基于THICS的高濕地區(qū)耦合除濕技術(shù)理論分析

趙運(yùn)超，周超輝，石發(fā)恩

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院， 江西贛州341000)

?

基于THICS的高濕地區(qū)耦合除濕技術(shù)理論分析

趙運(yùn)超，周超輝，石發(fā)恩

(江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院， 江西贛州341000)

針對溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)(THICS)的新風(fēng)除濕部分，結(jié)合贛南地區(qū)夏季濕度大的氣候特點(diǎn)，提出一種適應(yīng)高濕地區(qū)處理空調(diào)新風(fēng)的“冷卻+溶液耦合”除濕技術(shù)，該技術(shù)采用雙級噴水實(shí)現(xiàn)第Ⅰ級的冷卻除濕過程，采用內(nèi)冷型溶液除濕器實(shí)現(xiàn)小溫差的第Ⅱ級除濕過程，通過建立除濕過程的熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型，確定除濕過程的設(shè)計(jì)程序，通過對求解結(jié)果的分析，認(rèn)為該除濕技術(shù)在高濕地區(qū)空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用是可行的。

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)；耦合除濕技術(shù)；數(shù)學(xué)模型

0　引　言

為了解決常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中出現(xiàn)的熱濕統(tǒng)一處理過程冷熱量抵消造成的損失和難以適應(yīng)熱濕比變化等一系列問題，近年來在國內(nèi)外逐漸發(fā)展起來一種新的空調(diào)系統(tǒng)形式——溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)(THICS)，該系統(tǒng)采用相互獨(dú)立的兩套系統(tǒng)分別對室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制[1-4]。在溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)中，新風(fēng)除濕處理的目的是為了排除室內(nèi)余濕，在我國高濕地區(qū)(如秦嶺淮河一線以南)，夏季室外溫度和濕度都很高，如何在達(dá)到良好的除濕效果的前提下節(jié)約能源一直是很多學(xué)者不斷研究的課題。

在濕度控制系統(tǒng)中[5-7]，目前常用的除濕技術(shù)主要有四種[5]：通風(fēng)除濕、冷卻除濕、固體吸附劑除濕和液體除濕劑除濕。四種除濕技術(shù)各有利弊，雖然關(guān)于四種除濕技術(shù)的研究較多，但關(guān)于耦合除濕技術(shù)的研究較少。

針對高濕地區(qū)的特點(diǎn)，提出一種適合于THICS 除濕用的“冷卻+溶液耦合”除濕技術(shù)，并以贛南地區(qū)為例，確定耦合除濕技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，通過采用相應(yīng)的傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行理論計(jì)算，分析該耦合除濕技術(shù)在高濕地區(qū)的可行性。

1　耦合除濕技術(shù)研究

結(jié)合各種常規(guī)除濕技術(shù)的特點(diǎn)，選取冷卻除濕與溶液除濕進(jìn)行耦合，冷卻除濕主要包括噴水室除濕、表冷器除濕和蒸發(fā)盤管除濕，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對空氣降溫減濕的過程。

耦合除濕系統(tǒng)工作原理如圖1所示。“冷卻+溶液耦合”除濕技術(shù)主要由第Ⅰ級冷卻除濕和第Ⅱ級溶液除濕組成。空氣經(jīng)過第Ⅰ級除濕裝置雙級噴水室后，空氣的狀態(tài)由1變成2，雙級噴水室冷水回水作為內(nèi)冷溶液除濕的冷卻水使用，通過管路系統(tǒng)進(jìn)入第Ⅱ級除濕裝置內(nèi)冷型溶液除濕器進(jìn)行分級除濕，兩級除濕過程彼此關(guān)聯(lián)，“冷卻+溶液耦合”除濕系統(tǒng)的熱濕處理過程見圖2。采用雙級除濕系統(tǒng)的優(yōu)勢：一方面可以提高除濕能力；另一方面還能對除濕效果進(jìn)行有效地控制。

(a) 第Ⅰ級冷卻除濕(b) 第Ⅱ級溶液除濕

圖1工作原理圖

The working principle

圖2　熱濕處理過程Fig.2　The process of heat and mass transfer

新風(fēng)流程：室外新風(fēng)1經(jīng)過第Ⅰ級除濕裝置雙級噴水室冷卻除濕至狀態(tài)2，隨后，狀態(tài)2的新風(fēng)進(jìn)入第Ⅱ級除濕裝置逆流內(nèi)冷型溶液除濕器進(jìn)一步除濕，最后處理至所需的狀態(tài)3。

冷水流程：將取自自然冷源的16 ℃左右的冷水引入噴水室水管，先與部分回水(21 ℃～22 ℃)混合后，溫度達(dá)到18 ℃左右送入噴水室內(nèi)；室外空氣由1狀態(tài)經(jīng)冷卻處理后的溫度約為21 ℃，由于溫度的降低，同時(shí)也降低了對第Ⅱ級除濕裝置溶液和冷卻水溫度的要求，此時(shí)可以利用噴水室的回水作為內(nèi)冷溶液除濕的冷卻水，水的二次利用使系統(tǒng)的節(jié)能效果增強(qiáng)。

2　冷卻除濕過程理論分析

贛南等高濕地區(qū)通常水資源豐富，該地區(qū)地下水溫度在15 ℃～20 ℃，這為冷卻除濕過程的實(shí)現(xiàn)提供了冷源條件。針對噴水室作為第Ⅰ級除濕，處理后的空氣狀態(tài)參數(shù)需根據(jù)室內(nèi)送風(fēng)要求確定。

2.1第Ⅰ級除濕的空氣狀態(tài)的確定

根據(jù)圖1，第Ⅰ級除濕裝置處理后的空氣溫度記為t2，作為第Ⅱ級除濕裝置的入口溫度，由于內(nèi)冷除濕裝置空氣溫升不大，即t2與送風(fēng)溫度t3差值不大。送風(fēng)溫度的取值決定著新風(fēng)承擔(dān)著室內(nèi)顯熱負(fù)荷的比重。

以辦公建筑為例，當(dāng)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26 ℃，在利用新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷的同時(shí)，由于新風(fēng)經(jīng)過處理后溫度有所降低，即也承擔(dān)了室內(nèi)部分冷負(fù)荷，本套除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度t3為23 ℃，考慮空氣在溶液除濕的溫升，第Ⅰ級除濕后的空氣溫度t2設(shè)計(jì)為21 ℃。此時(shí)，新風(fēng)承擔(dān)著50%的人員顯熱負(fù)荷。

2.2雙級噴水室的設(shè)計(jì)

在溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中，新風(fēng)需要滿足排除室內(nèi)濕負(fù)荷的需求。現(xiàn)以典型辦公建筑為例，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26 ℃，相對濕度為60%(此時(shí)空氣含濕量為12.7 g/kg)，人均新風(fēng)量為30 m3/h，人員體力活動(dòng)性質(zhì)為極輕勞動(dòng)，建筑產(chǎn)濕源以人員為主，則每位人員產(chǎn)濕量為109 g/kg，不考慮群集系數(shù)的影響，則送風(fēng)的含濕量為：

(1)

式(1)中W為建筑產(chǎn)濕量，g/h；G為設(shè)計(jì)新風(fēng)量，m3/h；ρ為空氣密度，kg/m。

雙級噴水室作為第Ⅰ級除濕裝置，承擔(dān)著將室外新風(fēng)進(jìn)行冷卻除濕的任務(wù)。室外新風(fēng)初狀態(tài)采取空調(diào)室外設(shè)計(jì)干球溫度35.4 ℃，濕球溫度為27 ℃，要求處理后的空氣溫度為21 ℃。深井水以tle為16 ℃送入系統(tǒng)，考慮與回水混合后的溫度為18 ℃。

雙級噴水室設(shè)計(jì)步驟如下：

①噴水室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本套系統(tǒng)采用Y-1型離心式噴嘴，雙排對噴，d0=5 mm，噴嘴密度z=18個(gè)/(m2·排)，取空氣質(zhì)量流速vρ=3 kg/(m2·s)。

②列出熱工計(jì)算方程式

(2)

(3)

h1-h2=μ×4.19(tw2-tw1),

(4)

式(2)～式(4)中A、A′、m、m′、n、n′均為噴水室的實(shí)驗(yàn)的系數(shù)和指數(shù)，本系統(tǒng)A=0.945、m=0.1、n=0.36、A′=1、m=0、n=0；E為全熱交換效率；E′為通用熱交換效率；μ為噴水系數(shù)；tw1為送入噴水室的水初溫，為18 ℃；tw2為處理空氣后的水終溫；ts1為空氣初始濕球溫度；ts2為空氣最終濕球溫度，β為噴嘴密度修正系數(shù)，當(dāng)實(shí)際噴嘴變化時(shí)應(yīng)引入修正系數(shù)，z=18個(gè)/( m2·排)時(shí)，修正系數(shù)取0.93；當(dāng)z=24個(gè)/( m2·排)時(shí)，修正系數(shù)取0.9。

③利用MATLAB編程

通過代入空氣狀態(tài)參數(shù)，利用MATLAB編程求解得μ=1.67，ts2=20.35 ℃，tw2=21.88 ℃，噴嘴前水壓為0.226 MPa<0.25 MPa，d2=14.74 g/kg。

取室外空氣的設(shè)計(jì)干球溫度為35.4 ℃，濕球溫度為27 ℃，則設(shè)計(jì)的含濕量為19.2 g/kg。此時(shí)：

(5)

式(5)中：C1為噴水室承擔(dān)的濕負(fù)荷百分比；d1為室外空氣含濕量，g/kg；d2為第Ⅰ級除濕(雙級噴水室)處理空氣后的含濕量，g/kg；d3為第Ⅱ級除濕(內(nèi)冷溶液除濕)處理空氣后的含濕量，g/kg。

④噴水室循環(huán)水量計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得：

①第Ⅰ級除濕后的溫度為21 ℃，含濕量為14.74 g/kg，此時(shí)承擔(dān)了總濕負(fù)荷的45.8%；

②雙級噴水室采用18 ℃的冷水處理空氣，當(dāng)采用16 ℃的冷源時(shí)，噴水系數(shù)為1.67，與16 ℃的冷源混合的循環(huán)水量占空氣量的比例為0.61。

3　溶液除濕過程分析

溶液除濕器采用與KESSLING等[8-9]的實(shí)驗(yàn)裝置類似的逆流式內(nèi)冷除濕裝置，如圖3所示。空氣與溶液逆流接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換，冷水與溶液叉流間接接觸，冷卻水帶走溶液除濕過程中吸收的潛熱，因此，整個(gè)過程溶液和空氣的溫度變化不大。

圖3　除濕器結(jié)構(gòu)

針對第Ⅱ級溶液除濕器中熱濕處理過程，采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行編程計(jì)算，確定溶液和冷水的物理參數(shù)。

3.1除濕器數(shù)學(xué)模型

借鑒文獻(xiàn)[10]的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB編程計(jì)算，確定除濕器的參數(shù)。除濕器的二維模型分成(M×N)份，如圖4所示。除濕器的高度為H，長度為L，x軸與噴淋溶液的方向一致，z軸與冷水流動(dòng)的方向一致，S為傳熱傳質(zhì)面積，S=H×L。

圖4　除濕模型的離散劃分

①冷水與溶液之間的顯熱換熱關(guān)系為：

(6)

式(6)中：tw為冷水溫度，℃；NTUh為冷水與溶液間的傳熱單元數(shù)；ts溶液溫度，℃；Kh為冷水與溶液之間的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；mw為冷水的質(zhì)量流量，kg/s；cp,w冷水的定壓比容，J/(kg· ℃)。

②空氣和溶液之間的傳熱傳質(zhì)關(guān)系式為：

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)～(10)中：ha為空氣焓值，kJ/kg；NTUm為空氣與溶液之間的傳質(zhì)單元數(shù)；Le為劉易斯數(shù)；he為等效焓，kJ/kg；r為水的氣化潛熱，kJ/kg；ωa為空氣含濕量，g/kg；ωe為溶液表面空氣含濕量，g/kg。

③溶液和空氣之間質(zhì)量守恒關(guān)系為：

ma[ωa(i+1,j)-ωa(i,j)]+[ms(i+1,j)-ms(i,j)]=0,

(11)

式中：ma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；ms為溶液質(zhì)量流量，kg/s。

④溶液中溶質(zhì)守恒關(guān)系為：

ms(i+1,j)ξ(i+1,j)=ms(i,j)ξ(i,j),

(12)

式中：ξ為溶液的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

⑤空氣、溶液、冷水三股流體的能量守恒關(guān)系為：

(13)

⑥邊界條件

i=1，ts(1,j)=tsi，ms(1,j)=msi，ξ(1,j)=ξi；i=M，ta(M,j)=tai，ωa(M,j)=ωai；j=1，tw(i,1)=twi(下標(biāo)i，j表示各進(jìn)出口參數(shù))。

3.2除濕裝置物理參數(shù)的確定

冷水與溶液傳熱傳熱傳質(zhì)單元數(shù)NTUh=0.36，計(jì)算過程中空氣質(zhì)量流量ma取0.1 kg/s，由于室外新風(fēng)已經(jīng)經(jīng)過第Ⅰ級的降溫，對于第Ⅱ級內(nèi)冷除濕部分，降低了對溶液溫度的要求，本設(shè)計(jì)采用22 ℃，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為35%的LiCl溶液。

①冷水參數(shù)的確定

“冷卻+溶液耦合”除濕系統(tǒng)中的內(nèi)冷除濕裝置采用的雙級噴水室的冷水回水，則溶液除濕所需的冷水不能超過噴水室所用的水量，即內(nèi)冷除濕裝置的冷水與空氣的質(zhì)量比不能超過噴水系數(shù)μ，當(dāng)μ=1.67，為保證整套系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，并且保證第Ⅱ級除濕的用水量要求，內(nèi)冷除濕裝置的冷水與空氣的質(zhì)量比必須小于噴水系數(shù)μ，本套系統(tǒng)取1.0，即水流量等于空氣流量。冷水溫度為雙級噴水室的回水溫度。

②溶液狀態(tài)參數(shù)和NTUm的確定

要確定空氣與溶液的傳熱傳質(zhì)單元數(shù)NTUm，就必須先確定空氣與溶液的傳熱傳質(zhì)系數(shù)，筆者查看了相關(guān)除濕過程傳熱傳質(zhì)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式[11-12]，發(fā)現(xiàn)不同關(guān)聯(lián)式除各自的適用范圍不同，對于同一組狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果相差較大，對于驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行狀況，確定傳熱傳質(zhì)系數(shù)的意義不大，本文運(yùn)用MATLAB編程使溶液流量和NTUm在一定范圍變化，尋求合適的溶液流量msi和NTUm滿足除濕要求。

③MATLAB求解離散方程的步驟

空氣和溶液逆流進(jìn)行熱質(zhì)交換，計(jì)算順序?yàn)閺纳现料拢瑥淖笾劣遥諝獾某隹趨?shù)ta(1，j)=23 ℃，ωa(1,j)=0.009 6 kg/kg，tsi=22 ℃，，ξsi=0.35，假定溶液入口流量和除濕器NTUm值。

從L11開始計(jì)算出三股流體的出口參數(shù)，溶液和空氣的出口參數(shù)作為下方L12的進(jìn)口參數(shù)，冷水出口參數(shù)作為L12的進(jìn)口參數(shù)。

計(jì)算所有網(wǎng)格流體的出口參數(shù)：計(jì)算出M行空氣的出口參數(shù)，與實(shí)際的空氣進(jìn)口參數(shù)比較，如果二者差值較大，則重新假設(shè)溶液入口流量和除濕器NTUm值。

如果兩者溫度差值絕對值在0.01 ℃，含濕量差值絕對值在0.01 g/kg的范圍內(nèi)，結(jié)束計(jì)算過程，輸出M行的溶液出口參數(shù)ts(M，j)、ms(M，j)、hs(M，j)和第N列冷卻水出口參數(shù)tw(i，N)。

④求解結(jié)果

通過編程迭代計(jì)算得到:

NTUm=1.3，msi=0.062 kg/s。

此時(shí)，處理后的空氣溫度可以達(dá)到23 ℃，含濕量9.6 g/kg，能滿足室內(nèi)送風(fēng)要求，并能承擔(dān)部分室內(nèi)顯熱負(fù)荷。溶液最終質(zhì)量百分?jǐn)?shù)ξ為34.72%，溫度為26.1 ℃，質(zhì)量流量變?yōu)?.062 5 kg/s，水溫終溫為22.6 ℃。

通過計(jì)算可知，內(nèi)冷型溶液除濕在空氣與冷卻水質(zhì)量比為1的情況下，可以滿足第Ⅱ級的除濕要求。另一方面，由于第Ⅰ級噴水室對空氣的冷卻除濕，降低了第Ⅱ級除濕過程對溶液的要求，此時(shí)，溶液溫度為22 ℃，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為35%即可滿足要求。

4　結(jié)　語

①耦合除濕技術(shù)有效地利用了自然界的冷源進(jìn)行除濕，同時(shí)除濕過程的冷水二次利用，增加了該除濕技術(shù)節(jié)能潛力。

②冷卻+溶液耦合除濕過程第Ⅰ級的空氣處理過程中，除濕過程可以保證承擔(dān)接近50%消除濕負(fù)荷任務(wù)，冷卻過程可以保證送風(fēng)承擔(dān)50%的人員顯熱負(fù)荷。

③根據(jù)冷卻+溶液耦合除濕的數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果，表明該除濕技術(shù)在贛州等高濕地區(qū)是可行的，存在一定推廣意義。

[1]劉阿鳳,宣永梅,文旋.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 潔凈與空調(diào)技術(shù),2013,21(4):81-86.

[2]曾憲純,邢艷艷,陸麟,等.賓館建筑溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析比較[J]. 浙江建筑,2015,41(4):58-59.

[3]張哲,張睿,律寶瑩,等.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 山西建筑,2014,40(1):145-146.

[4]陳偉青,張良明,金紅波,等.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)在某高層寫字樓中的應(yīng)用[J]. 制冷,2014,11(1):63-67.

[5]張競予,強(qiáng)天偉,孫靖.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中三種高溫冷源的分析研究[J]. 江西建材,2015,24(3):108-109.

[6]吳蔚蘭,魏稷,王蕊.某商品展示中心溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 暖通空調(diào),2016,31(4):12-16.

[7]朱文潔,于航,何旸.深圳某辦公建筑溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行測試及效果分析[J]. 發(fā)電與空調(diào),2015,32(5):71-75.

[8]KESSLING W, LAEVEMANN E, KAPFHAMMER C. Energy storage for desiccant cooling systems component development [J]. Solar Energy, 1998, 64(4-6): 209-221.

[9]KOSONEN R, TAN F. A feasibility of a ventilated beam system in the hot and humid climate: a case-study approach [J]. Building and Environment, 2005,40(6):1164-1173.

[10]常曉敏.內(nèi)冷型溶液除濕裝置研究與應(yīng)用[D]. 北京:清華大學(xué),2009.

[11]彭冬根,曹熔泉.基于熱不平衡考慮的溶液除濕再生傳熱傳質(zhì)系數(shù)Ⅱ?qū)嶒?yàn)與模型計(jì)算分析[J]. 化工學(xué)報(bào),2011,62(9):2440-2446.

[12]李道洋，蒙艷玫，胡映寧，等.基于分項(xiàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的建筑能耗數(shù)值分析[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012,37(5):965-971.

(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

The oretical analysis of coupling dehumidifying technology on THICS in high humidity area

ZHAO Yun-chao， ZHOU Chao-hui， SHI Fa-en

(Faculty of Architectural and Mapping Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000，China)

For the fresh air dehumidification of the temperature and humidity independently controlled air conditioning system (THICS), combining the climate characteristics of the high humidity area of Southern Jiangxi, a cooling plus solution coupling dehumidifying technology is introduced. The technology uses a two-stage water spray to realize the first class dehumidification process and an internal cooling liquid dehumidifier to realize the second class dehumidification process for small temperature difference. A mathematical model for heat and mass transfer in dehumidification process is established to determine the design of dehumidification process. Based on the analysis, the proposed coupling dehumidifying technology is considered to be feasible in high humidity area.

temperature and humidity independent control system(THICS)； coupling dehumidifying technology； mathematical model

2016-04-21；

2016-05-20

江西省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BSB03300);江西省教育廳基金項(xiàng)目(2014GJJ14463);廣東省重大科技專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013A011404005)

石發(fā)恩(1976—)，男，四川安岳人，江西理工大學(xué)副教授，工學(xué)博士;E-mail：1723958530@qq.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1291

TU831

A

1001-7445(2016)04-1291-07

引文格式：趙運(yùn)超，周超輝，石發(fā)恩.基于THICS的高濕地區(qū)耦合除濕技術(shù)理論分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1291-1297.