溶液除濕溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金輝，文靈紅，熊海

（機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院，重慶 400039）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，目前公共建筑普遍采用中央空調(diào)系統(tǒng)，這樣使室內(nèi)舒適性提高了，但同時(shí)也帶來(lái)了能耗的大幅增加。我國(guó)大型公共建筑單位面積能耗約為180kWh/(m2·年)，而中央空調(diào)系統(tǒng)耗電占建筑總耗電的40%～60%[1]。

空調(diào)系統(tǒng)作為建筑的用能大戶，其節(jié)能減排理應(yīng)首當(dāng)其沖。因此，在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其節(jié)能性。

由于在可利用低品位能源、節(jié)約能源消耗、保護(hù)環(huán)境等方面的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，溶液調(diào)濕空調(diào)系統(tǒng)得到了較為廣泛的關(guān)注[2-5]。而基于溶液調(diào)濕技術(shù)的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)由于其顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)和室內(nèi)空氣品質(zhì)較高等特點(diǎn)，在眾多項(xiàng)目中得到了應(yīng)用和推廣。

1 溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)由顯熱處理和潛熱處理兩個(gè)系統(tǒng)組成，兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)節(jié)，分別控制室內(nèi)的溫度和濕度[2]。

顯熱處理系統(tǒng)由高溫冷源和余熱消除末端裝置組成，采用水作為輸送媒介。余熱消除末端裝置可以采用輻射板、干式風(fēng)機(jī)盤管等多種形式，供水的溫度高于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，不存在結(jié)露的危險(xiǎn)。

潛熱處理系統(tǒng)承擔(dān)兩大任務(wù):（1）除濕任務(wù)。潛熱處理系統(tǒng)冷水供水溫度約為14～17℃，高于常規(guī)冷凍除濕空調(diào)系統(tǒng)的7℃，為地下水、深層湖水等天然冷源的使用提供了條件。即使采用機(jī)械制冷方式，冷機(jī)的制冷系數(shù)也能有大幅度提高。（2）去除室內(nèi)CO2和異味，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的任務(wù)。潛熱處理系統(tǒng)由新風(fēng)處理機(jī)組和送風(fēng)末端裝置組成，采用新風(fēng)作為能量輸送的媒介，潛熱的處理可采用新的節(jié)能高效方法——溶液調(diào)濕技術(shù)。

1.2 溶液調(diào)濕技術(shù)

溶液調(diào)濕技術(shù)，即采用具有調(diào)濕功能的鹽溶液作為工作介質(zhì)，利用不同濃度溶液的吸濕與放濕特性實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的除濕與加濕處理過(guò)程。

溶液除濕性能強(qiáng)弱用其表面蒸汽壓力的大小來(lái)衡量。水分由空氣向除濕溶液傳遞的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于被處理空氣的水蒸汽分壓力與除濕溶液的表面蒸汽壓力間的壓差，因而在相同的處理?xiàng)l件下，除濕溶液表面蒸汽壓力越低，溶液的除濕能力越強(qiáng)，當(dāng)所接觸的濕空氣達(dá)到平衡時(shí)，濕空氣具有更低的相對(duì)濕度；溶液加濕過(guò)程則相反。

溶液調(diào)濕方式是高效的潛熱處理方式。將空氣直接與具有吸濕能力的鹽溶液接觸，空氣中的水蒸氣被鹽溶液吸收，從而實(shí)現(xiàn)空氣的除濕處理過(guò)程。通過(guò)改變?nèi)芤旱臐舛取庖罕群蜏囟龋€可實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的加熱、降溫、加濕等各種處理。

1.3 系統(tǒng)形式

與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，基于溶液調(diào)濕技術(shù)的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)有顯熱末端+新風(fēng)系統(tǒng)和全空氣系統(tǒng)形式[6]。

1.3.1 顯熱末端+新風(fēng)系統(tǒng)

顯熱末端+新風(fēng)系統(tǒng)一般應(yīng)用于小型獨(dú)立空調(diào)房間，如辦公樓、寫字樓、賓館客房、普通病房等。

（1）熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組（HVF）+干式風(fēng)機(jī)盤管（圖1～圖2）

圖1 HVF+干式風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)應(yīng)用形式

圖2 HVF+干式風(fēng)機(jī)盤管空氣處理過(guò)程

在室內(nèi)回風(fēng)充足的場(chǎng)合，新風(fēng)機(jī)組可采用回風(fēng)再生型熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組（HVF），如辦公室、賓館客房等。由HVF機(jī)組對(duì)新風(fēng)進(jìn)行集中處理，一方面承擔(dān)室內(nèi)潛熱負(fù)荷、所有新風(fēng)負(fù)荷及部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷（由送風(fēng)溫度引起的），另一方面去除室內(nèi)CO2和異味，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。室內(nèi)末端采用風(fēng)機(jī)盤管，通入外界提供的16/21℃冷凍水，承擔(dān)大部分的室內(nèi)顯熱負(fù)荷。

（2）熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組（HVF-PF）+輻射末端（圖3～圖4）

圖3 HVF-PF+輻射末端系統(tǒng)應(yīng)用形式

圖4 HVF-PF+輻射末端空氣處理過(guò)程

當(dāng)室內(nèi)回風(fēng)不足或回風(fēng)不可用于熱回收時(shí)，新風(fēng)機(jī)組應(yīng)采用新風(fēng)再生型熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組（HVF-PF）。另外，當(dāng)室內(nèi)末端為毛細(xì)管輻射、冷梁或不帶凝水系統(tǒng)的干式風(fēng)機(jī)盤管時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格杜絕室內(nèi)結(jié)露現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)采用新風(fēng)再生型熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組（HVF-PF），以維持室內(nèi)正壓，避免大量滲風(fēng)帶來(lái)的熱濕負(fù)荷。

由HVF-PF機(jī)組對(duì)新風(fēng)進(jìn)行集中處理，承擔(dān)所有新風(fēng)負(fù)荷和室內(nèi)潛熱負(fù)荷及部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷 （由送風(fēng)溫度引起的），同時(shí)去除室內(nèi)CO2、異味，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。室內(nèi)采用輻射末端，通入外界提供的16/21℃冷凍水，承擔(dān)大部分的室內(nèi)顯熱負(fù)荷。

1.3.2 全空氣系統(tǒng)

全空氣系統(tǒng)應(yīng)用于高大空間，如商場(chǎng)、影劇院、博物館、體育館、火車站等。

（1）熱泵式溶液全空氣機(jī)組（HVA-SR）（圖5～圖6）

圖5 HVA-SR機(jī)組應(yīng)用形式

圖6 HVA-SR機(jī)組空氣處理過(guò)程

在室內(nèi)回風(fēng)充足的場(chǎng)合，可選用回風(fēng)再生型熱泵式溶液全空氣機(jī)組（HVA-SR），如商場(chǎng)、餐廳、影劇院等。室外高溫潮濕的新風(fēng)在全熱回收單元中以溶液為媒介和回風(fēng)進(jìn)行全熱回收，被初步降溫除濕，然后進(jìn)入溶液除濕單元進(jìn)一步獨(dú)立除濕。低濕狀態(tài)的新風(fēng)與回風(fēng)混合，利用16/21℃冷凍水冷卻降溫，達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)后送入室內(nèi)，承擔(dān)室內(nèi)全部負(fù)荷。

（2）熱泵式溶液全空氣機(jī)組（HVA-PF）（圖7～圖8）

圖7 HVA-PF機(jī)組應(yīng)用形式

圖8 HVA-PF機(jī)組空氣處理過(guò)程

當(dāng)室內(nèi)回風(fēng)不足或回風(fēng)不可用于熱回收時(shí)，應(yīng)選用新風(fēng)再生型熱泵式溶液全空氣機(jī)組（HVA-PF），如酒店大堂、泳池等。室外高溫潮濕的新風(fēng)首先利用外界提供的16/21℃冷凍水預(yù)冷，新風(fēng)被初步降溫除濕，然后進(jìn)入溶液調(diào)濕單元，進(jìn)一步除濕至低濕狀態(tài)。低濕狀態(tài)的新風(fēng)與回風(fēng)混合，利用16/21℃冷凍水冷卻降溫，達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)后送入室內(nèi)，承擔(dān)室內(nèi)全部負(fù)荷。

2 溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

2.1 設(shè)計(jì)方法

基于溶液調(diào)濕技術(shù)的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方法上與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)不同[2]，具體如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)方法比較

其中，有幾點(diǎn)需要作如下說(shuō)明:

（1）新風(fēng)量的確定

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中，新風(fēng)量取滿足人員衛(wèi)生要求、維持室內(nèi)正壓要求和滿足除濕要求三者中較大的數(shù)值。具體計(jì)算過(guò)程中，可根據(jù)衛(wèi)生要求和室內(nèi)正壓要求確定新風(fēng)量后需校核是否滿足除濕要求。

根據(jù)室內(nèi)濕負(fù)荷和新風(fēng)量計(jì)算送風(fēng)含濕量，公式如下[7]:

式中:

ds-新風(fēng)送風(fēng)含濕量，g/kg；

dN-室內(nèi)含濕量，g/kg；

Qs-室內(nèi)濕負(fù)荷，kg/h；

Gx-新風(fēng)量，m3/h；

ρ-空氣密度，一般取1.2kg/m3。

若送風(fēng)含濕量在溶液調(diào)濕機(jī)組處理能力范圍之內(nèi) （溶液調(diào)濕機(jī)組新風(fēng)送風(fēng)含濕量最低為7.0g/kg），則新風(fēng)量可滿足除濕要求；若送風(fēng)含濕量低于機(jī)組所能處理的參數(shù)范圍，則說(shuō)明新風(fēng)量不能滿足除濕要求，需適當(dāng)增大新風(fēng)量，再按上式重新校核，直至送風(fēng)含濕量達(dá)到機(jī)組送風(fēng)參數(shù)范圍之內(nèi)。

如果機(jī)組除濕所需新風(fēng)量與滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求所需新風(fēng)量相差較大，那么機(jī)組需增設(shè)一組控制模塊，同時(shí)采用變頻風(fēng)機(jī)，通過(guò)改變?nèi)芤簼舛燃八惋L(fēng)量來(lái)滿足不同氣候情況下室內(nèi)濕度及新風(fēng)要求。

（2）送風(fēng)量的確定

根據(jù)室內(nèi)顯熱負(fù)荷及送風(fēng)溫差確定送風(fēng)量，計(jì)算公式如下:

式中:

Gs-送風(fēng)量，m3/h；

Qx-室內(nèi)顯熱負(fù)荷，kW；

ρ-空氣密度，一般取1.2kg/m3；

cρ-空氣的定壓比熱容，一般取1.005kJ/(kg·℃)；

tN-室內(nèi)空氣溫度，℃；

ts-送風(fēng)溫度，℃。送風(fēng)溫度由冷凍水供水溫度決定，一般考慮3～5℃換熱溫差，如當(dāng)冷凍水供水溫度為16℃時(shí)，送風(fēng)溫度可取為19℃。

（3）溶液調(diào)濕機(jī)組選型

熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組根據(jù)新風(fēng)量進(jìn)行選型，熱泵式溶液全空氣根據(jù)新風(fēng)量和送風(fēng)量選型。

（4）高溫冷源選型

當(dāng)溶液調(diào)濕機(jī)組選用熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組 （HVF）或熱泵式溶液全空氣機(jī)組（HVA-SR）時(shí)，高溫冷水僅承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，可根據(jù)室內(nèi)顯熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果進(jìn)行高溫冷源的選型。

當(dāng)溶液調(diào)濕機(jī)組選用熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組 （HVFPF）或熱泵式溶液全空氣機(jī)組（HVA-PF）時(shí)，高溫冷水承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷和新風(fēng)預(yù)冷負(fù)荷，根據(jù)這兩個(gè)負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行高溫冷源的選型。

新風(fēng)預(yù)冷負(fù)荷計(jì)算公式如下

式中:

Q1-機(jī)組預(yù)冷負(fù)荷，kW；

Gx-新風(fēng)量，m3/h；

ρ-空氣密度，一般取1.2kg/m3；

hw-新風(fēng)焓，kJ/kg；

hl-新風(fēng)預(yù)冷后的焓，kJ/kg。新風(fēng)預(yù)冷后參數(shù)由冷凍水供水溫度決定，一般考慮3～5℃換熱溫差。例如，當(dāng)冷凍水供水溫度為16℃時(shí)，可將空氣預(yù)冷至19℃、90%，此時(shí)的空氣焓為50.5kJ/kg。

2.2 注意事項(xiàng)

在進(jìn)行溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面:

2.2.1 溶液調(diào)濕機(jī)組設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組（HVF）和熱泵式溶液全空氣機(jī)組（HVA-SR）使用回風(fēng)進(jìn)行全熱回收和溶液再生；熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組（HVF-PF）和熱泵式溶液全空氣機(jī)組（HVA-PF）采用新風(fēng)進(jìn)行溶液再生。為避免機(jī)組冷凝溫度過(guò)高，出現(xiàn)高壓保護(hù)的現(xiàn)象，再生風(fēng)量應(yīng)不小于除濕新風(fēng)量的80%。再生空氣排出機(jī)組時(shí)溫度較高，應(yīng)對(duì)排風(fēng)管設(shè)置保溫，避免機(jī)房溫度過(guò)高。

溶液調(diào)濕機(jī)組內(nèi)采用補(bǔ)自來(lái)水的方式調(diào)節(jié)溶液濃度，控制送風(fēng)相對(duì)濕度，因此機(jī)組需設(shè)置補(bǔ)水管，補(bǔ)水水壓不宜小于3m。

2.2.2 溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)一樣，為保證良好的氣流組織，房間內(nèi)的送風(fēng)口應(yīng)均勻布置，不宜出現(xiàn)“氣流死角”。當(dāng)采用含熱回收的機(jī)組時(shí)，大空間區(qū)域可集中回風(fēng)，單獨(dú)房間應(yīng)盡量設(shè)置獨(dú)立的回風(fēng)口，以避免回風(fēng)不均勻的情況。回風(fēng)口與送風(fēng)口距離不宜過(guò)近，避免出現(xiàn)“氣流短路”。

室內(nèi)干式風(fēng)機(jī)盤管大部分時(shí)間處于干工況，無(wú)凝水。但在系統(tǒng)調(diào)試初期，以及室外出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)參數(shù)的極端熱濕天氣時(shí)，或室內(nèi)人員打開(kāi)窗戶時(shí)，風(fēng)盤可能會(huì)出現(xiàn)凝水。因此，干式風(fēng)機(jī)盤管建議仍接入凝水盤及凝水排放系統(tǒng)。

3 總結(jié)

基于溶液調(diào)濕技術(shù)的溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)是一種新興的綠色、環(huán)保、健康、節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意其與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的不同之處，設(shè)計(jì)得當(dāng)，方可充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

[1]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展研究報(bào)告2008[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]劉曉華，江億.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[3]江億，李震，陳曉陽(yáng).溶液式空調(diào)及應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2004，34(11):88-97.

[4]劉拴強(qiáng)，楊海波.招商地產(chǎn)三洋3#廠房改造工程溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用介紹[J].供熱制冷，2008（7）27-30.

[5]潘云鋼.基于溶液調(diào)濕處理新風(fēng)的溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能耗的比較分析 [J].暖通空調(diào)，2011，41（5）:5-8.

[6]張桂榮，李敏霞，郝長(zhǎng)生.溫濕度獨(dú)立控制在醫(yī)院建筑中的應(yīng)用研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008，27(4):37-39.

[7]陳曉陽(yáng)，江億，李震.濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的工程實(shí)踐[J].暖通空調(diào)，2004，34(11):103-109.

[8]劉拴強(qiáng).溶液調(diào)濕空氣處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].暖通空調(diào)，2011，21(12):21-27.

[9]江億.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)的研究[J].暖通空調(diào)，2010，40（12）:85-90.

[10]趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.