溶液除濕空調新風機組冬季工況性能研究

吳學強

目前,關于溶液除濕蒸發冷卻空調大多是針對夏季除濕過程的計算模型及實驗的研究,但對冬季工況下空調運行模式的研究卻較少。江億提出了一種通過噴水對排風熱回收的新風機組,并對夏、冬季工況下機組性能進行了測試[1]。劉雄等人提出了一種可全年運行的熱回收式溶液除濕蒸發冷卻空調系統,通過計算和分析表明:蒸發式冷卻器是影響冬季熱回收量的主要因素[2]。本文提出了一種利用回風全熱回收型的溶液新風機組和空氣源熱泵的組合新系統,并對其進行了理論計算和分析。

1 系統組成和工作原理

新風機組工作原理如圖1所示。在溶液循環子系統中,上層溶液和濕熱的回風接觸進行熱質交換,濃度較稀,溫度較高;下層溶液和干冷的新風接觸進行熱質交換,濃度較大,溫度較低。下層溶液通過泵5輸送到上層溶液槽中,與除濕后稀溶液混合后,進入板式換熱器降溫,通過泵 4、泵3噴淋至填料 D,C,吸收回風熱濕量。上層溶液槽有一個溢流口,流量由泵5控制。上層溶液溢流回下層溶液槽,混合后通過泵 1、泵 2進入板式換熱器,通過板換被加熱后,在填料A,B中向新風傳遞能量和水蒸氣。這樣以溶液為媒介,使得能量和水蒸氣從濕熱的回風側轉移到干冷的新風側,完成對回風的全熱回收。

熱泵子系統工作時,將四通閥70切換至冬季工況,電子膨脹閥4全開,電子膨脹閥5正常工作。制冷劑流程如圖2所示,低溫低壓制冷劑蒸氣①進入壓縮機1后,被壓縮成高溫高壓制冷劑過熱蒸氣②,經過四通閥70的通道74后進入新風換熱器 3,在其中通過間接熱交換放出熱量,將新風加熱至送風狀態點0后,制冷劑變成高溫高壓液體③,再經過電子膨脹閥4,單向閥80的通道83進入室外第一換熱器2,在其中與室外空氣和室內回風的混合物進行間接熱交換,放出熱量后被過冷,過冷后的制冷劑液體④被電子膨脹閥5節流,制冷劑變成低溫低壓氣液兩相混合物⑤,進入室外第二換熱器6,在其中通過間接熱交換吸收室外回風的熱量,變成低溫低壓制冷劑蒸氣①,再經過單向閥80的通道81、四通閥70的通道 72進入壓縮機1被壓縮。

2 計算模型及性能指標

新風機組中溶液與空氣的接觸方式為叉流式,故本文在除濕器和加熱加濕器傳熱傳質過程計算中,采用文獻[3]中提出的計算模型。通過對傳熱傳質控制方程及邊界條件進行有限差分離散化后,利用MAT LAB語言進行編程模擬計算和分析。本文在計算和分析新風機組性能系數COP,TCOP和COPh值時,與文獻[2]取相同的性能指標。

3 性能分析

室外典型工況采用西安地區冬季空調室外計算參數,溫度為-8℃,含濕量為1.3 g/kg;送風溫度為26℃,含濕量為5 g/kg;室內回風溫度為20℃,含濕量為5.8 g/kg。空氣源熱泵循環過程中,冷凝溫度為30℃。機組新風量為1 680 m3/h,排風量為新風量的80%,內、外循環溶液流量均為進入兩級除濕器溶液流量之和的8%,板式換熱器效率為80%。在上述參數條件下,對本文提出的新風機組的性能進行理論計算和分析,結果見圖3,圖4。

圖3,圖4為加熱加濕器入口空氣干球溫度為-8℃,含濕量由0.8 g/kg升高至1.8 g/kg時,性能系數COP,TCOP和COPh的值。由圖可知,三個性能系數值均隨空氣含濕量增加而減小,減小幅度分別為26%,24%和10%。

圖5,圖6為除濕器入口空氣含濕量為1.3 g/kg,空氣干球溫度由-12℃升至-4℃時,系統的性能系數COP,TCOP和COPh的值。由圖可知,三個性能系數均隨加熱加濕器進口空氣溫度升高而增大,增幅度分別為43%,46%和8%。

由以上分析可知,新風機組性能系數受室外新風溫度變化的影響較大,而 T受濕度變化的影響較小。這主要因為冬季室外新風干燥,空氣中含濕量變化較小,故對新風機組性能的影響亦較小。另一方面,本文所提新風機組運行性能較高,這是因為在排風道中布置了蒸發器和過冷器,通過蒸發器進一步回收室內排風熱量,通過引入室外寒冷新風使得流經過冷器的制冷劑獲得較大的過冷度,降低了制冷循環節流損失,從而優化了系統性能。

4 結語

1)本文所提出的利用溶液進行全熱回收的新風機組和空氣源熱泵的組合系統,能多級回收利用室內排風熱量,降低新風處理能耗,所采用的空氣源熱泵裝置在冬季循環過程中,可實現制冷劑過冷,從而優化系統性能;2)以西安地區冬季空調室外計算參數為依據,通過模擬計算和分析可得,新風機組性能系數COP,TCOP和COPh分別為0.5,0.65和5.1;3)關于夏季工況新風機組性能的分析還有待進一步研究和探討。

[1]江 億.溫濕度獨立控制空調系統[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[2]劉 雄,程麗娜,王春苗.熱回收式溶液除濕蒸發冷卻空調制冷系統理論研究[J].流體機械,2008,36(12):70-74.

[3]劉曉華,江 億,曲凱陽,等.叉流除濕器中溶液與空氣熱質交換模型[J].暖通空調,2005,35(1):115-119.

[4]程立娜,王效民.空調除濕方式的初步分析[J].山西建筑,2008,34(30):198-199.