王凌杰，楊昌盛

（1.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.沃桐?？諝庹{(diào)節(jié)設(shè)備（上海）有限公司，上海 200082）

0 引言

隨著室內(nèi)空氣品質(zhì)要求和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能要求的提高，空調(diào)系統(tǒng)的除濕技術(shù)，尤其是新風(fēng)的除濕技術(shù)越來(lái)越受到重視[1]，各種調(diào)溫除濕空調(diào)機(jī)組在空調(diào)系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用?？照{(diào)系統(tǒng)的能耗占我國(guó)建筑總能耗的40%～60%，其中干燥除濕是能耗較高、實(shí)施起來(lái)難度較大的一個(gè)環(huán)節(jié)[2]?？紤]到當(dāng)前能源緊張的現(xiàn)狀，除濕空調(diào)機(jī)組在選擇應(yīng)用時(shí)必須在滿足參數(shù)的前提下，應(yīng)優(yōu)先選擇能耗較低的機(jī)組，以免產(chǎn)生額外的能源消耗，造成不必要的浪費(fèi)。

目前市場(chǎng)上的除濕空調(diào)機(jī)組類型較多，大體上分為冷凍除濕、固體吸附除濕和液體除濕方法三類，各類機(jī)組的運(yùn)行能耗存在差別。本文以下將對(duì)這三類機(jī)組的空氣處理過(guò)程及在處理相同空氣量時(shí)的能耗進(jìn)行分析比較，以便為空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 除濕空調(diào)機(jī)組的除濕過(guò)程分析

除濕空調(diào)的典型設(shè)備分別是冷凍干燥除濕機(jī)、轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組和溶液除濕空調(diào)機(jī)組，各機(jī)組的工作原理與空氣處理過(guò)程存在較大差異。

冷凍干燥除濕機(jī)是將濕空氣冷卻至露點(diǎn)溫度以下，使?jié)窨諝庵械乃魵庖砸簯B(tài)的形式析出，實(shí)現(xiàn)冷卻除濕的目的。其內(nèi)部設(shè)置了一套制冷系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)盤管換熱器表面產(chǎn)生遠(yuǎn)低于空氣露點(diǎn)的低溫，濕空氣流過(guò)蒸發(fā)器時(shí)，其中的水蒸氣首先達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)降溫后將以液體的形式從空氣中分離出來(lái)，流入蒸發(fā)盤管下部的積水盤排出機(jī)組外。被降溫干燥后的空氣繼續(xù)流過(guò)冷凝盤管換熱器，吸收冷凝器散出的熱量，提高至所需溫度，送入被處理環(huán)境，完成除濕、升溫的過(guò)程。冷凍除濕機(jī)的空氣處理過(guò)程可用圖1的焓—濕圖表示，圖中1點(diǎn)為被處理空氣的初始狀態(tài)，圖中為濕空氣降溫除濕的過(guò)程，為干燥后空氣的升溫過(guò)程。見(jiàn)圖1。

圖1 冷凍除濕機(jī)的除濕過(guò)程h—d圖

轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組屬于固體吸附除濕范疇，其核心部件是一個(gè)蜂窩狀轉(zhuǎn)輪，由特殊陶瓷纖維載體和活性硅膠復(fù)合而成[3]；轉(zhuǎn)輪的整個(gè)盤面分隔為兩個(gè)扇形區(qū)域，其中約2/3為處理區(qū)，1/3為再生區(qū)。濕空氣通過(guò)轉(zhuǎn)輪的扇形處理區(qū)，其水蒸氣被轉(zhuǎn)輪上的固體吸附劑吸收，實(shí)現(xiàn)減濕作用。處理區(qū)吸收水蒸氣后含水量增加，除濕能力下降，此時(shí)轉(zhuǎn)輪在皮帶的驅(qū)動(dòng)下以8 r/h左右的轉(zhuǎn)速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使部分處理區(qū)盤面轉(zhuǎn)入再生區(qū)，再生空氣經(jīng)電加熱（或其它熱媒加熱）形成的干熱空氣通過(guò)再生區(qū)，因吸附劑表面水蒸氣分壓力遠(yuǎn)大于干熱空氣中水蒸氣分壓力，水蒸氣在此壓差推動(dòng)下，擴(kuò)散進(jìn)入再生空氣中，使轉(zhuǎn)輪固體吸附劑恢復(fù)吸濕能力，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)除濕、再生的作用。

轉(zhuǎn)輪吸附除濕過(guò)程近似為等焓減濕過(guò)程，濕空氣中的水蒸氣在轉(zhuǎn)輪處理區(qū)中被吸附液化，放出熱量，導(dǎo)致被處理空氣的溫度升高，若需要將被處理空氣降溫到所需的送風(fēng)溫度，還需要額外提供冷量。調(diào)溫轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組的空氣處理過(guò)程如圖2所示，圖中為濕空氣通過(guò)轉(zhuǎn)輪再生區(qū)被除濕的過(guò)程，為干燥空氣等濕冷卻至送風(fēng)溫度的過(guò)程。

圖2 轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的除濕過(guò)程h—d圖

溶液除濕空調(diào)機(jī)組是利用了濃度較高的鹽溶液吸收水蒸氣的原理進(jìn)行除濕的，濃度較高的鹽溶液水蒸氣分壓力低于濕空氣中的水蒸氣分壓力，水蒸氣在此壓差推動(dòng)下向濃溶液擴(kuò)散，并被濃溶液吸收，濕空氣因而被干燥。吸收了水蒸氣的濃溶液轉(zhuǎn)變?yōu)橄∪芤海山?jīng)升溫后與再生空氣接觸，并釋放出水分而濃縮再生，恢復(fù)吸濕能力。溶液除濕空調(diào)機(jī)組處理空氣的過(guò)程如圖3所示，圖中為濕空氣與濃溶液接觸被吸濕冷卻的過(guò)程，為干燥空氣被加熱至所需送風(fēng)溫度的過(guò)程。

圖3 溶液除濕空調(diào)機(jī)組的除濕過(guò)程h—d圖

2 不同類型除濕機(jī)組耗能的理論分析

由圖1、2、3可知，若將等G流量的濕空氣從同一初始狀態(tài)經(jīng)除濕、冷卻（或加熱）至相同的送風(fēng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)相同的除濕量，不同類型的除濕機(jī)組消耗的冷量和熱量存在差異，以下對(duì)各類型除濕機(jī)組的冷熱消耗量進(jìn)行分析，進(jìn)而比較其能耗。

2.1 冷凍除濕機(jī)的總能耗

冷凍除濕機(jī)除濕過(guò)程消耗的冷量由制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器提供，加熱空氣的熱量則由制冷系統(tǒng)的冷凝器提供。對(duì)于有送風(fēng)溫度要求的機(jī)組，可利用少部分冷凝熱，其余的冷凝熱排至室外環(huán)境或用于其它用途。冷凍除濕機(jī)組的耗冷量QLo與耗熱量QLe計(jì)算值見(jiàn)式（1）和式（2）所示。

冷凍除濕機(jī)組總能耗僅為制冷系統(tǒng)提供空氣除濕所需冷量而消耗的壓縮機(jī)功率，其大小為冷量QLo與系統(tǒng)制冷系數(shù)εL之比，即

2.2 轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的總能耗

轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組的除濕過(guò)程理論上不需要消耗冷量，而若將干燥處理后的空氣直接送入空調(diào)房間，則需要消耗空調(diào)系統(tǒng)的冷量。對(duì)調(diào)溫轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組，調(diào)節(jié)干燥空氣送風(fēng)溫度所需的冷量則由另外配置的制冷系統(tǒng)提供，這部分冷量值為：

轉(zhuǎn)輪再生需要干熱空氣，高溫轉(zhuǎn)輪再生空氣的溫度不低于120℃，因此加熱再生空氣的熱量只能由電加熱器提供，不可能利用制冷機(jī)的冷凝熱。低溫再生轉(zhuǎn)輪配有制冷系統(tǒng)，兼有預(yù)冷、調(diào)溫功能，再生空氣的溫度為45～60℃，加熱量由制冷系統(tǒng)冷凝器提供，可不需要額外提供熱量，機(jī)組總能耗僅僅是制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的功耗，效率高于普通高溫轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)，但其再生風(fēng)量高。分析轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的能耗可以低溫再生轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)為代表，低溫再生轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的總能耗為

2.3 溶液除濕機(jī)的總能耗

溶液除濕機(jī)在除濕過(guò)程中，濕空氣中的水蒸氣被濃溶液吸收時(shí)需要放出熱量，導(dǎo)致溶液溫度升高，水蒸氣分壓力增大，吸收過(guò)程的推動(dòng)力減小，溶液吸收性能下降，因而需要冷量平衡除濕過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，其值為：

除濕后的干燥空氣升溫需要的熱量來(lái)自于部分冷凝熱，其值為

式中，GR為再生空氣的質(zhì)量流量，kg/s；

再生過(guò)程中需要將稀溶液升溫以提高溶液表面的水蒸氣分壓力，增強(qiáng)稀溶液散失水分的能力，使稀溶液濃縮為濃溶液，實(shí)現(xiàn)溶液除濕、再生的循環(huán)。溶液加熱所需的熱量由制冷系統(tǒng)冷凝熱提供，這部分熱量為：

式中，GR，z為再生溶液的質(zhì)量流量，kg/s；Cp，R為再生溶液的平均定壓比熱，kJ/（kg·℃）；tR，o為再生溶液的出口溫度，℃；tR，i為再生溶液的進(jìn)口溫度，℃；

溶液除濕機(jī)組的總功耗應(yīng)為除濕過(guò)程消耗的冷量與系統(tǒng)制冷系數(shù)εR之比，調(diào)節(jié)機(jī)組出口干燥空氣的溫度及加熱再生側(cè)稀溶液的熱量全部由系統(tǒng)冷凝熱提供，無(wú)需消耗額外的功率，故而機(jī)組的總能耗可按下式計(jì)算。

在除濕量相同及濕空氣進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)相同的情況下，由圖1、圖2、圖3可以得到 h1L=h1Z=h1R、h2L=h2Z=h2R、h2′L＜ h2′R，根據(jù)式（3）、（6）、（9），可比較不同型式的除濕機(jī)組消耗的功率。因冷凍除濕機(jī)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度較低，溶液除濕機(jī)組則可以采用較高的蒸發(fā)溫度，因此有εL＜εZ＜εR，故首先可以得到PL＞PR，PL＞PZ，表明冷凍除濕機(jī)能耗高于其它兩種除濕機(jī)組的能耗。至于轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組與溶液除濕機(jī)組能耗的高低，則需要考慮具體設(shè)備的對(duì)比進(jìn)行分析。

3 除濕機(jī)組的選擇應(yīng)用方案耗能比較

理論分析并不能完全比較出轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組與溶液除濕機(jī)之間的能耗差別，以下通過(guò)除濕機(jī)組的具體選擇方案來(lái)進(jìn)行分析比較，設(shè)計(jì)選型案例如下：

已知北京市某超市空調(diào)面積約5 000 m2，人員密度取0.48人/m2。夏季空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)為：室內(nèi)設(shè)計(jì)干球溫度tN=26℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度φN=60%；夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度tW=33.2℃，計(jì)算濕球溫度tW，s=26.4℃；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、照明及室內(nèi)設(shè)備散熱負(fù)荷約為55 W/m2；冬季設(shè)計(jì)參數(shù)為：室內(nèi)干球溫度tN=20℃，相對(duì)濕度φN=50%；冬季室外計(jì)算干球溫度tW=-12.0℃，計(jì)算相對(duì)濕度φW=45%；室內(nèi)熱負(fù)荷為約50 W/m2。

室內(nèi)總冷負(fù)荷經(jīng)計(jì)算為610 kW，冷負(fù)荷指標(biāo)為122 W/m2。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，超市人均新風(fēng)量為20 m3/（h·人），總新風(fēng)量為48 000 m3/h，系統(tǒng)總送風(fēng)量為160 000 m3/h。

對(duì)此超市進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型，系統(tǒng)采用PAU（新風(fēng)機(jī)組）+AHU（空調(diào)箱）+VAV末端的形式，新風(fēng)全部由新風(fēng)除濕機(jī)獨(dú)立處理。新風(fēng)除濕機(jī)考慮制冷劑型低溫再生轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)和溶液除濕機(jī)兩種方案，系統(tǒng)設(shè)備選擇如表1所示。

表1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案設(shè)備選型匯總表

由表1選型結(jié)果可見(jiàn)，同樣處理48 000 m3/h的新風(fēng)，方案一的額定除濕量為633.6 kg/h，壓縮機(jī)輸入功率為43.8 kW，方案二的額定除濕量為961.9 kg/h，壓縮機(jī)輸入功率為34.4 kW，采用溶液除濕新風(fēng)機(jī)組的方案優(yōu)于采用轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組的方案，能耗可降低9.4 kW，表明溶液除濕機(jī)組能耗低于轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組。

4 結(jié)論

本文依據(jù)對(duì)不同類型的除濕空調(diào)機(jī)組除濕過(guò)程的分析，并結(jié)合設(shè)備的具體選擇應(yīng)用，得出了以下結(jié)論：

（1）各類除濕空調(diào)機(jī)組在應(yīng)用于恒溫恒濕環(huán)境的空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，選擇溶液除濕機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)除濕量大、出風(fēng)含濕量低的目的，溶液除濕機(jī)組在節(jié)能方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

（2）溶液除濕機(jī)組也存在某些缺點(diǎn)，特別是長(zhǎng)期使用可能會(huì)出現(xiàn)溶液滲漏或逸出，產(chǎn)生腐蝕問(wèn)題，因此在某些除濕量和出風(fēng)含濕量要求不高的場(chǎng)合，可以考慮采用其它類型的除濕機(jī)。

隨著在溶液除濕機(jī)組提高能效方面研究的深入，各種新型高效的機(jī)組不斷出現(xiàn)，溶液除濕機(jī)組存在的問(wèn)題將得到很好的解決。由于溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)約能源、室內(nèi)空氣品質(zhì)控制方面都有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，因此其設(shè)計(jì)應(yīng)用方案必將得到更廣泛的普及。