南方濕熱地區(qū)單級與雙級固體除濕系統(tǒng)性能對比

楊晚生 凌子鵬 黎 毅 王 婧

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006)

建筑能耗占比已達(dá)社會總能耗的33%[1]，其中空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑能耗的40%～60%[2]。在我國大部分南方地區(qū)的空調(diào)季節(jié)，除濕部分的能耗占空調(diào)總能耗的30%～50%[3]，可見減少空調(diào)系統(tǒng)除濕能耗可在一定程度上降低社會總能耗。

一方面，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)存在能耗高、空氣熱濕比難以控制及破壞環(huán)境等問題[1,4-6]，溫濕獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)能夠適應(yīng)室內(nèi)變化的熱濕比，避免降溫、再熱與除濕、加濕抵消造成的進(jìn)一步能源損失[1]。固體除濕空調(diào)系統(tǒng)作為溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的一種得到學(xué)者們的關(guān)注。

另一方面，我國數(shù)據(jù)中心的總能耗仍隨著規(guī)模和密度的增大而不斷增大，其中空調(diào)系統(tǒng)約占總能耗的40%[7]，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)直接影響數(shù)據(jù)中心的PUE(用能效率，power usage effectiveness)和GCOP(數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)綜合性能系數(shù)，general coefficient of performance)。但現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的恒溫恒濕空調(diào)設(shè)備，存在自然能源利用率低、冷卻介質(zhì)間的多次換熱降低傳熱效率、氣流組織分配不均引起能耗增加的問題[8]，蒸發(fā)冷卻耦合固體除濕的空調(diào)系統(tǒng)為解決數(shù)據(jù)中心能耗劇增的問題提供了一種可能性，但兩者均與氣象條件緊密相連，不同氣象地區(qū)的性能表現(xiàn)差異較大，因此本文以固體除濕系統(tǒng)為對象進(jìn)行相關(guān)測試和研究。

固體除濕空調(diào)系統(tǒng)采用的除濕器主要有兩種：固定床除濕和轉(zhuǎn)輪除濕。相對于轉(zhuǎn)輪式，固定床不包括轉(zhuǎn)動裝置，系統(tǒng)運(yùn)行操作相對簡單，初投資及運(yùn)行費(fèi)用較低[9]，P. Finocchiaro等[10]研究指出，固定床除濕減少了由于熱應(yīng)力降低而導(dǎo)致的硅膠降解，優(yōu)于轉(zhuǎn)輪除濕。

目前，已有研究者針對固體除濕進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。李維等[11]以硅膠、4A分子篩和13X分子篩作為固體吸附除濕材料，實(shí)驗(yàn)研究了在給定結(jié)構(gòu)的固定床中不同組合填裝的吸附除濕性能，分析了吸附除濕階段固定床出口溫度、處理量隨時間的變化規(guī)律。楊晚生等[12]設(shè)計了一種利用太陽能直接再生的固體除濕床，并搭建了除濕床性能測試平臺，通過實(shí)驗(yàn)獲得不同溫、濕度和風(fēng)速下空氣通過除濕床所釋放的汽化潛熱和除濕過程空氣溫升等性能評價指標(biāo)。L. Pistocchini等[13-14]綜述了一種固定床吸附除濕器的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)，該吸附床主體結(jié)構(gòu)是管翅式熱交換器，翅片間用硅膠顆粒填充，該床體可將再生溫度降至55 ℃以下，且具有較小壓降。C. H. Chen等[15]實(shí)驗(yàn)分析了空調(diào)系統(tǒng)使用的硅膠循環(huán)流化床體的除濕和再生性能，指出流化床能夠在不消耗多余能量的前提下連續(xù)工作。此外,C. H. Chen等[16]將硅膠與聚丙烯酸和聚丙烯酸鈉結(jié)合，研發(fā)了一種硅膠復(fù)合除濕劑，實(shí)驗(yàn)研究了其在不同風(fēng)速、再生溫度、入口溫度和濕度下的除濕性能，結(jié)果表明節(jié)能潛力較大。Y. C. Chiang等[17]設(shè)計了一種循環(huán)傾斜流化床除濕系統(tǒng)，具有低功耗、高除濕能力、無塵的特點(diǎn)。Tu Rang等[18]提出一種采用固體除濕平板的熱泵驅(qū)動多級新風(fēng)處理裝置，該裝置能夠通過調(diào)節(jié)進(jìn)口空氣的溫濕度，以較低的能耗獲得理想送風(fēng)狀態(tài)。I. Yaningsih等[19]研究了蜂窩式除濕器的傳熱傳質(zhì)特性，通過改變吸附溫度和床體切換時間來評估除濕器的性能，結(jié)果表明切換時間對Nu和Sh影響較小。P. Vivekh等[20]研制了一種由親水性高吸水性聚合物和吸濕性鹽組成的復(fù)合高分子干燥劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其吸附容量是硅膠的12倍，動力學(xué)速度是硅膠的2倍；通過對帶除濕熱交換器的空調(diào)進(jìn)行深入的能量分析，發(fā)現(xiàn)采用復(fù)合聚合物的除濕熱交換器具有50%的節(jié)能潛力。

本文設(shè)計并搭建了一種固體除濕系統(tǒng)，以耦合蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)降低數(shù)據(jù)中心能耗為目的，對其在廣州過渡季節(jié)實(shí)際氣候條件下的除濕性能進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，為南方濕熱地區(qū)蒸發(fā)冷卻技術(shù)和固體除濕系統(tǒng)的耦合應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測試儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文的固體除濕系統(tǒng)裝置如圖1所示，分別為雙級固體除濕箱A和單級固體除濕箱B。

1進(jìn)風(fēng)口；2過濾纖維層；3擋板；4雙級固體除濕箱抽屜；5風(fēng)道；6出風(fēng)口；7支腳；8單級固體除濕箱抽屜。

固體除濕系統(tǒng)基本工作原理為：室外新風(fēng)從固體除濕裝置進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后，依次通過各級除濕層進(jìn)行除濕，再從出口排出，除濕層抽屜采用模塊化設(shè)計，除濕層內(nèi)填充有固體除濕材料——硅膠，硅膠顆粒除濕飽和后可方便取出再生。該裝置與用固定床除濕器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡易、模塊化設(shè)計、造價低廉的優(yōu)點(diǎn)，可擴(kuò)展蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在南方濕熱地區(qū)的應(yīng)用范圍和時長，提高冷卻效率。

1.2 測試儀器

實(shí)驗(yàn)需要測量的參數(shù)主要包括進(jìn)風(fēng)口空氣溫濕度和風(fēng)速、通過各級除濕抽屜空氣的溫濕度、出風(fēng)口空氣溫濕度、除濕抽屜內(nèi)各模塊的溫度和質(zhì)量，測試儀器參數(shù)如表1所示。

表1 測試儀器參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

提高數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的自然冷源利用率已成為降低其能耗的重要方式之一。對于南方濕熱地區(qū)，過渡季節(jié)的室外空氣溫度不高，但濕度較高，若想利用室外自然冷源，則需對室外空氣進(jìn)行除濕處理。因此，實(shí)驗(yàn)選擇在廣州過渡季節(jié)(3—5月份)進(jìn)行，測試工況如表2所示，各工況以室外空氣日均干球溫度進(jìn)行劃分，日均干球溫度相近的實(shí)驗(yàn)天數(shù)被歸為同一組測試工況。

表2 測試工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

除濕量、除濕效率、除濕速率、吸濕率和含濕比是研究固體除濕性能的主要指標(biāo)，其中除濕效率是核心指標(biāo)，本文采用除濕效率、吸濕率和含濕比對固體除濕系統(tǒng)的性能進(jìn)行評價。

2.1 除濕效率

除濕效率是指除濕過程中某時刻除濕量與該時刻空氣除濕前絕對含濕量的比值，該指標(biāo)反映除濕箱實(shí)際除濕能力接近理想除濕能力的程度，計算式為：

(1)

式中：ηd為除濕效率，%；Δω為固體除濕系統(tǒng)的除濕量，是某一時刻固體除濕箱進(jìn)出口空氣含濕量的差值，g/(kg干空氣)；ωin為固體除濕系統(tǒng)進(jìn)口空氣的含濕量，g/(kg干空氣)。

根據(jù)式(1)可繪制出各工況下除濕效率隨時間的變化曲線，如圖2所示。

圖2 固體除濕箱除濕效率隨時間的變化

由圖2可知：

1)系統(tǒng)除濕效率隨時間快速增至最大值，然后不斷減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，除濕效率曲線在320 min時趨于穩(wěn)定。

2)在工況3測試條件下，固體除濕箱A在實(shí)驗(yàn)開始25 min時達(dá)到最大除濕效率22.2%，為同工況下箱體B最大除濕量的2.0倍，平均除濕效率為11.1%，約為固體除濕箱B平均除濕效率的2.8倍。

3)固體除濕箱B在工況3下的平均除濕效率最大，為3.8%，最大除濕效率出現(xiàn)在工況2條件下，為11.8%，約為固體除濕箱A最大除濕效率的53.2%。

各工況下固體除濕系統(tǒng)的平均除濕效率如圖3所示。

圖3 各工況平均除濕效率對比

分析測試結(jié)果可知：

1)在測試工況1和工況3～7下，雙級固體除濕箱A的平均除濕效率均比單級固體除濕箱B大；在工況3和工況5的實(shí)驗(yàn)條件下，雙級固體除濕箱A具有較好的除濕性能，說明增大除濕的處理級數(shù)可有效提高裝置的除濕性能。

2)雙級固體除濕箱A和單級固體除濕箱B在工況3下均表現(xiàn)出較好的除濕性能；單級固體除濕箱B在工況4下的除濕效率為負(fù)值，主要原因是室外空氣干球溫度偏高，除濕材料再生不夠完全，出現(xiàn)反向加濕空氣的現(xiàn)象。

2.2 吸濕率

吸濕率是指除濕過程中某時刻除濕材料的總吸濕量與完全干燥狀態(tài)下除濕材料的質(zhì)量之比，該指標(biāo)反映某時刻除濕材料的吸濕能力，計算式為：

(2)

式中：wd為吸濕率，%；mτ為某時刻除濕材料的質(zhì)量，kg；mg為完全干燥狀態(tài)下硅膠的質(zhì)量，kg。

吸濕率采用取樣稱重法進(jìn)行測試。各工況吸濕率隨時間的變化如圖4所示。由圖4可知，吸濕率隨時間不斷增大，當(dāng)除濕材料在對應(yīng)空氣水蒸氣分壓力下逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)時，吸濕率增大速率逐漸變慢，約在6 h達(dá)到穩(wěn)定；在工況3測試條件下，固體除濕箱A具有較高的吸濕率，最大值為23.7%，為同工況下固體除濕箱B吸濕率的1.3倍，固體除濕箱B在工況3下吸濕率也達(dá)到最大，為18.0%；工況2測試條件下兩箱體達(dá)到吸濕飽和的時間均為3 h。

圖4 固體除濕箱吸濕率隨時間的變化

圖5所示為各工況平均吸濕率的對比，分析可知：在工況1和工況4測試條件下，固體除濕箱的吸濕率均較低，工況1下兩箱體的平均吸濕率分別為4.4%和2.9%，工況4下分別為2.5%和3.1%，表明除濕箱在空氣絕對含濕量低的情況下，吸濕能力變?nèi)酢?/p>

圖5 各工況平均吸濕率對比

2.3 含濕比

含濕比是指除濕過程中某時刻的總吸濕量與除濕材料在有效除濕時間的總吸濕量之比，該指標(biāo)反映了除濕材料的利用程度，計算式為：

(3)

式中：MR為含濕比；mτ為某時刻除濕材料的質(zhì)量，kg；m0為初始除濕狀態(tài)下除濕材料的質(zhì)量，kg；me為除濕材料除濕結(jié)束時的質(zhì)量，kg。

各工況含濕比隨時間的變化如圖6所示。由圖6可知：

圖6 固體除濕箱含濕比隨時間的變化

1)固體除濕系統(tǒng)含濕比整體隨時間不斷增大直至接近1，增長速度隨時間逐漸減小。

2)兩固體除濕箱的含濕比均在工況2下最快達(dá)到1，這是因?yàn)樵诠r2測試條件下，除濕材料在室外空氣對應(yīng)水蒸氣分壓力下很快飽和，表明除濕箱在工況2下最大除濕利用程度的時間較短。

3)工況4下，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行約2 h時，固體除濕箱A和箱B內(nèi)除濕材料的含濕比曲線分別呈現(xiàn)上升和下降波動的變化，原因?yàn)楣腆w除濕箱A從測試開始3 h后出現(xiàn)降雨情況，對應(yīng)室外空氣水蒸氣分壓力增大，含濕量增加，系統(tǒng)除濕效率有所增加，除濕材料吸濕后質(zhì)量增大并超過實(shí)驗(yàn)結(jié)束時的質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致固體除濕箱A的含濕比出現(xiàn)大于1的情況，但降雨停止后，太陽暴曬使空氣溫度驟升，含濕量和水蒸氣分壓力下降，該狀態(tài)下的空氣掠過除濕材料表面時進(jìn)了“再生”，將原來因降雨而吸收的空氣水分又再次帶走，含濕比回降至1；對于固體除濕箱B而言，測試中出現(xiàn)材料傾撒的情況導(dǎo)致曲線在2 h后有所下降。

2.4 理論計算模型

根據(jù)吸濕率和含濕比的逐時變化曲線可知，在不同的測試工況下二者均呈指數(shù)變化，根據(jù)該變化過程，建立了關(guān)于吸濕率和含濕比的理論數(shù)學(xué)模型：

wd=w∞(1-e-βτ)

(4)

式中：wd為任意時刻固體除濕箱內(nèi)除濕材料的理論吸濕率，%；τ為時間，h；w∞為τ→∞時固體除濕箱內(nèi)除濕材料的吸濕率，%；β為固體除濕箱內(nèi)除濕材料吸濕率的時間常數(shù)。

MRd=MR∞(1-e-ατ)

(5)

式中：MRd為任意時刻固體除濕箱內(nèi)除濕材料的理論含濕比；τ為時間，h；MR∞為τ→∞時固體除濕箱內(nèi)除濕材料的含濕比；α為固體除濕箱內(nèi)除濕材料含濕比的時間常數(shù)。

根據(jù)上述方法計算求解得各測試工況下對應(yīng)的βm和αm，如表3所示。在確定時間常數(shù)后，可得到各工況下的理論計算模型，將其與實(shí)驗(yàn)測試下獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如圖7所示。

表3 各測試工況下β和α的值

圖7 固體除濕箱理論吸濕率和實(shí)際吸濕率的對比

由圖7可知，除工況4外，測試工況下理論計算模型與實(shí)際測試數(shù)據(jù)變化趨勢吻合較好。

圖8 固體除濕箱理論含濕比和實(shí)際含濕比的對比

為更進(jìn)一步驗(yàn)證理論計算模型的可靠性，本文計算求解了各測試工況理論值與測試值的平均相對誤差，如圖9所示。分析可知，除工況4外，絕大部分測試工況的平均相對誤差在10%以內(nèi)，說明理論計算模型具有一定可靠性。

圖9 各測試工況下的平均相對誤差

根據(jù)所建立的理論計算模型，本文以求取平均值的方法整合了吸濕率和含濕比曲線相近的測試工況理論計算模型參數(shù)，如表4～表7所示。工程人員可根據(jù)固體除濕箱運(yùn)行的實(shí)際氣象條件，與表中的干球溫度及相對濕度進(jìn)行參照對比，選取相應(yīng)合適的理論計算模型參數(shù)β、w∞、α和MR∞，并代入理論計算模型式(4)和式(5)中，結(jié)合固體除濕箱的具體運(yùn)行時間，對箱體運(yùn)行過程中的wd和MRd進(jìn)行判斷和分析。

表4 固體除濕箱A在不同工況的吸濕率計算模型參數(shù)

表5 固體除濕箱B在不同工況的吸濕率計算模型參數(shù)

表6 固體除濕箱A在不同工況的含濕比計算模型參數(shù)

表7 固體除濕箱B在不同工況的含濕比計算模型參數(shù)

3 結(jié)論

本文對一種應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的固體除濕系統(tǒng)在廣州地區(qū)過渡季(3—5月份)的工況下進(jìn)行了除濕性能測試，建立了關(guān)于吸濕率和含濕比的理論計算模型，得到結(jié)論如下：

1)雙級固體除濕箱A最大除濕效率為22.2%，是單級除濕箱B最大除濕效率的2倍；在平均干球溫度25.2 ℃和平均相對濕度56.4%～74.9%的情況下，雙級固體除濕系統(tǒng)的平均除濕效率為11.0%，為同工況下單級除濕系統(tǒng)的2.8倍；除濕效率隨處理級數(shù)的增大而增大。未來可對固體除濕箱的處理級數(shù)和壓降進(jìn)行更進(jìn)一步研究，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

2)固體除濕系統(tǒng)吸濕率隨時間不斷增大，吸濕率增長速度不斷減小，在6 h左右達(dá)到穩(wěn)定；雙級除濕系統(tǒng)的最大吸濕率為23.7%，為同工況下單級除濕系統(tǒng)的1.3倍；雙級除濕系統(tǒng)的平均吸濕率分別為2.5%～4.4%，單級除濕度系統(tǒng)的平均吸濕率分別為2.9%～3.1%；除濕系統(tǒng)在空氣入口含濕量較低的情況下除濕能力較弱，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可減少固體除濕箱在含濕量較低工況下的運(yùn)行時間，以提高除濕材料的利用率。

3)雙級除濕系統(tǒng)的吸濕率時間常數(shù)β在0.33～1.18間，含濕比時間常數(shù)α取值在0.41～1.30間；單級除濕系統(tǒng)的吸濕率時間常數(shù)β在0.35～1.00范圍內(nèi)，含濕比時間常數(shù)α取值在0.37～1.10間。

4)吸濕率理論計算模型和含濕比理論計算模型能夠較好地擬合實(shí)際吸濕率和含濕比的變化曲線，平均相對誤差在10%以內(nèi)。

本文受歐盟2020研究和創(chuàng)新基金項(xiàng)目：Horizon 2020研究與創(chuàng)新項(xiàng)目計劃——數(shù)據(jù)中心低能耗露點(diǎn)冷卻技術(shù)研究(734340-DEW-COOL-4-CDC-MSCA-RIS)、廣東機(jī)場白云信息科技有限公司：機(jī)場能源管理系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化及控制模型研究項(xiàng)目(P-BYGHT-XX1020190170)資助。(The project was supported by EU 2020 Research and Innovation Fund Projects: Horizon 2020-Research and Innovation Framework Programme， Low Energy Dew Point Cooling for Computing Data Centres (No. 734340-DEW-COOL-4-CDC-MSCA-RIS) and Guangdong Airport Baiyun Information Technology Co., Ltd.: Airport Energy Management System Energy Saving Optimization and Control Model Research Project(No. P-BYGHT-XX1020190170).)