溶液除濕溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

金輝，文靈紅，熊海

（機械工業(yè)第三設(shè)計研究院，重慶 400039）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，目前公共建筑普遍采用中央空調(diào)系統(tǒng)，這樣使室內(nèi)舒適性提高了，但同時也帶來了能耗的大幅增加。我國大型公共建筑單位面積能耗約為180kWh/(m2·年)，而中央空調(diào)系統(tǒng)耗電占建筑總耗電的40%～60%[1]。

空調(diào)系統(tǒng)作為建筑的用能大戶，其節(jié)能減排理應(yīng)首當其沖。因此，在進行空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計時，應(yīng)充分考慮其節(jié)能性。

由于在可利用低品位能源、節(jié)約能源消耗、保護環(huán)境等方面的優(yōu)勢，近年來，溶液調(diào)濕空調(diào)系統(tǒng)得到了較為廣泛的關(guān)注[2-5]。而基于溶液調(diào)濕技術(shù)的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)由于其顯著的節(jié)能優(yōu)勢和室內(nèi)空氣品質(zhì)較高等特點，在眾多項目中得到了應(yīng)用和推廣。

1 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)由顯熱處理和潛熱處理兩個系統(tǒng)組成，兩個系統(tǒng)獨立調(diào)節(jié)，分別控制室內(nèi)的溫度和濕度[2]。

顯熱處理系統(tǒng)由高溫冷源和余熱消除末端裝置組成，采用水作為輸送媒介。余熱消除末端裝置可以采用輻射板、干式風機盤管等多種形式，供水的溫度高于室內(nèi)空氣的露點溫度，不存在結(jié)露的危險。

潛熱處理系統(tǒng)承擔兩大任務(wù):（1）除濕任務(wù)。潛熱處理系統(tǒng)冷水供水溫度約為14～17℃，高于常規(guī)冷凍除濕空調(diào)系統(tǒng)的7℃，為地下水、深層湖水等天然冷源的使用提供了條件。即使采用機械制冷方式，冷機的制冷系數(shù)也能有大幅度提高。（2）去除室內(nèi)CO2和異味，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的任務(wù)。潛熱處理系統(tǒng)由新風處理機組和送風末端裝置組成，采用新風作為能量輸送的媒介，潛熱的處理可采用新的節(jié)能高效方法——溶液調(diào)濕技術(shù)。

1.2 溶液調(diào)濕技術(shù)

溶液調(diào)濕技術(shù)，即采用具有調(diào)濕功能的鹽溶液作為工作介質(zhì)，利用不同濃度溶液的吸濕與放濕特性實現(xiàn)對空氣的除濕與加濕處理過程。

溶液除濕性能強弱用其表面蒸汽壓力的大小來衡量。水分由空氣向除濕溶液傳遞的驅(qū)動力來自于被處理空氣的水蒸汽分壓力與除濕溶液的表面蒸汽壓力間的壓差，因而在相同的處理條件下，除濕溶液表面蒸汽壓力越低，溶液的除濕能力越強，當所接觸的濕空氣達到平衡時，濕空氣具有更低的相對濕度；溶液加濕過程則相反。

溶液調(diào)濕方式是高效的潛熱處理方式。將空氣直接與具有吸濕能力的鹽溶液接觸，空氣中的水蒸氣被鹽溶液吸收，從而實現(xiàn)空氣的除濕處理過程。通過改變?nèi)芤旱臐舛取庖罕群蜏囟龋€可實現(xiàn)對空氣的加熱、降溫、加濕等各種處理。

1.3 系統(tǒng)形式

與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相對應(yīng)，基于溶液調(diào)濕技術(shù)的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)有顯熱末端+新風系統(tǒng)和全空氣系統(tǒng)形式[6]。

1.3.1 顯熱末端+新風系統(tǒng)

顯熱末端+新風系統(tǒng)一般應(yīng)用于小型獨立空調(diào)房間，如辦公樓、寫字樓、賓館客房、普通病房等。

（1）熱泵式溶液調(diào)濕新風機組（HVF）+干式風機盤管（圖1～圖2）

圖1 HVF+干式風機盤管系統(tǒng)應(yīng)用形式

圖2 HVF+干式風機盤管空氣處理過程

在室內(nèi)回風充足的場合，新風機組可采用回風再生型熱泵式溶液調(diào)濕新風機組（HVF），如辦公室、賓館客房等。由HVF機組對新風進行集中處理，一方面承擔室內(nèi)潛熱負荷、所有新風負荷及部分室內(nèi)顯熱負荷（由送風溫度引起的），另一方面去除室內(nèi)CO2和異味，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。室內(nèi)末端采用風機盤管，通入外界提供的16/21℃冷凍水，承擔大部分的室內(nèi)顯熱負荷。

（2）熱泵式溶液調(diào)濕新風機組（HVF-PF）+輻射末端（圖3～圖4）

圖3 HVF-PF+輻射末端系統(tǒng)應(yīng)用形式

圖4 HVF-PF+輻射末端空氣處理過程

當室內(nèi)回風不足或回風不可用于熱回收時，新風機組應(yīng)采用新風再生型熱泵式溶液調(diào)濕新風機組（HVF-PF）。另外，當室內(nèi)末端為毛細管輻射、冷梁或不帶凝水系統(tǒng)的干式風機盤管時，應(yīng)嚴格杜絕室內(nèi)結(jié)露現(xiàn)象，此時應(yīng)采用新風再生型熱泵式溶液調(diào)濕新風機組（HVF-PF），以維持室內(nèi)正壓，避免大量滲風帶來的熱濕負荷。

由HVF-PF機組對新風進行集中處理，承擔所有新風負荷和室內(nèi)潛熱負荷及部分室內(nèi)顯熱負荷 （由送風溫度引起的），同時去除室內(nèi)CO2、異味，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。室內(nèi)采用輻射末端，通入外界提供的16/21℃冷凍水，承擔大部分的室內(nèi)顯熱負荷。

1.3.2 全空氣系統(tǒng)

全空氣系統(tǒng)應(yīng)用于高大空間，如商場、影劇院、博物館、體育館、火車站等。

（1）熱泵式溶液全空氣機組（HVA-SR）（圖5～圖6）

圖5 HVA-SR機組應(yīng)用形式

圖6 HVA-SR機組空氣處理過程

在室內(nèi)回風充足的場合，可選用回風再生型熱泵式溶液全空氣機組（HVA-SR），如商場、餐廳、影劇院等。室外高溫潮濕的新風在全熱回收單元中以溶液為媒介和回風進行全熱回收，被初步降溫除濕，然后進入溶液除濕單元進一步獨立除濕。低濕狀態(tài)的新風與回風混合，利用16/21℃冷凍水冷卻降溫，達到送風狀態(tài)點后送入室內(nèi)，承擔室內(nèi)全部負荷。

（2）熱泵式溶液全空氣機組（HVA-PF）（圖7～圖8）

圖7 HVA-PF機組應(yīng)用形式

圖8 HVA-PF機組空氣處理過程

當室內(nèi)回風不足或回風不可用于熱回收時，應(yīng)選用新風再生型熱泵式溶液全空氣機組（HVA-PF），如酒店大堂、泳池等。室外高溫潮濕的新風首先利用外界提供的16/21℃冷凍水預(yù)冷，新風被初步降溫除濕，然后進入溶液調(diào)濕單元，進一步除濕至低濕狀態(tài)。低濕狀態(tài)的新風與回風混合，利用16/21℃冷凍水冷卻降溫，達到送風狀態(tài)點后送入室內(nèi)，承擔室內(nèi)全部負荷。

2 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計說明

2.1 設(shè)計方法

基于溶液調(diào)濕技術(shù)的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計方法上與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同[2]，具體如表1所示。

表1 設(shè)計方法比較

其中，有幾點需要作如下說明:

（1）新風量的確定

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中，新風量取滿足人員衛(wèi)生要求、維持室內(nèi)正壓要求和滿足除濕要求三者中較大的數(shù)值。具體計算過程中，可根據(jù)衛(wèi)生要求和室內(nèi)正壓要求確定新風量后需校核是否滿足除濕要求。

根據(jù)室內(nèi)濕負荷和新風量計算送風含濕量，公式如下[7]:

式中:

ds-新風送風含濕量，g/kg；

dN-室內(nèi)含濕量，g/kg；

Qs-室內(nèi)濕負荷，kg/h；

Gx-新風量，m3/h；

ρ-空氣密度，一般取1.2kg/m3。

若送風含濕量在溶液調(diào)濕機組處理能力范圍之內(nèi) （溶液調(diào)濕機組新風送風含濕量最低為7.0g/kg），則新風量可滿足除濕要求；若送風含濕量低于機組所能處理的參數(shù)范圍，則說明新風量不能滿足除濕要求，需適當增大新風量，再按上式重新校核，直至送風含濕量達到機組送風參數(shù)范圍之內(nèi)。

如果機組除濕所需新風量與滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求所需新風量相差較大，那么機組需增設(shè)一組控制模塊，同時采用變頻風機，通過改變?nèi)芤簼舛燃八惋L量來滿足不同氣候情況下室內(nèi)濕度及新風要求。

（2）送風量的確定

根據(jù)室內(nèi)顯熱負荷及送風溫差確定送風量，計算公式如下:

式中:

Gs-送風量，m3/h；

Qx-室內(nèi)顯熱負荷，kW；

ρ-空氣密度，一般取1.2kg/m3；

cρ-空氣的定壓比熱容，一般取1.005kJ/(kg·℃)；

tN-室內(nèi)空氣溫度，℃；

ts-送風溫度，℃。送風溫度由冷凍水供水溫度決定，一般考慮3～5℃換熱溫差，如當冷凍水供水溫度為16℃時，送風溫度可取為19℃。

（3）溶液調(diào)濕機組選型

熱泵式溶液調(diào)濕新風機組根據(jù)新風量進行選型，熱泵式溶液全空氣根據(jù)新風量和送風量選型。

（4）高溫冷源選型

當溶液調(diào)濕機組選用熱泵式溶液調(diào)濕新風機組 （HVF）或熱泵式溶液全空氣機組（HVA-SR）時，高溫冷水僅承擔室內(nèi)顯熱負荷，可根據(jù)室內(nèi)顯熱負荷計算結(jié)果進行高溫冷源的選型。

當溶液調(diào)濕機組選用熱泵式溶液調(diào)濕新風機組 （HVFPF）或熱泵式溶液全空氣機組（HVA-PF）時，高溫冷水承擔室內(nèi)顯熱負荷和新風預(yù)冷負荷，根據(jù)這兩個負荷的計算結(jié)果進行高溫冷源的選型。

新風預(yù)冷負荷計算公式如下

式中:

Q1-機組預(yù)冷負荷，kW；

Gx-新風量，m3/h；

ρ-空氣密度，一般取1.2kg/m3；

hw-新風焓，kJ/kg；

hl-新風預(yù)冷后的焓，kJ/kg。新風預(yù)冷后參數(shù)由冷凍水供水溫度決定，一般考慮3～5℃換熱溫差。例如，當冷凍水供水溫度為16℃時，可將空氣預(yù)冷至19℃、90%，此時的空氣焓為50.5kJ/kg。

2.2 注意事項

在進行溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，需要注意以下幾個方面:

2.2.1 溶液調(diào)濕機組設(shè)計注意事項

熱泵式溶液調(diào)濕新風機組（HVF）和熱泵式溶液全空氣機組（HVA-SR）使用回風進行全熱回收和溶液再生；熱泵式溶液調(diào)濕新風機組（HVF-PF）和熱泵式溶液全空氣機組（HVA-PF）采用新風進行溶液再生。為避免機組冷凝溫度過高，出現(xiàn)高壓保護的現(xiàn)象，再生風量應(yīng)不小于除濕新風量的80%。再生空氣排出機組時溫度較高，應(yīng)對排風管設(shè)置保溫，避免機房溫度過高。

溶液調(diào)濕機組內(nèi)采用補自來水的方式調(diào)節(jié)溶液濃度，控制送風相對濕度，因此機組需設(shè)置補水管，補水水壓不宜小于3m。

2.2.2 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計注意事項

與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)一樣，為保證良好的氣流組織，房間內(nèi)的送風口應(yīng)均勻布置，不宜出現(xiàn)“氣流死角”。當采用含熱回收的機組時，大空間區(qū)域可集中回風，單獨房間應(yīng)盡量設(shè)置獨立的回風口，以避免回風不均勻的情況。回風口與送風口距離不宜過近，避免出現(xiàn)“氣流短路”。

室內(nèi)干式風機盤管大部分時間處于干工況，無凝水。但在系統(tǒng)調(diào)試初期，以及室外出現(xiàn)超出設(shè)計參數(shù)的極端熱濕天氣時，或室內(nèi)人員打開窗戶時，風盤可能會出現(xiàn)凝水。因此，干式風機盤管建議仍接入凝水盤及凝水排放系統(tǒng)。

3 總結(jié)

基于溶液調(diào)濕技術(shù)的溫濕度獨立控制系統(tǒng)是一種新興的綠色、環(huán)保、健康、節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)，在進行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意其與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的不同之處，設(shè)計得當，方可充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

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