摘要：根據(jù)長江流域高溫高濕的氣候條件，構(gòu)建了兩級蒸發(fā)冷卻與溶液除濕相結(jié)合的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)。介紹了復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的流程，根據(jù)該地區(qū)的氣候條件和相關(guān)的空調(diào)設(shè)計參數(shù)，比較了復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)與一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的能耗。在設(shè)計工況下，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的能效比為2.6，相比于一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率為47.2%。
關(guān)鍵詞：蒸發(fā)冷卻；溶液除濕；復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)；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(fā)冷卻技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用非常重視，在理論上和應(yīng)用技術(shù)上開展了大量的研究工作。在國外，蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)由于具有能效比高、設(shè)備簡單等特點而備受關(guān)注，不管干燥地區(qū)還是非干燥地區(qū)都采用了這項技術(shù)，取得了明顯的節(jié)能效果[1]。在國內(nèi)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)也越來越受到人們的重視，目前在我國干燥地區(qū)尤其是新疆地區(qū)得到了應(yīng)用，并收到良好的效果，但在長江流域等高溫高濕地區(qū)的應(yīng)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(nèi)設(shè)計點，單獨使用蒸發(fā)冷卻技術(shù)無法得到理想的送風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，需要將蒸發(fā)冷卻與除濕技術(shù)[2～4]聯(lián)合應(yīng)用。因此，本文根據(jù)長江流域的氣候條件，構(gòu)建了蒸發(fā)冷卻與溶液除濕(采用內(nèi)冷型溶液除濕器及傳統(tǒng)的溶液再生方式)相結(jié)合的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，分析復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的流程。結(jié)合算例，對復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)在長江流域應(yīng)用的可行性和節(jié)能性進行探討。
1 復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的流程
① 系統(tǒng)流程
復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的工作原理是：首先將室外潮濕空氣或室外與室內(nèi)的混合空氣進行除濕，然后被干燥的空氣通過間接蒸發(fā)冷卻器、直接蒸發(fā)冷卻器將空氣處理到所需的溫濕度范圍。復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)包括溶液除濕器、除濕溶液再生器、蒸發(fā)冷卻器等裝置，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)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(zhì)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(zhǔn)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(fā)生，進入溶液除濕器內(nèi)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(yīng)通過空-空換熱器提高其干球溫度。稀溶液經(jīng)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(zhì)交換，除濕溶液濃度不斷增加，直至達到設(shè)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(shè)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(nèi)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(fā)冷卻
蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以對經(jīng)過溶液除濕后的空氣進一步降溫，蒸發(fā)冷卻技術(shù)有多種應(yīng)用及組合方式，其基本形式主要是直接蒸發(fā)冷卻(DEC)和間接蒸發(fā)冷卻(IEC)。在直接蒸發(fā)冷卻中，被處理空氣與水直接接觸，被處理空氣實現(xiàn)等焓冷卻，空氣溫度下降，濕度增大。在間接蒸發(fā)冷卻中，通過噴淋將二次空氣(采用室內(nèi)排風(fēng))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(xiàn)等濕冷卻。
直接蒸發(fā)冷卻效率ηDEC的計算式為：
式中ηDEC——直接蒸發(fā)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(fā)冷卻處理后空氣的相對濕度可達到90%～95%。
間接蒸發(fā)冷卻效率ηIEC的計算式為[6]：
式中ηIEC——間接蒸發(fā)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(fā)冷卻效率的主要影響因素為換熱器結(jié)構(gòu)、一二次空氣流量比及進口狀態(tài)參數(shù)。
考慮到直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻的特點，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)采用了IEC+DEC兩級蒸發(fā)冷卻組合方式。復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的焓-濕圖見圖2。狀態(tài)W的新風(fēng)與狀態(tài)N的回風(fēng)混合至狀態(tài)C，然后進入溶液除濕器，經(jīng)過等溫除濕至狀態(tài)D，經(jīng)間接蒸發(fā)冷卻器等濕冷卻到狀態(tài)E，冷卻后的空氣分成兩部分，一部分經(jīng)直接蒸發(fā)冷卻器等焓冷卻到狀態(tài)F，另一部分旁通，這兩部分空氣在送入房間前混合到送風(fēng)狀態(tài)O，吸收房間的余熱余濕，沿?zé)釢癖染€到狀態(tài)N。
復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的主要特點為：a.由于長江流域地區(qū)室外空氣濕球溫度較高，間接蒸發(fā)冷卻的二次空氣采用室內(nèi)排風(fēng)而不是室外空氣，充分利用了室內(nèi)空氣濕球溫度較低的特點，實現(xiàn)了對室內(nèi)排風(fēng)的全熱回收，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的顯熱回收更有效。b.與僅采用直接蒸發(fā)冷卻相比，IEC+DEC兩級蒸發(fā)冷卻處理所得的空氣溫度更低，含濕量更小，可減小送風(fēng)量，降低設(shè)備造價和運行費用。c.可以采用太陽能、工業(yè)余熱等低品位熱源驅(qū)動溶液再生，實現(xiàn)低品位熱源的有效利用。
2 復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)性能分析
2.1 設(shè)計參數(shù)及各狀態(tài)點參數(shù)
重慶地區(qū)夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干、濕球溫度分別為36.3、27.3℃，室內(nèi)計算干球溫度為26℃，室內(nèi)計算濕球溫度為20，2℃，室內(nèi)計算相對濕度為60%。某建筑物空調(diào)面積為100m2，室內(nèi)熱負荷為20kW，濕負荷為3.5g/s，新風(fēng)比為30%，送風(fēng)溫差為7℃，直接蒸發(fā)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(nèi)熱負荷，kW
W——室內(nèi)濕負荷，kg/s
將已知參數(shù)代入式(1)，計算得ε=5714kJ/kg。根據(jù)復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)焓-濕圖，結(jié)合上述條件，計算得到重慶地區(qū)氣候條件下，空氣處理過程中各狀態(tài)點的參數(shù)，見表1。
表1 空氣處理過程中各狀態(tài)點的參數(shù)
|
狀態(tài)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(fēng)量qm的計算式為：
式中qm——送風(fēng)量，kg/s
hN、h0——狀態(tài)點N、O的比焓，kJ/kg
將已知參數(shù)代入式(2)，計算得qm=1.75kg/s。
2.2 復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的制冷量
復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的制冷量包含兩部分：溶液除濕過程中的制冷量、間接蒸發(fā)冷卻過程中的制冷量。復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)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(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的制冷量，kW
ΦLD——溶液除濕過程中的制冷量。kW
ΦIEC——間接蒸發(fā)冷卻過程中的制冷量，kW
hC、hD、hE——狀態(tài)點C、D、E的比焓，kJ/kg
將已知參數(shù)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(fù)合空調(diào)系統(tǒng)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(tài)點C、D的含濕量，g/kg
ηr——溶液再生效率，根據(jù)文獻[7]提供的實驗數(shù)據(jù)，在較典型工況下為0.82
將已知參數(shù)代入式(6)，計算得Φr=35.21kW。
② 溶液再生功耗
根據(jù)重慶地區(qū)電價和熱價，取電熱價比為4[8]，根據(jù)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(shù)代入式(7)，計算得到Pr=9.8kW。
③ 復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)總功耗
復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的輔助設(shè)備為溶液泵、蒸發(fā)冷卻循環(huán)泵及一、二次風(fēng)機，功耗一般不超過溶液再生功耗的40%[9]，本文取40%，則復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)輔助設(shè)備的功耗Pa的計算式為：
Pa=0.4Pr (8)
式中Pa——復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)輔助設(shè)備的功耗，kW
將已知參數(shù)代入式(8)，計算得Pa=3.92kW。
復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的總功耗Pt計算式為：
Pt=Pr+Pa (9)
式中Pt——復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的總功耗，kW
將已知參數(shù)代入式(9)，計算得Pt=13.72kW。
④ 復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的性能系數(shù)
復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)IEER的計算式為：
式中IEER——復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的性能系數(shù)
將已知參數(shù)代入式(10)，計算得IEER=2.6。
3 復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析
3.1 一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程
一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)焓一濕圖見3。狀態(tài)W的室外新風(fēng)與狀態(tài)N的室內(nèi)回風(fēng)混合處理到狀態(tài)C，經(jīng)過表冷器冷卻除濕到狀態(tài)L(機器露點)，然后經(jīng)過電加熱器加熱到送風(fēng)狀態(tài)0送入房間，吸收房間余熱余濕，沿?zé)釢癖染€到狀態(tài)N。一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的功耗
仍以上述工程為例，計算一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)功耗。根據(jù)一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程計算得出狀態(tài)點L的參數(shù)：溫度為13.8℃，含濕量為9.8g/kg，比焓為40.2kJ/kg，狀態(tài)點N、W、C、O的參數(shù)與復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)代入式(13)，計算得Pc=10.65kW。
④ 一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)功耗
一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的輔助設(shè)備僅為送風(fēng)機，因此輔助設(shè)備的功耗小于復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)。設(shè)定一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)輔助設(shè)備功耗為復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的50%，則一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)輔助設(shè)備功耗Pa′的計算式為：
Pa′=0.5Pa (14)
式中Pa′——一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)輔助設(shè)備功耗，kW
將已知參數(shù)代入式(14)，計算得Pa′=1.96kW。則一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的總功耗Pt′計算式為：
Pt′=Ph+Pc+Pa′ (15)
式中Pt′——一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)總功耗，kW
將已知參數(shù)代入式(15)，計算得Pt′=25.99kW。
3.3 復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效率
復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)相對于一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率η的計算式為：
式中η——復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)相對于一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率
將已知參數(shù)代入式(16)，計算得η=0.472。由此可知，與一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相比，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)有較好的節(jié)能效果，其節(jié)能率為47.2%。
4 結(jié)論
① 針對長江流域高溫高濕的氣候條件，構(gòu)建了溶液除濕與IEC+DEC兩級蒸發(fā)冷卻復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不使用氯氟烴制冷劑，對室內(nèi)排風(fēng)進行全熱回收。若利用太陽能、工業(yè)余熱等低品位熱源進行溶液再生，系統(tǒng)除泵與風(fēng)機外不消耗電能，可有效降低夏季電網(wǎng)負荷，是一種節(jié)能環(huán)保的空調(diào)方式。
② 在長江流域，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)完全可以達到設(shè)計要求，系統(tǒng)總體性能良好，能效比達到2.6。
③ 與一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相比，復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)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(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045；2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部 重點實驗室 重慶 400045)
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