除湿冷凝水回收在除湿机温湿度控制中的应用效果探析

徐伟 易巍 田志刚 谭志勇 李迎春 黄国斌

摘 要：以北京大兴机场除湿机为例，分析了冷凝水回收对除湿机温湿度的影响，并探讨了冷凝水回收系统的节能效果。随着进水温度的升高，空调系统制冷量及整体除湿量均会下降，而使用回收冷凝水，每天每台除湿机可以节约冷却塔能耗2.86 kWh。该研究可以为绿色机场温湿度控制的实验研究提供理论基础。

关键词：除湿冷凝水;温湿度控制;节能;制冷系统;空调系统

0    引言

随着经济的快速发展，人类对能源的无节制开发和消耗，不仅严重破坏了全球的生态环境，而且抑制了全球经济的可持续发展[1]。据了解，建筑总能耗占全社会总能耗的1/3，其中，空调能耗在建筑能耗中占比高达50%[2]。除湿作为降低能耗非常重要的一部分，受到行业越来越多学者的关注[3]。机场作为重要的交通枢纽，在我国的绿色节能建设中具有非常关键的作用。因此，国家对于机场的建设标准要求会更高[4]。相关研究表明，机场的干燥环境对于飞机的安全降落十分重要[5]。要想合理地使用机场的地下空间，必须有效解决机场地下的除湿问题。作为除湿的关键工具，除湿机因水汽化潜热高，其经常处于高能耗状态[6]。为此，有学者提出了复合除湿节能方案，针对空气质量流量、温度和浓度3个变量进行设计后发现，除湿系统的性能提高了27.54%[7]。目前，相关学者对除湿机调温的研究相对较少，大量冷凝水直接排放，不仅污染了环境，还浪费了较多的水资源[8]，因此，研究除湿机组冷凝水回收在除湿机温湿度控制和节能中的效果意义重大。

1  除湿机组原理与理论分析

1.1   除湿机工作原理

除湿机工作原理及结构如图1所示，主要包括电源、压缩机、水冷冷凝器、蒸发器、视液镜、风冷冷凝器、贮液器和节流部件。室外的空气经过压缩机后被压缩成高温高压的气体，经过排气孔后进入水冷冷凝器，在冷凝器中部分气体实现了热量的交换，变成了液体进入了风冷冷凝器，最后进入到蒸发器中，实现热量的蒸发，之后处理的液体又会进入到下一个循环中，不断降低热源形成冷却水[9]。除湿机是通过低温蒸发器来降低空气的湿度，蒸发器由于一直处于蒸发吸热的状态，随着温度的不断降低，聚集的水会越来越多，空气中的水不断从不饱和状态到饱和状态，析出更多的水资源，有效地降低了外界空气中水汽的含量，从而达到降低空气湿度的目的[10]。

1.2   冷凝水调节理论分析

从除湿机的结构中可以看出，其主要借助控制进出口的温度实现对室外空气湿度的控制，一般进风口的干球温度为15～35 ℃，出风温度可以维持在±1 ℃，出风干球温度为±2 ℃，蒸发器的温度越低，产生的冷凝水量就会越多。所以，我们如果将由蒸发器产生的冷凝水混合到冷却水中，就可以有效地降低冷凝器中的温度。冷凝温度变化时系统理论循环压焓图如图2所示。在蒸发温度t0不变的情况下，当冷凝温度由tk′下降到tk时，制冷循环由1-2′-3′-4′-1变为1-2-3-4-1。在上述除湿機中包含一个水冷冷凝器和风冷冷凝器，这两个冷凝器借助一根管道连接起来，当冷凝器中的温度上升时，除湿器整体的性能系数会不断下降，当冷凝器中的温度降低时，除湿器整体的性能系数就会不断增大。

2  应用效果实验方案

为了验证本文提出理论的可行性，我们对冷凝水的回收在除湿机温湿度控制中的应用效果进行实验测定。实验是在3月份进行的，除湿机组温度范围设置为10～43 ℃，固定进风干球温度设置为 32 ℃，相对湿度设置为61%，进水温度设置为30 ℃，出水温度设置为 35 ℃，在上述条件下进行调试运行，并收集冷凝水，冷凝水温度范围为 10～15 ℃。对于除湿机各项指标的检测，主要根据国家标准《除湿机》（GB/T 19411—2003）和《全新风除湿机》（GB/T 20109—2006）进行测试[11]。温湿度测量使用露点湿球温湿度计（华图公司HE71x系列），采用德图风速仪器（Testo 425）来测量空气流速，具体如图3所示。

除湿机在陕西省产品质量检验中心进行性能检测，该检验中心实验室依据GB/T 10870—2001和 GB/T 18430.1—2007 设计、建造。在进风系统干球温度为32 ℃、相对湿度61%的实验环境下，待实验室中除湿机的干湿球温度达到恒定状态后，且机组的冷凝水稳定流出后，放置一个木桶用于收集冷凝水，持续收集1 h，采用相应的测定方法检测除湿机的功率、电压、电流和温度;处理完成之后使用电子秤（TGT-100）进行称重，之后再将收集的冷凝水倒掉重新称重，从而计算出实际收集冷凝水的质量，多次后取平均值作为冷凝水的出水温度，当取完冷凝水后选取合适的处理时间段，每隔5 min采集一次除湿机的性能数据，接着间隔2 ℃对机组的性能数据进行采集，一共采集8组实验的结果[12]。

3  应用效果实验结果

3.1  除湿机组性能分析

如图4所示，随着冷却水进水温度的不断升高，电源电压出现先升高后降低再升高的趋势，而电机电流和输入功率则呈现小幅升高的趋势。在相同实验工况下，冷却水进水温度的降低可适当减少机组的功耗，以实现节约能源的目的。随着不同冷却水进水温度的提高，除湿机的整体进水温度和出水温度明显提升，而进出风的干球和湿球温度基本保持不变，其中进风干球温度最高，达32 ℃左右。对于除湿机的除湿量而言，出现了明显的下降趋势，但是当冷却水温度为32 ℃时则出现了短暂的升高现象。对于压缩机的制冷量而言，随着冷却水温度的升高，制冷量不断降低，且温度越高减小的幅度也相对较大。理论上在蒸发温度一定的情况下，冷凝温度越低，机组制冷量越大，但是在实际应用中机组的制冷量是有所偏差的，并不能一直保持增大状况。因为，对于系统来说，一般为了保证整个机组的运行工况，机组的运行压力不能太低，尤其低压部分不能偏离设计压力太多，低压部分压力太低会增大压缩机的压缩比，使排气温度升高，从而影响系统的制冷量。同时，压缩机出厂时厂家一般也都会提出压缩机使用温度范围的建议，若超出机组的应用范围并不能起到预想的效果。所以，在机组运行中，不能一味地考虑降低冷凝温度，应尽量使其在性能最优的工况下运行，这样才能更好地发挥机组的制冷效果，实现节约电能的目的。

3.2  冷凝水节能分析

对于冷凝水的节能效果分析，我们首先假设冷凝水温度为 14 ℃，空气与液体的换热温差为 6 ℃，那么一台除湿机可以回收的冷凝水的量Q为：

Q=60×4.2×6÷3.6=420 W

假设冷却塔的风机单位时间内的运行功率为 1.5 kW，空气与液体的换热温差为8 ℃，那么除湿风机的换热量Q1为：

Q1=1.01×1.127×8×7 500÷3 600

≈18.97 kW

当除湿机中的所有冷凝水得到有效的回收和利用后，除湿风机能够提供的固定的换热量Q2为：

Q2=Q1-Q=18.97-0.42=18.55 kW

那么除湿冷凝水回收后，机场在一台风机运行的情况下，一天可节省的电量W为：

W=（1.5-18.55×1.5÷18.97）×3.6×24

≈2.86 kWh

由于本项目属于机场项目，通风除湿系统需全年运行，则年节省耗电量W1为 ：

W1=2.86×365=1 043.9 kWh

从上述结果可以看出，使用冷凝水回收后，除湿机的输入功率减小了，整体系统的运行效率得到了有效提升，通过有效地利用冷凝水达到了节能的目的，这对于机场的建设至关重要，可以减少较多的能源消耗和运行成本。

3.3  除湿温湿度控制

如图 5 所示，对比干球温度16 ℃、20 ℃、24 ℃和28 ℃在不同的出风时间下的出风温度变化情况，发现随着出风时间的增加，机组的出风温度变化趋势相对平缓，均在控制偏差允许的范围内。且随着出风温度的升高，除湿机的温度控制范围不断增大，温度的波动范围不断减小。但是对比原始数据，经过处理的数据波动较小，从中可以看出，进风温度以及机组控制程序的变化均会影响到机组的出风温度。本次实验在干球温度为28 ℃时，相比原始出风温度发生了较大的波动，究其原因可能在于控制系统与实际处理之间存在时差，导致发出的命令并没有被有效执行。但从整体的角度来看，整个除湿机组的温度控制系统是有效的。

从不同干球温度下的出风时间与相对湿度变化情况（图 6）可以看出，相对湿度的变化并没有得到明显改善，且与控制程序设定的60%±5%的精度稍有偏差。由于湿度控制的波动范围明显大于温度，故湿度的控制精度稍差于温度的控制精度，但改变控制程序后的湿度波动相对较小，尤其是随着干球温度的升高，相对湿度趋于稳定，因此整体来说该控制程序是合理的。

该系统采用的是分别控制出风温度和湿度的双通道分离控制程序，可使除湿机组温湿度控制精度不能兼顾的问题得到根本改善。但由于该机组设计用风冷冷凝器进口处的旁通流量调节阀为电磁阀，不能实现制冷剂旁通量的连续可调，所以，即使控制程序采用趋势控制系统也会因电磁阀的频繁启闭影响到出风温湿度。

3.4  冷凝水對温湿度的影响

当冷凝水进水温度较低时，水量的变化对出风温度的变化影响较大，冷凝水进水温度越低，除湿机调温作用越强。在除湿机冷凝水应用技术研究中，将冷凝水用于新风预冷能够实现较好的节能效果。此外，随着冷却水温度的降低，压缩机的出风温度也在不断降低，对于串联型调温除湿机，通过降低冷却水进水温度可以达到一定的控温和降耗作用。通过将冷凝水与冷却水的混合进而控制出风温度和湿度的变化是可行的，因为随着冷凝水与冷却水的混合，液体的温度不断降低，这样水冷冷凝器的散热减小，除湿机出风的温度波动就会不断降低，加上压缩机的加载和电磁阀的开闭，可以有效地达到控制出风温度和湿度的要求，进一步实现对除湿机的控制。该方案既可以实现能源的再利用，又可以有效地提高机组的性能，是一种低成本、绿色、环保的方案。

4  结语

本文针对机场地下空间除湿问题，通过理论计算与实验测试的方法，分析了在不同冷凝水温度下除湿机组的性能，并对冷凝水回收系统的节能效果进行了分析，最终我们将除湿机中的冷凝水与冷却水混合，以优化系统性能，达到节约能源的目的。该方案既能实现对冷凝水的充分利用，又可以有效地提升除湿机的性能，可为绿色机场建设提供理论基础。但是目前我们所做的工作还存在以下问题：首先，本文设置的出风温度，仅仅在固定值下进行测试，并没有考虑不同的出风温度对实验结果的影响，后续需要多做几组实验进行对比;其次，本文对于冷凝水的回收对除湿温湿度的影响分析还不够深入，没有通过系统的实验来证明这一理论。下一步我们会针对这两个方面开展系统的实验加以验证。

[参考文献]

[1] KANG Y Q， XIE B C， WANG J， et al. Environmental assessment and investment strategy for China's manufacturing industry： A non-radial DEA based analysis[J].Journal of Cleaner Production，2018，175：501-511.

[2] HONG J K， LI Z D， Shen Q P， et al. An Overview of the driving forces behind energy demand in China's construction industry： Evidence from 1990 to 2012[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2017，73：85-94.

[3] WANG P P， ZHANG X， GOUDA S B， et al. Humidification-dehumidification process used for the concentration and nutrient recovery of biogas slurry[J].Journal of Cleaner Production，2020，247：119142.

[4] DARKO A， CHAN A P， GYAMFI S， et al. Driving forces for green building technologies adoption in the construction industry： Ghanaian perspective[J].Building and Environment，2017，125：206-215.

[5] HU Y A， CHENG H F， TAO S. Environmental and human health challenges of industrial livestock and poultry farming in China and their mitigation[J].Environment international，2017，107：111-130.

[6] CHE W W， TSO C Y， SUN L， et al. Energy consumption，indoor thermal comfort and air quality in a commercial office with retrofitted heat， ventilation and air conditioning （HVAC） system[J].Energy and Buildings，2019，201：202-215.

[7] MANSURIYA K， RAJA B D， PATEL V K. Experimental assessment of a small scale hybrid liquid desiccant dehumidification incorporated vapor compression refrigeration system： An energy saving approach[J].Applied Thermal Engineering，2020，174：115288-115293.

[8] KANG Z Q， LI J Q， LI Z X， et al. Energy-saving analysis of cold and heat recovery of the full fresh air dehumidifier[J].Procedia Engineering，2017，205：4117-4121.

[9] QI R H， LI T， ZHANG L Z. A new approach for air dehumidification at refrigerator temperatures： Electrolytic vapor dehumidifier with Proton Exchange Membrane （PEM）[J].International Journal of Refrigeration，2020，118：453-461.

[10] RAMBHAD K S， WALKE P V， TIDKE D J. Solid desiccant dehumidification and regeneration methods—A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016，59：73-83.

[11] 陳松龙，李学峰.关于除湿机的除湿量试验中凝结水量测量方法的探讨及分析[J].日用电器，2017（8）：28-30.

[12] BAI H Y，ZHU J，Chen Z W，et al.Performance testing of a cross-flow membrane based liquid desiccant dehumidification system[J].Applied Thermal Engineering，2017，119：119-131.

收稿日期：2021-02-19

作者简介：徐伟（1963—），男，北京人，高级工程师，研究方向：暖通空调系统。