低位热驱动的工业建筑除湿降温空调系统应用研究

周苇杭 殷勇高 程小松 陈九法

(1 东南大学能源与环境学院 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室 南京 210096；2 南京紫金山智慧城市研究院 南京 210000)

全球能源投入总量的23%～53%以余热的形式排放，余热具有极大的回收利用潜力，回收余热能够有效提高能源利用效率[1-2]，对节能环保以及我国“双碳”目标的实现具有重要意义。目前，学者们在余热回收利用方面进行了很多研究，有众多应用案例[3-4]。但余热的品位越低，回收利用的难度越大，尤其是80 ℃以下的余热资源，难以高效、低成本的进行回收利用。

温湿度独立控制空调系统是将空气温度和湿度分开处理的一种空气调节形式，与常规系统相比能够更好的对建筑热湿环境进行调控，且节能潜力显著[5-7]。将溶液除湿技术与吸收式制冷技术相结合，可以构成温湿度独立控制的空调系统，使用该类技术也是对余热进行有效回收利用的途径之一[8-12]。众多学者对溶液除湿与吸收式制冷的耦合系统进行了深入研究，Xu Cong等[13]提出一种低品位热驱动的空调系统，该系统的驱动热源为90 ℃，利用冷冻水对除湿溶液进行降温，除湿溶液再对空气的温湿度进行处理，吸收式制冷子系统的性能系数COP(coefficient of performance)最高可达0.85。Su Wei等[14]提出一种压缩-吸收式制冷与溶液除湿耦合的空调系统，除湿溶液可由压缩-吸收式制冷系统的冷凝热驱动再生，而由于压缩机的存在，吸收式制冷系统的发生温度可由100 ℃降至60 ℃。Xu Aixiang等[15]提出一种余热深度利用的空调系统，150 ℃热水可被利用至90 ℃，系统最大COP为0.6。在工质对方面，吸收式制冷系统使用最成熟的工质对为LiBr/H2O[16]，为降低工质成本并提高系统性能，很多学者对NH3/LiNO3、NH3/NaSCN、离子液体及多元工质对进行了研究[17-18]。溶液除湿工质对以LiCl/H2O、LiBr/H2O等研究较多，而多元工质对如LiBr/CaCl2、LiCl/CaCl2也是单一工质较好的低成本替代方案[19-20]。

本文提出一种低位热驱动的工业建筑除湿降温空调系统，并将其应用于实际工程中。该系统由高温冷水机组子系统和溶液除湿新风机组子系统组成，高温冷水机组负责处理空气的显热负荷，溶液除湿新风机组负责处理空气的潜热负荷。由于应用了热湿解耦处理技术，显著提高了冷水机组蒸发温度，降低了对工质蒸气压等的要求，使CaBr2等蒸气压相对LiBr较高但成本相对更低的工质有利用的空间。因此，高温冷水机组采用CaBr2/LiCl多元工质对，溶液除湿新风机组采用LiCl/CaCl2多元工质，对该系统在工业余热回收利用中的实际效果和系统的实际性能进行分析与评估。

1 空调系统概况介绍

1.1 系统原理

低位热驱动的工业建筑除湿降温空调系统原理如图1所示，系统驱动热源为工业建筑生产过程中产生的烟气余热，热水可以通过吸收烟气余热升温至约80 ℃。该系统的主要循环回路包括热水回路、冷冻水回路、冷却水回路、除湿溶液回路和冷水机组内部循环回路。

1高温冷水机组；2热水泵；3冷却水泵；4冷冻水泵；5～7溶液泵；8溶液加热器；9溶液-溶液换热器；10溶液冷却器；11溶液回热器；12～13节流阀；14～15风机。图1 低位热驱动的工业建筑除湿降温空调系统Fig.1 Low-grade heat-driven industrial building dehumidification and cooling air-conditioning system

热水回路：热水先送入冷水机组的发生器中驱动溶液的发生过程，后进入再生器侧的溶液加热器对除湿溶液进行加热，再返回烟气余热回收装置由烟气将热水重新加热升温。

冷冻水回路：冷冻水回路连接冷水机组的蒸发器和溶液除湿新风机组的表冷器，冷冻水从冷水机组的蒸发器中获取冷量后，进入表冷器对除湿后的空气进行降温。

冷却水回路：冷却水回路分为两路，第一路冷却水经由除湿器侧的溶液冷却器，对除湿溶液进行降温，以达到更好的除湿效果。第二路冷却水先后流经冷水机组的吸收器和冷凝器，通过控制吸收温度从而更好的吸收制冷剂蒸气并使冷凝器中的制冷剂蒸气进行冷凝。

除湿溶液回路：除湿溶液从除湿器顶端喷淋至填料表面，对室外新风进行湿度处理后，由溶液泵将部分溶液继续送入除湿器进行除湿，另一部分溶液依次经过溶液-溶液热交换器与溶液加热器后进入再生器进行再生，再生后的除湿溶液送回除湿器。

冷水机组内部循环回路：冷水机组发生器内的浓溶液先流入溶液-溶液热交换器与来自吸收器的稀溶液进行换热降温，后流入吸收器吸收制冷剂蒸气，使溶液浓度降低，再将稀溶液送入发生器并喷淋至换热管上进行发生浓缩，发生器内的水蒸气由于压差作用进入冷凝器并进行冷凝，冷凝后的制冷剂通过膨胀阀喷淋至蒸发器换热管上，制冷剂汽化从而吸收冷冻水带回的热量，之后制冷剂蒸气由于压差的作用，进入吸收器被溶液吸收，至此完成冷水机组的内部循环。

图2 机组实物Fig.2 Physical map of unit

1.2 系统运行模式

高温冷水机组与溶液除湿新风机组实物如图2所示。该系统有4个运行模式：除湿降温模式，即启动冷水机组及溶液除湿新风机组，对空气温度与湿度进行处理；降温模式，即启动冷水机组，对空气温度进行处理；除湿模式，即启动溶液除湿新风机组，对空气湿度进行处理；通风模式，该模式下只需启动风机即可实现对车间的通风，从而改善车间空气质量。在该工程应用中，主要对空气温湿度，热水、冷冻水、冷却水的流量及温度进行监测，测量设备规格参数如表1所示。

表1 测量设备规格参数Tab.1 Specifications of measuring equipment

2 性能评估方法

2.1 冷水机组性能系数

COP是评价冷水机组的关键指标，本文将其定义为制冷量Qe与耗热量Qg及电功率W之和的比值：

(1)

冷水机组的Qe与Qg分别由式(2)和式(3)计算：

Qe=mw,chilcp,w(tw,chil,in-tw,chil,out)

(2)

Qg=mw,hotcp,w(tw,hot,in-tw,hot,out)

(3)

式中：W为冷水机组溶液泵等辅助设备电功率之和，kW；mw,chil为冷冻水质量流量，kg/s；cp,w为水的比热容，kJ/(kg·℃)；tw,chil,in、tw,chil, out分别为冷冻水回水、出水温度，℃；mw,hot为热水质量流量，kg/s；tw,hot,in、tw,hot,out分别为冷水机组热水进、出口温度，℃。

2.2 除湿效率与再生效率

溶液除湿与再生的性能可通过除湿效率及再生效率来衡量。除湿效率ηd定义为除湿器中被处理空气的实际含湿量变化值与空气理论上最大含湿量变化值的比值，再生效率ηv定义为再生器中空气的实际含湿量变化值与再生空气理论上最大含湿量变化值的比值，计算方法如下：

(4)

(5)

式中：ωa,deh,in、ωa,deh,out为分别为除湿器进、出口空气含湿量；ωe,deh为除湿器进口溶液的等效含湿量；ωa,reg,in、ωa,reg,out分别为再生器进、出口空气含湿量；ωe,reg为再生器进口溶液的等效含湿量。上述含湿量单位均为g/(kg干空气)。

3 结果与分析

3.1 冷水机组实时运行参数分析

冷水机组运行过程中热水进、出口温度的变化如图3所示。由图3可知，热水进口温度最高为82.7 ℃，最低为67.9 ℃，温度在此区间内呈周期波动。产生该现象的原因是工厂电炉运行过程中要不断上料和下料，使产生烟气的量及温度均会有所波动，从而导致热水温度产生周期波动的现象。热水出口温度相对较为稳定，出口温度在56.7～62.7 ℃之间波动, 冷水机组平均热源利用温差为16.6 ℃，最大热源利用温差高达20.7 ℃。

图3 冷水机组热水温度Fig.3 Hot water temperature of the chiller

图4所示为冷水机组运行过程中发生温度和冷却水进口温度的变化。由图4可知，发生温度在13∶30以前保持在63～66 ℃之间，对照图3可知，该段时间热水进口温度保持在75 ℃以上，热水出口温度在60 ℃以上，发生温度变化与之相对应。13∶30以后，发生温度呈波动下降趋势，由63.8 ℃降至58.2 ℃，这是由于热水进口温度波动下降至67.9 ℃，此时热水出口温度也降至56.7 ℃。运行时间段内冷却水进口平均温度为31 ℃且较为稳定，因此保证了机组的冷凝效果。

图4 冷水机组发生温度及冷却水进口温度Fig.4 Generation temperature and cooling water inlet temperature of the chiller

冷水机组冷冻水出水、回水温度以及空气送风温度如图5所示，冷冻水出水温度保持在15.1～16.3 ℃范围内，由于溶液的蓄能特性，即使在热源温度波动很大的情况下，仍然可以输出温度相对稳定的高温冷冻水，冷冻水回水温度约为19 ℃，送风温度保持在约22 ℃。

图5 冷冻水温度及送风温度Fig.5 Chilled water temperature and supply air temperature

3.2 冷水机组实际运行性能分析

冷水机组运行时制冷量和耗热量的实时变化情况如图6(a)所示。由图6(a)可知，制冷量在35.2～42.4 kW范围内变化，总体趋势相对平稳。这是因为冷水机组溶液的蓄能特性，在热源温度高时可以产生更高浓度的溶液，即使热源温度下降难以维持溶液的发生，高浓度的溶液也能持续一段时间维持吸收器腔体压力在一个较低的水平，不断吸收蒸发器产生的制冷剂蒸气、保持蒸发温度，提供满足需求的制冷量。

机组的实时耗热量呈周期波动，机组耗热量较高时，有较高的发生温度，从而发生速率更快，发生器出口的溶液浓度也处于较高水平，该段时间发生器所产生制冷剂蒸气的量大于吸收器所吸收制冷剂蒸气的量，溶液浓度上升；机组耗热量较低时，发生温度有所下降，该段时间发生器所产生制冷剂蒸气的量小于吸收器所吸收制冷剂蒸气的量，溶液浓度呈下降趋势；溶液浓度的变化在一个周期之内形成动态平衡。造成耗热量波动很大的原因在前文已说明，与工厂的生产过程密切相关。

由于冷水机组的溶液蓄能特性以及较大的耗热量波动，实时COP处于波动状态。为便于定量描述机组的性能，将COP定义为一个波动周期内总制冷量与总耗热量及电功率之和的比值(耗热量波动周期为40～50 min)，其中机组及辅助设备的电功率为1.7 kW。上述评估方法可以降低机组溶液蓄能对COP的影响。冷水机组COP实时变化如图6(b)所示，COP最大为0.73，最小为0.64，机组平均COP为0.69，总体呈上升趋势。机组运行前期COP较低的原因是此时耗热量不仅用于满足机组的制冷需求，还用于提高吸收器腔体内的溶液浓度。当溶液浓度上升至一定值后，耗热量全部用于匹配机组的制冷需求。14∶00以后，热水进口平均温度逐渐降低，而COP仍维持在较高水平，主要原因是:1)冷却水温度从31.5 ℃持续降至30 ℃，机组的冷却条件更好；2)机组溶液蓄能发挥了作用，在热水温度较高时通过提高溶液浓度进行蓄能，在热水温度降低时进行了能量释放。

图6 冷水机组实际运行性能Fig.6 Actual performance of the chiller

3.3 溶液除湿与再生性能分析

溶液除湿新风机组的除湿性能如图7(a)所示。新风含湿量的平均值为19.4 g/(kg干空气)，经除湿后，送风含湿量平均值可降至11.9 g/(kg干空气)，机组的平均除湿效率为61.2%。机组的再生性能如图7(b)所示，再生空气出口含湿量在26.2～29.1 g/(kg干空气)之间波动，再生效率在25.4%～32.2%之间波动，产生该现象的主要原因是热源温度的变化对溶液的蒸气压影响较大，导致溶液的再生效率产生一定波动。

图7 除湿与再生性能Fig.7 Performance of dehumidification and regeneration

4 结论

本文设计并建造了一种低位热驱动的工业建筑除湿降温空调系统，对该系统在工程应用中的实际性能进行了分析，得到如下结论：

1)系统在热源温度呈周期波动且均值为77.2 ℃的条件下，冷水机组的平均COP为0.69、热源利用温差为16.6 ℃，冷水机组可提供15.1～16.3 ℃的高温冷冻水，实现对工业建筑热环境的有效调控。

2)溶液除湿新风机组可将新风含湿量从19.4 g/(kg干空气)处理至11.9 g/(kg干空气)，在实际应用中的平均除湿效率为61.2%，再生效率为29.2%。