溶液除湿温湿度独立控制空调系统设计

2012-09-25金辉文灵红熊海

重庆建筑 2012年11期

关键词：新风量新风热泵

金辉，文灵红，熊海

（机械工业第三设计研究院，重庆 400039）

0 引言

随着社会经济的不断发展，目前公共建筑普遍采用中央空调系统，这样使室内舒适性提高了，但同时也带来了能耗的大幅增加。我国大型公共建筑单位面积能耗约为180kWh/(m2·年)，而中央空调系统耗电占建筑总耗电的40%～60%[1]。

空调系统作为建筑的用能大户，其节能减排理应首当其冲。因此，在进行空调系统的设计时，应充分考虑其节能性。

由于在可利用低品位能源、节约能源消耗、保护环境等方面的优势，近年来，溶液调湿空调系统得到了较为广泛的关注[2-5]。而基于溶液调湿技术的温湿度独立控制空调系统由于其显著的节能优势和室内空气品质较高等特点，在众多项目中得到了应用和推广。

1 温湿度独立控制空调系统

1.1 系统原理

温湿度独立控制空调系统由显热处理和潜热处理两个系统组成，两个系统独立调节，分别控制室内的温度和湿度[2]。

显热处理系统由高温冷源和余热消除末端装置组成，采用水作为输送媒介。余热消除末端装置可以采用辐射板、干式风机盘管等多种形式，供水的温度高于室内空气的露点温度，不存在结露的危险。

潜热处理系统承担两大任务:（1）除湿任务。潜热处理系统冷水供水温度约为14～17℃，高于常规冷冻除湿空调系统的7℃，为地下水、深层湖水等天然冷源的使用提供了条件。即使采用机械制冷方式，冷机的制冷系数也能有大幅度提高。（2）去除室内CO2和异味，保证室内空气质量的任务。潜热处理系统由新风处理机组和送风末端装置组成，采用新风作为能量输送的媒介，潜热的处理可采用新的节能高效方法——溶液调湿技术。

1.2 溶液调湿技术

溶液调湿技术，即采用具有调湿功能的盐溶液作为工作介质，利用不同浓度溶液的吸湿与放湿特性实现对空气的除湿与加湿处理过程。

溶液除湿性能强弱用其表面蒸汽压力的大小来衡量。水分由空气向除湿溶液传递的驱动力来自于被处理空气的水蒸汽分压力与除湿溶液的表面蒸汽压力间的压差，因而在相同的处理条件下，除湿溶液表面蒸汽压力越低，溶液的除湿能力越强，当所接触的湿空气达到平衡时，湿空气具有更低的相对湿度；溶液加湿过程则相反。

溶液调湿方式是高效的潜热处理方式。将空气直接与具有吸湿能力的盐溶液接触，空气中的水蒸气被盐溶液吸收，从而实现空气的除湿处理过程。通过改变溶液的浓度、气液比和温度，还可实现对空气的加热、降温、加湿等各种处理。

1.3 系统形式

与传统空调系统相对应，基于溶液调湿技术的温湿度独立控制空调系统有显热末端+新风系统和全空气系统形式[6]。

1.3.1 显热末端+新风系统

显热末端+新风系统一般应用于小型独立空调房间，如办公楼、写字楼、宾馆客房、普通病房等。

（1）热泵式溶液调湿新风机组（HVF）+干式风机盘管（图1～图2）

图1 HVF+干式风机盘管系统应用形式

图2 HVF+干式风机盘管空气处理过程

在室内回风充足的场合，新风机组可采用回风再生型热泵式溶液调湿新风机组（HVF），如办公室、宾馆客房等。由HVF机组对新风进行集中处理，一方面承担室内潜热负荷、所有新风负荷及部分室内显热负荷（由送风温度引起的），另一方面去除室内CO2和异味，以保证室内空气质量。室内末端采用风机盘管，通入外界提供的16/21℃冷冻水，承担大部分的室内显热负荷。

（2）热泵式溶液调湿新风机组（HVF-PF）+辐射末端（图3～图4）

图3 HVF-PF+辐射末端系统应用形式

图4 HVF-PF+辐射末端空气处理过程

当室内回风不足或回风不可用于热回收时，新风机组应采用新风再生型热泵式溶液调湿新风机组（HVF-PF）。另外，当室内末端为毛细管辐射、冷梁或不带凝水系统的干式风机盘管时，应严格杜绝室内结露现象，此时应采用新风再生型热泵式溶液调湿新风机组（HVF-PF），以维持室内正压，避免大量渗风带来的热湿负荷。

由HVF-PF机组对新风进行集中处理，承担所有新风负荷和室内潜热负荷及部分室内显热负荷（由送风温度引起的），同时去除室内CO2、异味，以保证室内空气质量。室内采用辐射末端，通入外界提供的16/21℃冷冻水，承担大部分的室内显热负荷。

1.3.2 全空气系统

全空气系统应用于高大空间，如商场、影剧院、博物馆、体育馆、火车站等。

（1）热泵式溶液全空气机组（HVA-SR）（图5～图6）

图5 HVA-SR机组应用形式

图6 HVA-SR机组空气处理过程

在室内回风充足的场合，可选用回风再生型热泵式溶液全空气机组（HVA-SR），如商场、餐厅、影剧院等。室外高温潮湿的新风在全热回收单元中以溶液为媒介和回风进行全热回收，被初步降温除湿，然后进入溶液除湿单元进一步独立除湿。低湿状态的新风与回风混合，利用16/21℃冷冻水冷却降温，达到送风状态点后送入室内，承担室内全部负荷。

（2）热泵式溶液全空气机组（HVA-PF）（图7～图8）

图7 HVA-PF机组应用形式

图8 HVA-PF机组空气处理过程

当室内回风不足或回风不可用于热回收时，应选用新风再生型热泵式溶液全空气机组（HVA-PF），如酒店大堂、泳池等。室外高温潮湿的新风首先利用外界提供的16/21℃冷冻水预冷，新风被初步降温除湿，然后进入溶液调湿单元，进一步除湿至低湿状态。低湿状态的新风与回风混合，利用16/21℃冷冻水冷却降温，达到送风状态点后送入室内，承担室内全部负荷。

2 温湿度独立控制空调系统设计说明

2.1 设计方法

基于溶液调湿技术的温湿度独立控制空调系统在设计方法上与常规空调系统不同[2]，具体如表1所示。

表1 设计方法比较

其中，有几点需要作如下说明:

（1）新风量的确定

温湿度独立控制空调系统中，新风量取满足人员卫生要求、维持室内正压要求和满足除湿要求三者中较大的数值。具体计算过程中，可根据卫生要求和室内正压要求确定新风量后需校核是否满足除湿要求。

根据室内湿负荷和新风量计算送风含湿量，公式如下[7]:

式中:

ds-新风送风含湿量，g/kg；

dN-室内含湿量，g/kg；

Qs-室内湿负荷，kg/h；

Gx-新风量，m3/h；

ρ-空气密度，一般取1.2kg/m3。

若送风含湿量在溶液调湿机组处理能力范围之内（溶液调湿机组新风送风含湿量最低为7.0g/kg），则新风量可满足除湿要求；若送风含湿量低于机组所能处理的参数范围，则说明新风量不能满足除湿要求，需适当增大新风量，再按上式重新校核，直至送风含湿量达到机组送风参数范围之内。

如果机组除湿所需新风量与满足室内卫生要求所需新风量相差较大，那么机组需增设一组控制模块，同时采用变频风机，通过改变溶液浓度及送风量来满足不同气候情况下室内湿度及新风要求。

（2）送风量的确定

根据室内显热负荷及送风温差确定送风量，计算公式如下:

式中:

Gs-送风量，m3/h；

Qx-室内显热负荷，kW；

ρ-空气密度，一般取1.2kg/m3；

cρ-空气的定压比热容，一般取1.005kJ/(kg·℃)；

tN-室内空气温度，℃；

ts-送风温度，℃。送风温度由冷冻水供水温度决定，一般考虑3～5℃换热温差，如当冷冻水供水温度为16℃时，送风温度可取为19℃。

（3）溶液调湿机组选型

热泵式溶液调湿新风机组根据新风量进行选型，热泵式溶液全空气根据新风量和送风量选型。

（4）高温冷源选型

当溶液调湿机组选用热泵式溶液调湿新风机组（HVF）或热泵式溶液全空气机组（HVA-SR）时，高温冷水仅承担室内显热负荷，可根据室内显热负荷计算结果进行高温冷源的选型。

当溶液调湿机组选用热泵式溶液调湿新风机组（HVFPF）或热泵式溶液全空气机组（HVA-PF）时，高温冷水承担室内显热负荷和新风预冷负荷，根据这两个负荷的计算结果进行高温冷源的选型。

新风预冷负荷计算公式如下

式中:

Q1-机组预冷负荷，kW；

Gx-新风量，m3/h；

ρ-空气密度，一般取1.2kg/m3；

hw-新风焓，kJ/kg；

hl-新风预冷后的焓，kJ/kg。新风预冷后参数由冷冻水供水温度决定，一般考虑3～5℃换热温差。例如，当冷冻水供水温度为16℃时，可将空气预冷至19℃、90%，此时的空气焓为50.5kJ/kg。

2.2 注意事项

在进行温湿度独立控制空调系统设计时，需要注意以下几个方面:

2.2.1 溶液调湿机组设计注意事项

热泵式溶液调湿新风机组（HVF）和热泵式溶液全空气机组（HVA-SR）使用回风进行全热回收和溶液再生；热泵式溶液调湿新风机组（HVF-PF）和热泵式溶液全空气机组（HVA-PF）采用新风进行溶液再生。为避免机组冷凝温度过高，出现高压保护的现象，再生风量应不小于除湿新风量的80%。再生空气排出机组时温度较高，应对排风管设置保温，避免机房温度过高。

溶液调湿机组内采用补自来水的方式调节溶液浓度，控制送风相对湿度，因此机组需设置补水管，补水水压不宜小于3m。

2.2.2 温湿度独立控制空调系统设计注意事项

与常规空调系统一样，为保证良好的气流组织，房间内的送风口应均匀布置，不宜出现“气流死角”。当采用含热回收的机组时，大空间区域可集中回风，单独房间应尽量设置独立的回风口，以避免回风不均匀的情况。回风口与送风口距离不宜过近，避免出现“气流短路”。

室内干式风机盘管大部分时间处于干工况，无凝水。但在系统调试初期，以及室外出现超出设计参数的极端热湿天气时，或室内人员打开窗户时，风盘可能会出现凝水。因此，干式风机盘管建议仍接入凝水盘及凝水排放系统。