1 引言
??? 濕度的獨立控制是建筑空調(diào)領(lǐng)域的一項重要課題。采用濕度的獨立控制不僅可避免采用表冷器除濕所造成的巨大的能源浪費，提高制冷機運行效率，而且一些新型替代性制冷技術(shù)如冷吊頂、相變蓄冷、和天然冷卻技術(shù)如深井水回灌取冷等就更易于在工程實際中得到推廣, 所帶來的節(jié)能、環(huán)保方面的意義是非常深遠的?？照{(diào)能耗占到國民經(jīng)濟總能耗的1/3以上，而在華南地區(qū)亞熱帶氣候環(huán)境下，新風(fēng)帶來的潛熱負荷可以占到空調(diào)總負荷的20％－40％， 因此開發(fā)節(jié)能的新風(fēng)獨立除濕系統(tǒng)是建筑節(jié)能領(lǐng)域的一項重大課題。
????? 將排濕和排除污染物的任務(wù)與排熱的要求分別處理，即通過送入清潔、干燥的空氣解決除濕、排除污染的要求，而余熱則可采用輻射或?qū)α鞣绞絾为毺幚?，這應(yīng)該是未來綜合解決熱濕環(huán)境和空氣質(zhì)量的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)考慮的方式[1-2]。人體產(chǎn)濕量在200g/(h人)左右，如果室內(nèi)要求的濕度為12g/kg，送風(fēng)濕度差4-5g/kg，送風(fēng)濕度為7-8g/kg，露點為9-10.5°C，則每個人需要的送風(fēng)量為40-50kg/h，即33-42m3/人，這恰與排除一個人所產(chǎn)生的CO2量所要求的新風(fēng)量相同，這樣的新風(fēng)量也足 以滿足排除人體產(chǎn)生的其它污染物的要求。如果送風(fēng)溫差為5-6°C，這些風(fēng)量又恰好可排除人體發(fā)出的顯熱。
???? 本文提出四種獨立除濕系統(tǒng)，它們分別是：系統(tǒng)A，機械制冷＋熱泵；系統(tǒng)B，機械制冷＋顯熱回收；系統(tǒng)C，機械制冷＋膜法全熱回收；系統(tǒng)D，轉(zhuǎn)輪除濕＋熱泵系統(tǒng)。通過在華南氣候參數(shù)下的逐時模擬，分析了四種系統(tǒng)的能耗。
2 系統(tǒng)描述
????? 考慮四種獨立新風(fēng)系統(tǒng)，分別是系統(tǒng)A，機械制冷＋熱泵；系統(tǒng)B，機械制冷＋顯熱回收；系統(tǒng)C，機械制冷＋膜法全熱回收；系統(tǒng)D，轉(zhuǎn)輪除濕＋熱泵系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的組成以及所對應(yīng)的焓濕圖分別如圖1-圖4所示。
????? 系統(tǒng)A是先用排風(fēng)流過熱泵冷凝器，以利于提高熱泵效率，新風(fēng)通過蒸發(fā)器冷卻除濕，然后通過冷凝器升溫供給室內(nèi)。冷凝溫度可運行在45°C，而蒸發(fā)溫度為15°C，可以獲得較好的節(jié)能品質(zhì)。系統(tǒng)B是采用冷水盤管來冷卻除濕，除濕后的冷空氣通過一顯熱交換器與新風(fēng)進行熱交換，在提高供風(fēng)溫度的同時對新風(fēng)進行預(yù)冷。系統(tǒng)C采用了基于高分子膜的全熱換熱器，首先在排風(fēng)和新風(fēng)間實現(xiàn)顯熱和潛熱的回收，然后新風(fēng)再送去冷卻除濕。系統(tǒng)D采用了除濕轉(zhuǎn)輪實現(xiàn)新風(fēng)的除濕，由于轉(zhuǎn)輪需要再生，需要設(shè)置一個電加熱器。這種方式的問題是送風(fēng)和排風(fēng)之間通過轉(zhuǎn)輪間隙而發(fā)生短路，從而導(dǎo)致交叉污染。
(a) (b)
圖1 機械制冷＋熱泵新風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(a)和焓濕圖(b).
(a) (b)
圖2 機械制冷＋顯熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(a)和焓濕圖(b)
3 模擬方法
蒸發(fā)盤管
蒸發(fā)盤管的性能由冷卻效率決定
eEva=[TA-TB]/[ TA-TEva] (1)
其中 T 是溫度(K), 下標A, B, 和Eva 分別對應(yīng)A, B 點和蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度。模擬時假定蒸發(fā)器的效率是0.90。蒸發(fā)器空氣出口B點 的濕度由下式?jīng)Q定
fB=0.95 (2)
轉(zhuǎn)輪
應(yīng)用轉(zhuǎn)輪的目的是將空氣除濕，使空氣的狀態(tài)由B轉(zhuǎn)變到C。在除濕過程中，伴隨著濕度的減小，空氣的溫度上升。轉(zhuǎn)輪的工作狀態(tài)可以通過下面的Jurinak 模型來描述 [3]
(a) (a)
(b)
圖3 機械制冷＋膜法全熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(a)和焓濕圖(b).
(b)
圖4 轉(zhuǎn)輪除濕＋熱泵新風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(a)和焓濕圖(b).
(3)
(4)
(5)
(6)
其中下標“s”和 “e” 分別代表 “供風(fēng)” 和 “排風(fēng)”；而“i” 和 “o” 分別代表“入口” 和“出口”。效率 hf1 和hf2 由生產(chǎn)廠家根據(jù)轉(zhuǎn)輪的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。
新風(fēng)供風(fēng)速度按每人每小時 45kg 提供。除濕轉(zhuǎn)輪的參數(shù)設(shè)定為：除濕劑質(zhì)量2.5kg； 蜂窩狀流道厚度0.2mm； 吸附劑有效質(zhì)量比0.7；轉(zhuǎn)輪厚度0.2m；轉(zhuǎn)速0.5rpm。轉(zhuǎn)輪性能系數(shù)hf1=0.29；hf2=0.85。
顯熱換熱器
采用傳統(tǒng)換熱器分析中的效率法，并假定冷熱流體的熱容相同，則D點的溫度由下式?jīng)Q定：
其中 eSen 是顯熱交換器的效率，可以由傳熱單元數(shù)法確定。在實際模擬時，可以假定換熱效率為一衡定值0.90。
蒸發(fā)冷卻器
???? 為了有效利用排風(fēng)側(cè)的空氣干度，利用一個蒸發(fā)冷卻器來冷卻排風(fēng)的溫度，然后讓它流過顯熱交換器實現(xiàn)熱量回收。采用的蒸發(fā)冷卻器裝有剛性結(jié)構(gòu)化填料，冷水在填料表面形成薄膜向下流動，待冷卻空氣流過填料時，水分蒸發(fā)將空氣溫度降低。商品化的蒸發(fā)冷卻器的效率由下式表達
其中 TE 是進入空氣的干球溫度，而TEwb 是入口空氣的濕球溫度； TE1 出口空氣的干球溫度。
因此E1點的溫度
(9)
飽和效率eC 通常在0.7-0.9 的范圍之內(nèi)。
加熱盤管
空氣的加熱在冷凝器或電加熱器中進行，如果空氣在冷凝器中加熱，則加熱效率可以表示為
eCon=[TG-TF]/[ TF-TCon] (10)
其中T 是溫度 (K)，下標G, F, 和Con 表示點 G, F 和冷凝器。通常假定加熱效率為0.85。 如果采用電加熱器，則電加熱的功率
其中 qEle1 是電功率(kW),
熱泵/制冷系統(tǒng)
在新風(fēng)系統(tǒng)中，冷卻盤管是同時作為熱泵的蒸發(fā)器使用的，而加熱盤管是作為熱泵的冷凝器。熱泵系統(tǒng)的效率隨著運行條件的不同而有差異，它可以由下式表達
(12)
其中qCon 是冷凝器散發(fā)的熱量(kW), qEle2 是壓縮機消耗的功率(kW)。
膜式全熱換熱器
???? 系統(tǒng)C采用了基于膜的全熱換熱器，它的熱交換效率由二個效率決定：顯熱交換效率 (eS) 和潛熱交換效率(eL)。出口空氣的溫度和濕度由下式?jīng)Q定：
按照筆者以前的分析[4]，采用所開發(fā)的基于膜的全熱換熱器，顯熱效率和潛熱效率分別等于0.8 和 0.7.
空調(diào)工程中的風(fēng)機和泵所消耗的功率是非常驚人的，他們的功耗由下式近似
Fan (pump) power=VaDp/(3600hf) (W) (15)
其中 Va 是空氣（水）的體積流量 (m3/h)，Dp 是總壓降(Pa)，hf 是泵或風(fēng)機的效率。
模擬過程以廣州地區(qū)為背景，送風(fēng)時間為9:00 到18:00。 為了將所有能耗的形式歸納起來進行比較，將所有電耗乘以系數(shù) 3.3轉(zhuǎn)化為一次能源。
4 結(jié)果與討論
????? 熱泵（制冷系統(tǒng)）的性能同環(huán)境狀況密不可分，圖5是逐時模擬出的全年性能系數(shù)，可以看出制冷系統(tǒng)全年的性能變化。為了比較各種方案，將各種系統(tǒng)在廣州氣候條件下全年消耗的一次能源畫在圖6中，可以看出，在四種系統(tǒng)中，系統(tǒng)C即機械制冷＋膜法全熱回收全年消耗的能源最小，但總的說來，由于四種系統(tǒng)都采取了節(jié)能措施，所以四種系統(tǒng)的能耗基本在一個數(shù)量級。
?????? 圖7顯示了系統(tǒng)C在全年不同月份的人均除濕能耗，在華南亞熱帶熱濕氣候環(huán)境下，幾乎全年都需要除濕，月除濕能耗值在1.5e5 kJ 到5.3e5 kJ 之間。能耗最小的月份是一月，而能耗最多的月份是八月。
圖5 熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)變化
圖6 不同系統(tǒng)人均全年除濕能耗
圖7 不同系統(tǒng)不同月份的人均除濕能耗
5 結(jié)論
????? 為了滿足獨立除濕系統(tǒng)開發(fā)的需要，本文評估了四種系統(tǒng)的全年能耗，結(jié)果表明，所提出的四種系統(tǒng)由于采用了能量回收措施，于傳統(tǒng)無能量回收措施的除濕方案相比，可以節(jié)能29-42%。 機械除濕加膜全熱回收系統(tǒng)的全年能耗最小，其值為4.4e6 kJ 每人。
參考文獻：
[1] 江億. 暖通空調(diào), 2003, 33: 4-7.
[2] Niu JL, Zhang LZ, Zuo HG. Energy and Buildings, 2002, 34(5): 487-495.
[3] Zhang LZ, Niu JL. Applied Thermal Engineering, 2002, 22(12): 1347-1367.
[4] Niu JL, Zhang LZ. Journal of membrane science, 2001, 189(2): 179-191.
本項目由國家自然科學(xué)基金資助 （50306005） 作者：張立志
