基于THICS的高湿地区耦合除湿技术理论分析

赵运超，周超辉，石发恩

(江西理工大学建筑与测绘工程学院， 江西赣州341000)



基于THICS的高湿地区耦合除湿技术理论分析

赵运超，周超辉，石发恩

(江西理工大学建筑与测绘工程学院， 江西赣州341000)

针对温湿度独立控制空调系统(THICS)的新风除湿部分，结合赣南地区夏季湿度大的气候特点，提出一种适应高湿地区处理空调新风的“冷却+溶液耦合”除湿技术，该技术采用双级喷水实现第Ⅰ级的冷却除湿过程，采用内冷型溶液除湿器实现小温差的第Ⅱ级除湿过程，通过建立除湿过程的热质交换数学模型，确定除湿过程的设计程序，通过对求解结果的分析，认为该除湿技术在高湿地区空调新风系统中的应用是可行的。

温湿度独立控制空调系统；耦合除湿技术；数学模型

0　引　言

为了解决常规空调系统中出现的热湿统一处理过程冷热量抵消造成的损失和难以适应热湿比变化等一系列问题，近年来在国内外逐渐发展起来一种新的空调系统形式——温湿度独立控制空调系统(THICS)，该系统采用相互独立的两套系统分别对室内的温度和湿度进行调节和控制[1-4]。在温湿度独立控制系统中，新风除湿处理的目的是为了排除室内余湿，在我国高湿地区(如秦岭淮河一线以南)，夏季室外温度和湿度都很高，如何在达到良好的除湿效果的前提下节约能源一直是很多学者不断研究的课题。

在湿度控制系统中[5-7]，目前常用的除湿技术主要有四种[5]：通风除湿、冷却除湿、固体吸附剂除湿和液体除湿剂除湿。四种除湿技术各有利弊，虽然关于四种除湿技术的研究较多，但关于耦合除湿技术的研究较少。

针对高湿地区的特点，提出一种适合于THICS 除湿用的“冷却+溶液耦合”除湿技术，并以赣南地区为例，确定耦合除湿技术的设计方案，通过采用相应的传热传质的数学模型，进行理论计算，分析该耦合除湿技术在高湿地区的可行性。

1　耦合除湿技术研究

结合各种常规除湿技术的特点，选取冷却除湿与溶液除湿进行耦合，冷却除湿主要包括喷水室除湿、表冷器除湿和蒸发盘管除湿，可以同时实现对空气降温减湿的过程。

耦合除湿系统工作原理如图1所示。“冷却+溶液耦合”除湿技术主要由第Ⅰ级冷却除湿和第Ⅱ级溶液除湿组成。空气经过第Ⅰ级除湿装置双级喷水室后，空气的状态由1变成2，双级喷水室冷水回水作为内冷溶液除湿的冷却水使用，通过管路系统进入第Ⅱ级除湿装置内冷型溶液除湿器进行分级除湿，两级除湿过程彼此关联，“冷却+溶液耦合”除湿系统的热湿处理过程见图2。采用双级除湿系统的优势：一方面可以提高除湿能力；另一方面还能对除湿效果进行有效地控制。

(a) 第Ⅰ级冷却除湿(b) 第Ⅱ级溶液除湿

图1工作原理图

The working principle

图2　热湿处理过程Fig.2　The process of heat and mass transfer

新风流程：室外新风1经过第Ⅰ级除湿装置双级喷水室冷却除湿至状态2，随后，状态2的新风进入第Ⅱ级除湿装置逆流内冷型溶液除湿器进一步除湿，最后处理至所需的状态3。

冷水流程：将取自自然冷源的16 ℃左右的冷水引入喷水室水管，先与部分回水(21 ℃～22 ℃)混合后，温度达到18 ℃左右送入喷水室内；室外空气由1状态经冷却处理后的温度约为21 ℃，由于温度的降低，同时也降低了对第Ⅱ级除湿装置溶液和冷却水温度的要求，此时可以利用喷水室的回水作为内冷溶液除湿的冷却水，水的二次利用使系统的节能效果增强。

2　冷却除湿过程理论分析

赣南等高湿地区通常水资源丰富，该地区地下水温度在15 ℃～20 ℃，这为冷却除湿过程的实现提供了冷源条件。针对喷水室作为第Ⅰ级除湿，处理后的空气状态参数需根据室内送风要求确定。

2.1第Ⅰ级除湿的空气状态的确定

根据图1，第Ⅰ级除湿装置处理后的空气温度记为t2，作为第Ⅱ级除湿装置的入口温度，由于内冷除湿装置空气温升不大，即t2与送风温度t3差值不大。送风温度的取值决定着新风承担着室内显热负荷的比重。

以办公建筑为例，当室内设计温度为26 ℃，在利用新风承担室内湿负荷的同时，由于新风经过处理后温度有所降低，即也承担了室内部分冷负荷，本套除湿系统设计送风温度t3为23 ℃，考虑空气在溶液除湿的温升，第Ⅰ级除湿后的空气温度t2设计为21 ℃。此时，新风承担着50%的人员显热负荷。

2.2双级喷水室的设计

在温湿度独立控制空调系统中，新风需要满足排除室内湿负荷的需求。现以典型办公建筑为例，室内设计温度为26 ℃，相对湿度为60%(此时空气含湿量为12.7 g/kg)，人均新风量为30 m3/h，人员体力活动性质为极轻劳动，建筑产湿源以人员为主，则每位人员产湿量为109 g/kg，不考虑群集系数的影响，则送风的含湿量为：

(1)

式(1)中W为建筑产湿量，g/h；G为设计新风量，m3/h；ρ为空气密度，kg/m。

双级喷水室作为第Ⅰ级除湿装置，承担着将室外新风进行冷却除湿的任务。室外新风初状态采取空调室外设计干球温度35.4 ℃，湿球温度为27 ℃，要求处理后的空气温度为21 ℃。深井水以tle为16 ℃送入系统，考虑与回水混合后的温度为18 ℃。

双级喷水室设计步骤如下：

①喷水室的结构设计

本套系统采用Y-1型离心式喷嘴，双排对喷，d0=5 mm，喷嘴密度z=18个/(m2·排)，取空气质量流速vρ=3 kg/(m2·s)。

②列出热工计算方程式

(2)

(3)

h1-h2=μ×4.19(tw2-tw1),

(4)

式(2)～式(4)中A、A′、m、m′、n、n′均为喷水室的实验的系数和指数，本系统A=0.945、m=0.1、n=0.36、A′=1、m=0、n=0；E为全热交换效率；E′为通用热交换效率；μ为喷水系数；tw1为送入喷水室的水初温，为18 ℃；tw2为处理空气后的水终温；ts1为空气初始湿球温度；ts2为空气最终湿球温度，β为喷嘴密度修正系数，当实际喷嘴变化时应引入修正系数，z=18个/( m2·排)时，修正系数取0.93；当z=24个/( m2·排)时，修正系数取0.9。

③利用MATLAB编程

通过代入空气状态参数，利用MATLAB编程求解得μ=1.67，ts2=20.35 ℃，tw2=21.88 ℃，喷嘴前水压为0.226 MPa<0.25 MPa，d2=14.74 g/kg。

取室外空气的设计干球温度为35.4 ℃，湿球温度为27 ℃，则设计的含湿量为19.2 g/kg。此时：

(5)

式(5)中：C1为喷水室承担的湿负荷百分比；d1为室外空气含湿量，g/kg；d2为第Ⅰ级除湿(双级喷水室)处理空气后的含湿量，g/kg；d3为第Ⅱ级除湿(内冷溶液除湿)处理空气后的含湿量，g/kg。

④喷水室循环水量计算

根据计算结果可得：

①第Ⅰ级除湿后的温度为21 ℃，含湿量为14.74 g/kg，此时承担了总湿负荷的45.8%；

②双级喷水室采用18 ℃的冷水处理空气，当采用16 ℃的冷源时，喷水系数为1.67，与16 ℃的冷源混合的循环水量占空气量的比例为0.61。

3　溶液除湿过程分析

溶液除湿器采用与KESSLING等[8-9]的实验装置类似的逆流式内冷除湿装置，如图3所示。空气与溶液逆流接触进行热质交换，冷水与溶液叉流间接接触，冷却水带走溶液除湿过程中吸收的潜热，因此，整个过程溶液和空气的温度变化不大。

图3　除湿器结构

针对第Ⅱ级溶液除湿器中热湿处理过程，采用相应的数学模型，进行编程计算，确定溶液和冷水的物理参数。

3.1除湿器数学模型

借鉴文献[10]的数学模型，利用MATLAB编程计算，确定除湿器的参数。除湿器的二维模型分成(M×N)份，如图4所示。除湿器的高度为H，长度为L，x轴与喷淋溶液的方向一致，z轴与冷水流动的方向一致，S为传热传质面积，S=H×L。

图4　除湿模型的离散划分

①冷水与溶液之间的显热换热关系为：

(6)

式(6)中：tw为冷水温度，℃；NTUh为冷水与溶液间的传热单元数；ts溶液温度，℃；Kh为冷水与溶液之间的传热系数，W/(m2·K)；mw为冷水的质量流量，kg/s；cp,w冷水的定压比容，J/(kg· ℃)。

②空气和溶液之间的传热传质关系式为：

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)～(10)中：ha为空气焓值，kJ/kg；NTUm为空气与溶液之间的传质单元数；Le为刘易斯数；he为等效焓，kJ/kg；r为水的气化潜热，kJ/kg；ωa为空气含湿量，g/kg；ωe为溶液表面空气含湿量，g/kg。

③溶液和空气之间质量守恒关系为：

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

(11)

式中：ma为空气质量流量，kg/s；ms为溶液质量流量，kg/s。

④溶液中溶质守恒关系为：

ms(i+1,j)ξ(i+1,j)=ms(i,j)ξ(i,j),

(12)

式中：ξ为溶液的质量百分数。

⑤空气、溶液、冷水三股流体的能量守恒关系为：

(13)

⑥边界条件

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(下标i，j表示各进出口参数)。

3.2除湿装置物理参数的确定

冷水与溶液传热传热传质单元数NTUh=0.36，计算过程中空气质量流量ma取0.1 kg/s，由于室外新风已经经过第Ⅰ级的降温，对于第Ⅱ级内冷除湿部分，降低了对溶液温度的要求，本设计采用22 ℃，质量百分数为35%的LiCl溶液。

①冷水参数的确定

“冷却+溶液耦合”除湿系统中的内冷除湿装置采用的双级喷水室的冷水回水，则溶液除湿所需的冷水不能超过喷水室所用的水量，即内冷除湿装置的冷水与空气的质量比不能超过喷水系数μ，当μ=1.67，为保证整套系统的运行稳定，并且保证第Ⅱ级除湿的用水量要求，内冷除湿装置的冷水与空气的质量比必须小于喷水系数μ，本套系统取1.0，即水流量等于空气流量。冷水温度为双级喷水室的回水温度。

②溶液状态参数和NTUm的确定

要确定空气与溶液的传热传质单元数NTUm，就必须先确定空气与溶液的传热传质系数，笔者查看了相关除湿过程传热传质的准则关联式[11-12]，发现不同关联式除各自的适用范围不同，对于同一组状态参数的计算结果相差较大，对于验证系统运行状况，确定传热传质系数的意义不大，本文运用MATLAB编程使溶液流量和NTUm在一定范围变化，寻求合适的溶液流量msi和NTUm满足除湿要求。

③MATLAB求解离散方程的步骤

空气和溶液逆流进行热质交换，计算顺序为从上至下，从左至右，空气的出口参数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湿器NTUm值。

从L11开始计算出三股流体的出口参数，溶液和空气的出口参数作为下方L12的进口参数，冷水出口参数作为L12的进口参数。

计算所有网格流体的出口参数：计算出M行空气的出口参数，与实际的空气进口参数比较，如果二者差值较大，则重新假设溶液入口流量和除湿器NTUm值。

如果两者温度差值绝对值在0.01 ℃，含湿量差值绝对值在0.01 g/kg的范围内，结束计算过程，输出M行的溶液出口参数ts(M，j)、ms(M，j)、hs(M，j)和第N列冷却水出口参数tw(i，N)。

④求解结果

通过编程迭代计算得到:

NTUm=1.3，msi=0.062 kg/s。

此时，处理后的空气温度可以达到23 ℃，含湿量9.6 g/kg，能满足室内送风要求，并能承担部分室内显热负荷。溶液最终质量百分数ξ为34.72%，温度为26.1 ℃，质量流量变为0.062 5 kg/s，水温终温为22.6 ℃。

通过计算可知，内冷型溶液除湿在空气与冷却水质量比为1的情况下，可以满足第Ⅱ级的除湿要求。另一方面，由于第Ⅰ级喷水室对空气的冷却除湿，降低了第Ⅱ级除湿过程对溶液的要求，此时，溶液温度为22 ℃，质量百分数为35%即可满足要求。

4　结　语

①耦合除湿技术有效地利用了自然界的冷源进行除湿，同时除湿过程的冷水二次利用，增加了该除湿技术节能潜力。

②冷却+溶液耦合除湿过程第Ⅰ级的空气处理过程中，除湿过程可以保证承担接近50%消除湿负荷任务，冷却过程可以保证送风承担50%的人员显热负荷。

③根据冷却+溶液耦合除湿的数学模型求解结果，表明该除湿技术在赣州等高湿地区是可行的，存在一定推广意义。

[1]刘阿凤,宣永梅,文旋.温湿度独立控制空调系统的发展现状[J]. 洁净与空调技术,2013,21(4):81-86.

[2]曾宪纯,邢艳艳,陆麟,等.宾馆建筑温湿度独立控制空调系统设计分析比较[J]. 浙江建筑,2015,41(4):58-59.

[3]张哲,张睿,律宝莹,等.温湿度独立控制空调系统的应用[J]. 山西建筑,2014,40(1):145-146.

[4]陈伟青,张良明,金红波,等.温湿度独立控制空调系统在某高层写字楼中的应用[J]. 制冷,2014,11(1):63-67.

[5]张竞予,强天伟,孙靖.温湿度独立控制空调系统中三种高温冷源的分析研究[J]. 江西建材,2015,24(3):108-109.

[6]吴蔚兰,魏稷,王蕊.某商品展示中心温湿度独立控制空调系统设计与应用[J]. 暖通空调,2016,31(4):12-16.

[7]朱文洁,于航,何旸.深圳某办公建筑温湿度独立控制空调系统运行测试及效果分析[J]. 发电与空调,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]常晓敏.内冷型溶液除湿装置研究与应用[D]. 北京:清华大学,2009.

[11]彭冬根,曹熔泉.基于热不平衡考虑的溶液除湿再生传热传质系数Ⅱ实验与模型计算分析[J]. 化工学报,2011,62(9):2440-2446.

[12]李道洋，蒙艳玫，胡映宁，等.基于分项实时监测的建筑能耗数值分析[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2012,37(5):965-971.

(责任编辑唐汉民梁碧芬)

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

江西省科技厅科技支撑计划项目(BSB03300);江西省教育厅基金项目(2014GJJ14463);广东省重大科技专项资金项目(2013A011404005)

石发恩(1976—)，男，四川安岳人，江西理工大学副教授，工学博士;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：赵运超，周超辉，石发恩.基于THICS的高湿地区耦合除湿技术理论分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1291-1297.