夏季潮濕地區(qū)不同THIC空調(diào)系統(tǒng)綜合COP對(duì)比分析

楊昌智+羅志文+蔣新波

摘 要：以溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，建立了不同形式溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)模型.通過(guò)一實(shí)際工程對(duì)各系統(tǒng)的COP進(jìn)行分析、計(jì)算，揭示了不同溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)自身的性能和地區(qū)差異.通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在室外空氣含濕量相對(duì)較小的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮熱泵轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，對(duì)于室外含濕量相對(duì)較大的地區(qū)適合選擇溶液除濕系統(tǒng)和冷凝除濕系統(tǒng).

關(guān)鍵詞：空調(diào)；夏季潮濕地區(qū)；溫濕度獨(dú)立控制；COP

中圖分類(lèi)號(hào)： TU83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）05-0144-07

Abstract：Taking temperature and humidity independent control air conditioning system as the research project， different models of the system have been established.Through analysis and calculation of each system's COP of a practical engineering project， it reveals the differences in performance and regional differences of the independent control system itself. By comparison，the heat pump wheel dehumidification system should be considered first，where the outdoor air humidity ratio is relatively small. On the other hand，the liquid desiccant dehumidification system and condensate system may be better where the ratio is relatively large.

Key words：air-conditioning； humid regions in summer season； temperature and humidity independent control； COP

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)（Temperature and Humidity Independent Control Air Conditioning System，簡(jiǎn)稱(chēng)THIC空調(diào)系統(tǒng)）采用溫度與濕度兩套獨(dú)立的空調(diào)子系統(tǒng)，分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度，從而避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理所帶來(lái)的損失[1]，所采取的新風(fēng)處理形式包括轉(zhuǎn)輪除濕、溶液除濕、冷凝除濕等[2-4].但是目前關(guān)于THIC系統(tǒng)COP的分析主要集中對(duì)某單一系統(tǒng)的研究，而同一地區(qū)不同形式的THIC系統(tǒng)COP以及不同地區(qū)同一形式的THIC系統(tǒng)COP均存在相當(dāng)大的不同[5～8]，研究不同情況下不同溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的綜合COP特性，對(duì)指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)選擇和設(shè)計(jì)有著重要意義.本文根據(jù)國(guó)內(nèi)不同地區(qū)室外氣象參數(shù)的不同，結(jié)合各種THIC系統(tǒng)的處理過(guò)程研究了不同處理過(guò)程的能耗以及綜合COP.

1 基本參數(shù)信息

1.1 氣候條件

我國(guó)幅員遼闊，各地氣候存在著顯著差異，依據(jù)室外氣象條件可分為潮濕地區(qū)和干燥地區(qū).在干燥地區(qū)，室外空氣比較干燥，空氣處理過(guò)程的核心任務(wù)是對(duì)空氣的降溫處理過(guò)程，而在潮濕地區(qū)，需要對(duì)新風(fēng)除濕之后才能送入室內(nèi)，空氣處理過(guò)程的核心任務(wù)是對(duì)新風(fēng)的除濕處理過(guò)程.表1為我國(guó)主要城市所處氣候分區(qū).本次研究主要選取潮濕地區(qū)的北京、上海、長(zhǎng)沙、廣州、哈爾濱、海口、成都，各城市室外氣象參數(shù)見(jiàn)表2[9].

1.2 新風(fēng)送風(fēng)量和送風(fēng)參數(shù)的確定

以某高級(jí)辦公樓為例，空調(diào)面積為5 000 m2，負(fù)荷指標(biāo)為140 W/m2（房間顯熱負(fù)荷），因計(jì)算干球溫度相差不大，為討論簡(jiǎn)便忽略通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入負(fù)荷的差異.人員密度為0.5人/m2，人員散濕量為109 g/（人·h），辦公建筑的新風(fēng)量取30 m3/（人·h），室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)N：焓值、溫度、含濕量和相對(duì)濕度分別為58.54 kJ/kg，26 ℃，12.7 g/kg和60%[10].

新風(fēng)送風(fēng)濕度求解公式：

空氣處理過(guò)程見(jiàn)圖1.

圖中O點(diǎn)為新風(fēng)的處理狀態(tài)點(diǎn)，F(xiàn)為干式風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)點(diǎn)，S為房間送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，各狀態(tài)點(diǎn)根據(jù)規(guī)范規(guī)定的送風(fēng)溫差、房間的顯熱潛熱負(fù)荷確定[9].計(jì)算得新風(fēng)焓值hO為44.8 kJ/kg，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S溫度、含濕量、焓值分別為21 ℃，11.9 g/kg和51.4 kJ/kg；干式風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)參數(shù)F的溫度、含濕量、焓值分別為22.2 ℃，12.7 g/kg和53.7 kJ/kg.總送風(fēng)量、干式風(fēng)機(jī)盤(pán)管送風(fēng)量、新風(fēng)送風(fēng)量分別為97 kg/s，72 kg/s，25 kg/s.

2 THIC模型的建立

2.1 轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

2.1.1 熱回收式單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

帶全熱回收的單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組處理流程如圖2所示.

帶全熱回收的單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組處理過(guò)程在焓濕圖上表示如圖3所示.

新風(fēng)W先經(jīng)過(guò)全熱回收裝置與回風(fēng)進(jìn)行熱回收，取全熱回收器的顯熱回收效率為60%，潛熱回收效率為55%，根據(jù)換熱公式[11]可以得到熱回收后W′點(diǎn)的狀態(tài).

冷水機(jī)組制冷量的計(jì)算：

2.1.2 熱回收式雙級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

帶全熱回收的雙級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖4所示.

新風(fēng)熱回收后W′點(diǎn)、再生空氣狀態(tài)點(diǎn)M和M′點(diǎn)的求解方法和熱回收式單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕一致.

2.1.3 熱泵式單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

熱泵式單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖6所示.

熱泵式單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)處理焓濕圖和圖2一致.新風(fēng)熱回收后W′點(diǎn)、再生空氣狀態(tài)點(diǎn)M點(diǎn)的求解方法和熱回收式單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕一致.該過(guò)程中風(fēng)冷熱泵最大再生能力為50 ℃，再生溫度高于50 ℃部分仍采用電加熱再生.

2.1.4 熱泵式雙級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

熱泵式雙級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖7所示.

熱泵式雙級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)處理焓濕圖和圖4一致.熱泵式雙級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕處理過(guò)程的計(jì)算方法和熱泵式單級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕的計(jì)算方法相同，在這里就不再贅述.

2.2 溶液除濕系統(tǒng)

2.2.1 熱泵式單級(jí)溶液除濕系統(tǒng)

熱泵式單級(jí)溶液除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖8所示.

熱泵式單級(jí)溶液除濕新風(fēng)機(jī)組處理過(guò)程在焓濕圖上表示如圖9所示.

新風(fēng)W和回風(fēng)N進(jìn)行熱回收，熱回收后新風(fēng)A在右邊噴淋模塊中和被蒸發(fā)器5冷卻的溶液進(jìn)行熱濕交換，溶液被稀釋且溫度升高，新風(fēng)A被降溫除濕達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，左邊噴淋模塊中的溶液被冷凝器4加熱后，在噴淋單元內(nèi)完成溶液的濃縮再生過(guò)程，被稀釋的和被濃縮的溶液經(jīng)過(guò)換熱器7換熱后通過(guò)溶液管相連，通過(guò)溶液管中溶液的流動(dòng)完成蒸發(fā)器側(cè)和冷凝器側(cè)溶液的循環(huán)，以維持兩端的濃度差.

熱泵系統(tǒng)制冷量計(jì)算：

2.2.2 熱泵式雙級(jí)溶液除濕系統(tǒng)

熱泵式雙級(jí)溶液除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖10所示.

熱泵式雙級(jí)溶液除濕新風(fēng)機(jī)組處理過(guò)程在焓濕圖上表示如圖11所示.

兩級(jí)除濕溶液采用不同濃度，濃度高的溶液無(wú)需承擔(dān)較多的排熱量，濃度低的溶液排出冷凝熱的能力較強(qiáng)[12].

熱泵系統(tǒng)制冷量計(jì)算：

2.3 冷凝除濕系統(tǒng)

室內(nèi)排風(fēng)再熱送風(fēng)式冷凝除濕機(jī)組流程如圖12所示.

室內(nèi)排風(fēng)再熱送風(fēng)式冷凝除濕機(jī)組處理過(guò)程在焓濕圖上表示如圖13所示.

除濕處理后的新風(fēng)L與室內(nèi)回風(fēng)N之間進(jìn)行顯熱熱回收，實(shí)現(xiàn)對(duì)新風(fēng)的再熱處理.回風(fēng)經(jīng)過(guò)與除濕處理后的新風(fēng)之間的顯熱回收后溫度降低，之后再進(jìn)入全熱回收裝置與新風(fēng)進(jìn)行全熱交換，對(duì)新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷.預(yù)冷后的新風(fēng)W′經(jīng)過(guò)低溫冷水盤(pán)管處理降溫除濕處理到L點(diǎn).

低溫冷水機(jī)組制冷量計(jì)算：

3 系統(tǒng)能耗及系統(tǒng)效率

3.1 計(jì)算方法

本文計(jì)算結(jié)果采用COP的形式表示，計(jì)算過(guò)程中風(fēng)冷熱泵COP取2.8，低溫冷水機(jī)組COP取4.6，高溫冷水機(jī)組COP取7.8.冷凍水輸送系數(shù)和冷卻水輸送系數(shù)取41.5[10].取值符合《冷水機(jī)能效限定值及能源效率等級(jí)》要求[13].

3.2 計(jì)算結(jié)果

熱回收式轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)采用電加熱再生空氣，低溫冷水機(jī)組對(duì)除濕后新風(fēng)進(jìn)行降溫處理，包括一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕和雙級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng).熱泵式轉(zhuǎn)輪除濕利用熱泵對(duì)除濕后新風(fēng)進(jìn)行降溫以及加熱再生空氣，熱泵能提供的最高再生溫度為50 ℃，高于50 ℃部分采用電加熱再生空氣.溶液除濕新風(fēng)系統(tǒng)的核心部件是溶液式全熱回收裝置，新風(fēng)和室內(nèi)回收先在溶液式全熱回收裝置中進(jìn)行熱濕交換，然后再通過(guò)溶液式全熱回收裝置進(jìn)行新風(fēng)的降溫除濕以及溶液的再生，除濕再生過(guò)程中所需的冷熱量由熱泵機(jī)組提供.各系統(tǒng)COP（含室內(nèi)顯熱、潛熱和新風(fēng)負(fù)荷）見(jiàn)表3.

4 THIC空調(diào)系統(tǒng)COP對(duì)比分析

各個(gè)城市不同溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)COP和含濕量關(guān)系見(jiàn)圖14.

對(duì)于轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，達(dá)到相同室內(nèi)狀態(tài)參數(shù)時(shí)熱泵式機(jī)組的COP明顯高于單純采用電再生的轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，說(shuō)明電加熱再生是一種不可取的再生方式.采用熱泵冷凝熱再生轉(zhuǎn)輪時(shí)，單級(jí)轉(zhuǎn)輪的COP小于雙級(jí)轉(zhuǎn)輪，此時(shí)雖然雙級(jí)轉(zhuǎn)輪的再生熱量大于單級(jí)轉(zhuǎn)輪，但雙級(jí)轉(zhuǎn)輪的再生溫度在50 ℃左右，能夠很好的利用熱泵的冷凝熱.

對(duì)于溶液除濕系統(tǒng)，同一個(gè)地區(qū)單級(jí)溶液除濕系統(tǒng)和雙級(jí)溶液除濕系統(tǒng)的COP相差很小.但實(shí)際情況中雙級(jí)溶液除濕中濃度低的一級(jí)排除冷凝熱的能力比較強(qiáng)，有利于降低冷凝溫度，而濃度較高的一級(jí)不用承擔(dān)過(guò)多的排熱量，也就不會(huì)提高冷凝溫度.冷凝溫度降低，整個(gè)系統(tǒng)的COP將有所提高[14].

對(duì)于室外空氣含濕量較低的地區(qū)如北京和哈爾濱，采用熱泵式轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)能獲得較高的系統(tǒng)能效比；對(duì)于上海、長(zhǎng)沙、廣州、海口、成都等室外空氣含濕量較高的地區(qū)，則采用溶液除濕系統(tǒng)、冷凝除濕系統(tǒng)能獲得較高的系統(tǒng)能效比；室外空氣含濕量越高的地區(qū)越適合采用冷凝除濕系統(tǒng)；從圖13還可以看出，溶液除濕THIC系統(tǒng)COP值其地區(qū)差異性不大.

5 結(jié) 論

本文根據(jù)3種不同形式的THIC系統(tǒng)的處理過(guò)程，結(jié)合不同城市的夏季室外狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)處理過(guò)程得出了不同室外狀態(tài)參數(shù)下我國(guó)潮濕地區(qū)采用不同形式THIC系統(tǒng)的綜合COP.通過(guò)研究分析可以得出以下結(jié)論.

1）對(duì)于室外含濕量相對(duì)較小的地區(qū)如北京、哈爾濱，在進(jìn)行溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可優(yōu)先考慮選擇熱泵轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)；對(duì)于室外含濕量相對(duì)較大的地區(qū)如長(zhǎng)沙、廣州，適合選擇溶液除濕系統(tǒng)和冷凝除濕系統(tǒng).

2）由于再生熱對(duì)系統(tǒng)綜合COP有很大的影響.應(yīng)使用余熱、廢熱等低品位能源作為再生熱源.

3）本次計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮變工況下機(jī)組COP和除濕器性能的變化以及風(fēng)機(jī)的能耗，計(jì)算結(jié)果存有一定的局限性，可供溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的技術(shù)研究、工程設(shè)計(jì)參考.對(duì)于實(shí)際工況下各系統(tǒng)的COP，有待以后進(jìn)一步研究.

參考文獻(xiàn)

[1] 劉曉華.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003：36-38.

[2] JAIN S，BANSAL P K.Performance analysis of liquid desicand dehumidification systems[J].International Journal of Refrigeration，2007，30（5）：861-872.

[3] NARAYANAN R，SAMAN W Y，WHITE S D， et al.Comparative study of different desiccant wheel designs[J].Applied Thermal Engineering，2011，31（10）：1613-1620.

[4] LUO Yi-mo，YANG Hang-xing，LU Lin. Liquid desiccant dehumidifier： Development of a new performance predication model based on CFD[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，69（2）：408-416.

[5] 馬宏權(quán)，龍惟定.高溫高濕地區(qū)溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)應(yīng)用分析[J].暖通空調(diào)，2009，39（2）：62-69.

[6] 劉栓強(qiáng)，江億，劉曉華，等.熱泵驅(qū)動(dòng)的雙級(jí)溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組原理及性能測(cè)試[J].暖通空調(diào)，2008，38（1）：54-63.

[7] 楊自力，連之偉.基于理想除濕效率的液體除濕空調(diào)系統(tǒng)性能影響因素分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，48（6）：822-826.

[8] 楊昌智，陳丹.排風(fēng)熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（12）：103-108.

[9] GB 50736-2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：102-177.

[10] GB 50189-2005 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：23-24.

[11]劉云祥.排風(fēng)熱回收系統(tǒng)應(yīng)用的探討[J].暖通空調(diào)，2012（7）：72-77.

[12]黃蓉.溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)在長(zhǎng)沙地區(qū)的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2014：49-51

[13]GB 19577-2004 冷水機(jī)能效限定值及能源效率等級(jí)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004：1-4.

[14]劉栓強(qiáng).熱泵式溶液調(diào)濕空氣處理裝置的研究[D].北京：清華大學(xué)建筑學(xué)院，2010：63-65.