溶液调湿空调系统蓄能研究.doc

溶液调湿空调系统蓄能特征研究
北京市建筑设计研究院 唐艺丹 清华大学建筑技术科学系 刘晓华
摘要: 本文经过对清华大学建筑技术科学系已构建一套温湿度独立控制空调系统进行模拟分析, 以北京地域应用此系统办公楼为例, 建筑面积为7000m2, 新风量为0m3/h, 研究再生器容量与储液罐容量之间关系, 经过合理选择储液罐容量, 降低再生器容量设计值。研究发觉: 储液罐容量与再生器容量成反比关系, 且受热源温度显著, 随热源温度提升, 可减小系统容量。模拟得出, 回风蒸发冷却型新风机COP改变范围在1～1.5, 再生器随室外含湿量降低COP在0.7～0.8范围内变动, 溶液除湿系统COP为0.7～1.2。在室外较干工况时, 再生器间断运行时, 应在室外含湿量较低时刻开启, 有利于性能提升。
关键词: 温湿度独立控制 溶液除湿 蓄能
0 背景
面对可利用低品位能源、 节省能源消耗、 保护环境等方面问题, 多年来, 溶液式除湿空调系统应用越来越广泛。传统空调系统现在普遍采取冷凝除湿方法（采取7℃冷冻水）除去建筑显热负荷与潜热负荷。温湿度独立控制空调系统中, 可采取溶液除湿、 转轮除湿等方法处理空气湿度, 采取高温冷源（18℃）控制空气温度, 从而实现了温湿度全方面调整与控制。对于提升空调系统运行性能、 降低能源消耗、 提升室内空气品质、 优化城市能源结构等方面都相关键意义[Error! Reference source not found.]。
采取溶液除湿空调方法温湿度独立控制空调系统中, 溶液蓄能特征与传统冰蓄冷、 水蓄冷等方法不一样, 并非直接冷量, 而是溶液吸收水分能力（浓溶液）。在热源充足, 系统浓溶液需求量盈余时储存起来, 到系统浓溶液需求量较大时补给, 从而缓解再生器对于连续热源需求, 同时也可降低整个溶液除湿空调系统容量。多年来, 溶液化学势能储存技术已逐步受到中国外学者关注, 如张小松等[Error! Reference source not found.]针对除湿蒸发冷却系统, 利用太阳能或其她低品位热源作为再生热源系统进行了研究, 相同体积下比冰蓄冷蓄能能力高3～5倍, 其空调系统理论值达成1.21。代彦军等[Error! Reference source not found.]对太阳能驱动溶液除湿蒸发冷却空调系统建立了数学模型, 并进行性能模拟研究。殷勇高等[Error! Reference source not found.,Error! Reference source not found.]构建了溶液除湿蒸发冷却空调系统, 在热源温度为70℃工况时COP可达0.8, 且蓄能密度通常在1000MJ/m3以上。徐士鸣等[Error! Reference source not found.,Error! Reference source not found.]建立了以溴化锂溶液为工质闭式蓄能空调/供热变质量能量转换与储存系统。对上海地域办公楼模拟计算, 表明系统有较高性能系数（4.8）和较大蓄能密度（413.8MJ/m3）, 并对蓄能空调在全量和分量蓄能策略下工作情况进行数值模拟, 为蓄能系统设计、 控制、 技术经济评价、 设备选型或设计等工作奠定了基础。
本文采取数值模拟方法对余热驱动溶液除湿空调系统性能进行分析, 以北京地域一经典办公楼为例, 对城市热网为热源驱动系统, 研究再生器容量与储液罐容量之间关系, 经过合理选择储液罐容量, 降低再生器容量设计值。
1 温湿度独立控制空调系统
本文研究对象为清华大学建筑技术科学系已构建温湿度独立控制空调系统, 溶液除湿系统由新风机、 再生器、 浓溶液罐和稀溶液罐组成, 负责处理建筑内潜热负荷, 其中驱动再生器热源为城市热网。系统中高温冷水机组产生高温冷水输送到辐射板或者干式风机盘管处理室内显热负荷。

图1.温湿度独立控制空调系统图
1.1 热源
采取城市热网热水作为驱动溶液除湿系统热源, 热源为集中供热系统中一个热媒形式, 热源稳定, 系统用户能够依据本身需求随时取热, 热水侧供给不变。
1.2 溶液除湿空调
溶液除湿空调由新风机、 再生器、 浓溶液罐和稀溶液罐组成, 负责处理建筑内潜热负荷。溶液泵将浓溶液罐溶液输送到新风机组, 产生足够干燥新风, 溶液本身变稀后流回稀溶液罐, 稀溶液被送入再生器, 经热源驱动再生成浓溶液流回浓溶液罐, 由此完成溶液循环。Error! Reference source not found.3由三级全热回收模块和一级由喷水热回收后经过表冷器对送风进行冷却模块组成, 在三级全热回收上部模块中, 经过喷水对回风进行直接蒸发冷却产生冷水作为下部模块除湿过程冷源, 从而提升溶液除湿能力。室外新风依次经过除湿模块A、 B、 C被降温除湿后, 继而进入回风模块G所冷却空气-水换热器被深入降温后送入室内。Error! Reference source not found.4中为多级溶液再生装置工作原理。采取空气-空气显热回收器预热新风, 降低系统能耗。热水采取并联方法进入各级再生装置显热换热器以确保再生器出口浓度。室外新风首先经过显热回收器被预热后, 依次进入单元喷淋模块A～D与被热水加热后溶液直接接触进行热量与质量交换, 空气沿程逐步被加热加湿, 最终高湿空气经过显热回收预热新风后直接排出。级间溶液与空气逆流部署, 使得模块A～D中传热传质驱动力较为均匀, 能够取得很好传热传质效果。

图3 回风蒸发冷却新风处理机结构示意图
图4 再生器结构示意图
2 经典办公楼参数
以北京地域一经典办公楼为例, 空调面积为7000m2, 建筑需求新风量为0m3/h风量, 设置5台4000m3/h溶液除湿新风机, 设定室外新风含湿量大于12g/kg时新风机开启, 运行时间为工作日8:00～18:00。6月～8月室外含湿量都较12g/kg高, 如图5(a)所表示, 取6月23日至9月1日为夏季除湿日计算, 室外新风逐时湿负荷如图5(b)所表示。

(a) 室外逐时含湿量
(b)室外逐时新风湿负荷
图5. 北京6月至9月室外新风含湿量和新风湿负荷
本文采取建立溶液除湿系统数学模型, 经过模拟研究分析。其中溶液空气直接接触式换热部件采取刘晓华等[Error! Reference source not found.,Error! Reference source not found.]建立叉流热质交换模型, 溶液-溶液板式换热器、 溶液-水板式换热器和表冷器均采取ε-NTU方法, 经过给定KA值计算换热器效率。模型建立和验证方法如[Error! Reference source not found.]所表示。
3 蓄能特征
3.1 关键部件特征
对于4000m3/h新风量回风蒸发冷却型新风机, 确保处理室内湿负荷要求, 则不管室外条件怎样改变, 应确保送风含湿量恒定。所以, 随室外新风含湿量增加, 需要增大逐时浓溶液量, 即经过改变气液比方法调整。模拟得出浓溶液需求量与室外新风含湿量关系为: M=1.0188d3-51.395d2+889.62d-5123.3。其中: d为室外新风含湿量, g/(kg·干); M为逐时浓溶液需求量, kg/h。
当城市热网提供热水温度不一样时, 对再生器性能有较大影响。当再生溶液循环倍率不改变时, 伴随热水进口温度提升, 再生器出口溶液浓度将增大, 但过高溶液浓度轻易在溶液温度降低时出现结晶; 当确保再生器出口溶液浓度一定时, 伴随热水温度提升, 浓溶液循环倍率将增加。如表1所表示, 为4000m3/h新风量再生器, 当热水温度由70℃提升到85℃时, 浓溶液循环倍率增加一倍, 即随热源温度提升, 再生器产生浓溶液能力更强。
表1 再生器浓溶液循环速率与热水温度关系

热水并联
热水温度 ℃
70
75
80
85
溶液流量 kg/s
0.17
0.24
0.31
0.38
3.2 最湿日蓄能
取夏季最湿日, 以9600m3/h风量再生器和5台4000m3/h新风机为例, 城市热网热水温度为70℃, 计算当日溶液蓄能与释能改变关系。
新风机开启时间为8:00～18:00, 如Error! Reference source not found.6所表示, 菱形点为新风机逐时浓溶液需求量随室外新风含湿量改变。设再生器全天开启, 逐时浓溶液供给量如图中方形点所表示, 以前日19:00～当日7:00为浓溶液储存过程, 新风机开启后, 逐时再生器产生浓溶液不足以满足逐时新风机需求, 需要使用浓溶液罐中当日前多个小时储存溶液, 至当日结束浓溶液恰好用完。
若系统设计时选择更大容量再生器, 最湿日再生浓溶液量将大于新风机需求量而剩下, 在其她天气情况下, 再生器再生浓溶液连续剩下, 将造成系统设备选型过大和占地面积大, 没能很好利用溶液蓄能特征; 若减小再生器风量, 则最湿日当日产生浓溶液量不能满足需求, 需前一日储存或前两日储存或更多日储存浓溶液来补充, 此时储液罐作为储存溶液工具, 系统运行方法和热源情况将影响溶液罐体积和系统经济性。

a) 室外含湿量
b) 蓄能
图6 最湿日室外含湿量和蓄能情况示意图
所以, 对于一套合理蓄能系统来说, 应该在室外新风含湿量高时, 溶液供给量小于需求量, 同时使用即时再生浓溶液和储存浓溶液; 室外含湿量相对较低时, 溶液供给量大于需求量, 储存浓溶液应满足连续较湿天气情况需求量, 其她时刻再生器能够选择间断运行方法。此种运行模式下系统设备选型较适宜, 并充足利用溶液蓄能特征, 较少再生器运行时间, 节省能耗。
3.3 除湿季蓄能及系统性能
依据DeST软件北京地域室外气象参数数据库, 北京整个供冷季室外连续较湿天气出现在8月1日到8月5日, 室外白天新风含湿量基础大于20g/kg。由前面讨论, 伴随再生器容量减小, 再生浓溶液循环速率越小, 逐时浓溶液再生量较逐时新风除湿负荷需求量差越大, 所以确保连续最湿日除湿负荷要求所需要再生器开启时间也越长(因为单位时间再生器再生能力弱), 用于储存溶液罐体积增大。对相同容量再生器, 热源温度提升时, 浓溶液循环速率增加, 可减小溶液罐体积和再生器运行时间。经计算, 如实例中北京地域经典办公楼, 再生器风量与系统中溶液罐体积关系如图7所表示:

a) 溶液罐体积与再生器容量关系
b) 系统COP与新风相对湿度关系

c) 新风机COP与新风含湿量关系
d) 再生器COP与新风含湿量关系
图7 城市热网为热源系统性能
注: 新风机COP=新风冷量/除去水分汽化潜热; 再生器COP=除水量/热源提供热量;
系统COP=新风冷量/再生器热量=新风机COP×再生器COP
新风机随室外新风相对湿度降低COP增大, COP改变范围在1～1.5, 再生器COP随室外含湿量改变基础在0.7～0.8范围内变动, 但随室外含湿量降低再生器COP稍有增加, 所以在再生器可选择间断运行较干室外工况, 选择室外含湿量较低时刻运行再生器能提升效率。系统联合运行时, 回风蒸发冷却形式新风机和再生器系统COP（不包含风机和溶液泵电耗）在0.7～1.2左右。对一幢已知新风除湿负荷需求建筑, 不管再生器容量设计大或小, 都有一样规律, 即随热源温度提升, 溶液罐体积有着显著减小。
依据城市热网可提供热水温度, 依据建筑可接收溶液罐体积和再生器容量, 提议系统设计值如Error! Reference source not found.所表示。
表2 设计推荐参考值
热源温度℃
回风蒸发冷却型新风机系统
再生器风量m3/h
浓溶液罐体积 m3
70
10000～15000
12～7
75
8000～1
10～5
80
6000～10000
10～4
4 结论
本文经过系统模拟分析, 以北京地域m2空调面积办公楼为例, 模拟了以城市热网为热源时, 溶液除湿空调系统设计及蓄能, 得出以下结论:
1）同一热源温度下, 再生器容量与储液罐体积成反比关系, 随热源温度升高, 再生器容量和储液罐容量减小。
2）在实际工程设计时, 再生器最大容量应满足室外连续最湿日下建筑逐时浓溶液需求, 随再生器容量降低, 系统储液罐体积增大, 经过合理选择储液罐, 降低再生器容量设计值。本文依据给定系统形式和建筑特征, 提出较为合理系统容量设计参考值, 如表2。
3）回风蒸发冷却型新风机随室外新风相对湿度降低COP增大, 改变范围在1～1.5, 随室外含湿量降低再生器COP稍有增加, 在0.7～0.8范围内变动, 系统COP为0.7~1.2。在室外较干工况时, 再生器可选择间断运行时应以室外含湿量较低时刻开启, 有利于再生器性能提升。

参考文件
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唐艺丹, 女, 1985年01月生, 助理工程师, 通讯地址: 北京市西城区南礼士路62号北京市建筑设计研究院, 邮政编码: 100045, 电话: [phone], E-mail: