40元/hr。即使以露點(diǎn)送風(fēng)、降低舒適性的話(huà)，運行費用也為14.2元/hr。

　　當然，復合空調系統使用了除濕轉輪而較常規系統更為復雜，也帶來(lái)維護上的麻煩。并且當室內的熱、濕負荷變化時(shí)，需要更為及時(shí)、準確、有效的控制來(lái)保證冷、熱量的匹配。這類(lèi)復合空調系統的推廣有賴(lài)于自動(dòng)控制程度的提高和集成。

　　四、結論

　　本文介紹了一種將轉輪除濕與機械制冷相結合的復合空調系統。并對復合空調系統與常規冷凍減濕、再熱的處理過(guò)程進(jìn)行了能耗對比。

　　由于將空調系統的濕負荷由熱量處理、并使用顯熱熱交換器回收排風(fēng)的冷量，在同樣的新風(fēng)比例和室內余熱/余濕量情況下，復合系統的需冷量比常規冷凍減濕系統低很多。而且，復合空調系統的需冷量隨新風(fēng)比例的增大不如冷凍減濕系統敏感。

　　過(guò)程空氣在除濕轉輪內的焓增會(huì )影響復合空調系統的效能。

　　當再生熱量來(lái)自于發(fā)動(dòng)機的余熱時(shí)(既所謂“發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的復合空調系統”)，熱力學(xué)上的合理性會(huì )直接轉化為經(jīng)濟性。復合空調系統的能耗較常規系統大為減少。當然，這一系統的推廣還面臨控制系統的完善等技術(shù)細節問(wèn)題。

　　轉輪除濕機與機械制冷相結合的復合空調系統中，濕負荷由熱量來(lái)承擔、可有效地提高系統的經(jīng)濟性，降低能耗。本文介紹了一種天然氣發(fā)動(dòng)機直接驅動(dòng)制冷與轉輪除濕相結合的復合空調系統，并與常規冷凍減濕系統進(jìn)行了比較。計算結果表明，空調系統的濕負荷越大，復合系統的優(yōu)勢越明顯。

　　隨著(zhù)“京都協(xié)議”的實(shí)施，替代工質(zhì)的應用會(huì )導致制冷量的下降，而除濕技術(shù)會(huì )彌補這一下降。另外，隨著(zhù)建筑節能技術(shù)的普及、熱負荷與濕負荷的比例會(huì )發(fā)生變化，濕負荷會(huì )相對增大，將熱、濕負荷分開(kāi)處理的方法會(huì )更有經(jīng)濟競爭力。