094-溶液调湿空调系统蓄能研究20100610

溶液调湿空调系统蓄能特性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：本文通过对清华大学建筑技术科学系已构建的一套温湿度独立控制空调系统进行模拟分析，以北京地区应用此系统的办公楼为例，建筑面积为7000m2，新风量为20000m3/h，研究再生器容量与储液罐容量之间的关系，通过合理选择储液罐容量，降低再生器容量的设计值。研究发现：储液罐容量与再生器容量成反比关系，且受热源的温度显著，随热源温度的提高，可减小系统容量。模拟得出，回风蒸发冷却型新风机COP变化范围在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，应关键词：温湿度独立控制溶液除湿蓄能背景面对可利用低品位能源、节约能源消耗、保护环境等方面的问题，近年来，溶液式除湿空调系统的应用越来越广泛。传统的空调系统目前普遍采用冷凝除湿方式（采用7℃的冷冻水）除去建筑的显热负荷与潜热负荷。温湿度独立控制空调系统中，可采用溶液除湿、转轮除湿等方式处理空气湿度，采用高温冷源（18℃）控制空气温度，从而实现了温湿度的全面调节与控制。对于提高空调系统运行性能、降低能源消耗、提高室内空气品质、优化城市能源结构等方面均有重要意义[REF_Ref255726342\r\h[1]]。采用溶液除湿空调方式的温湿度独立控制空调系统中，溶液的蓄能特性与传统的冰蓄冷、水蓄冷等方式不同，并非直接的冷量，而是溶液吸收水分的能力（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持续热源的需求，同时也可降低整个溶液除湿空调系统的容量。近年来，溶液化学势能储存技术已逐渐受到国内外学者的关注，如张小松等[REF_Ref255726377\r\h[8]]针对除湿蒸发冷却系统，利用太阳能或其他低品位热源作为再生热源的系统进行了研究，相同体积下比冰蓄冷的蓄能能力高3～5倍，其空调系统理论值达到1.21。代彦军等[REF_Ref255726398\r\h[2]]对太阳能驱动的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[REF_Ref255726419\r\h[3],REF_Ref255726425\r\h[4]]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，且蓄能密度一般在1000MJ/m3以上。徐士鸣等[REF_Ref255726439\r\h[6],REF_Ref255726433\r\h[7]]建立了以溴化锂溶液为工质的闭式蓄能空调/供热的变质量能量转换与储存系统。对上海地区的办公楼模拟计算，表明系统有较高的性能系数（4.8）和较大的蓄能密度（413.8MJ/m3），并对蓄能空调在全量和分量蓄能策略下的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。本文采用数值模拟方法对余热驱动的溶液除湿空调系统的性能进行分析，以北京地区一典型的办公楼为例，对城市热网为热源驱动的系统，研究再生器容量与储液罐容量之间的关系，通过合理的选择储液罐容量，降低再生器容量的设计值。温湿度独立控制空调系统本文的研究对象为清华大学建筑技术科学系已构建的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构成，负责处理建筑内的潜热负荷，其中驱动再生器的热源为城市热网。系统中的高温冷水机组产生的高温冷水输送到辐射板或者干式风机盘管处理室内的显热负荷。图1.温湿度独立控制空调系统图热源采用城市热网热水作为驱动溶液除湿系统的热源，热源为集中供热系统中一种热媒形式，热源稳定，系统用户可以根据自身需求随时取热，热水侧供应不变。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构成，负责处理建筑内的潜热负荷。溶液泵将浓溶液罐的溶液输送到新风机组，产生足够干燥的新风，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，由此完成溶液的循环。REF_Ref231056144\h图3由三级全热回收模块和一级由喷水热回收后通过表冷器对送风进行冷却的模块构成，在三级全热回收上部模块中，通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的冷源，从而提高溶液的除湿能力。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所冷却的空气-水换热器被进一步降温后送入室内。REF_Ref231056127\h图4中为多级溶液再生装置的工作原理。采用空气-空气显热回收器预热新风，降低系统能耗。热水采用并联的方式进入各级再生装置的显热换热器以保证再生器的出口浓度。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与被热水加热后的溶液直接接触进行热量与质量的交换，空气沿程逐渐被加热加湿，最后高湿的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布置，使得模块A～D中的传热传质驱动力较为均匀，能够获得较好的传热传质效果。图3回风蒸发冷却的新风处理机结构示意图图4再生器结构示意图典型办公楼参数以北京地区一典型办公楼为例，空调面积为7000m2，建筑需求新风量为20000m3/h风量，设置5台4000m3/h的溶液除湿新风机，设定室外新风含湿量大于罐中当天前几个小时储存的溶液，至当日结束浓溶液正好用完。若系统设计时选择更大容量的再生器，最湿日再生的浓溶液量将大于新风机的需求量而剩余，在其他天气状况下，再生器再生的浓溶液持续剩余，将造成系统设备选型过大和占地面积大，没能很好的利用溶液的蓄能特性；若减小再生器风量，则最湿日当天产生的浓溶液量不能满足需求，需前一日储存的或前两日储存的或更多日储存的浓溶液来补充，此时储液罐作为储存溶液的工具，系统运行方式和热源情况将影响溶液罐的体积和系统的经济性。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因此，对于一套合理的蓄能系统来说，应该在室外新风含湿量高时，溶液供给量小于需求量，同时使用即时再生的浓溶液和储存的浓溶液；室外含湿量相对较低时，溶液供给量大于需求量，储存的浓溶液应满足连续较湿天气状况的需求量，其他时刻再生器可以选择间断运行方式。此种运行模式下系统的设备选型较合适，并充分利用溶液蓄能的特性，较少再生器运行时间，节省能耗。除湿季蓄能及系统性能根据DeST软件北京地区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本大于20g/kg。由前面的讨论，随着再生器容量的减小，再生的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，因此保证连续最湿日的除湿负荷要求所需要再生器开启的时间也越长(由于单位时间再生器再生能力弱)，用于储存溶液罐的体积增大。对相同容量的再生器，热源温度提高时，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，如实例中北京地区典型办公楼，再生器风量与系统中溶液罐体积的关系如图7所示：a)溶液罐体积与再生器容量的关系b)系统COP与新风相对湿度的关系c)新风机COP与新风含湿量的关系d)再生器COP与新风含湿量的关系图7城市热网为热源系统性能注：新风机COP=新风冷量/除去水分的汽化潜热；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的降低COP增大，COP变化范围在1～1.5，再生器COP随室外含湿量变化基本在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，因此在再生器可选择间断运行的较干的室外工况，选择室外含湿量较低的时刻运行再生器能提高效率。系统联合运行时，回风蒸发冷却形式的新风机和再生器的系统COP（不包括风机和溶液泵电耗）在0.7～1.2左右。对一幢已知新风除湿负荷需求的建筑，无论再生器容量设计的大或小，都有同样的规律，即随热源温度提高，溶液罐体积有着显著的减小。根据城市热网可提供的热水温度，根据建筑可接受的溶液罐体积和再生器容量，建议的系统设计值如REF_Ref231985764\h表所示。表2设计推荐参考值热源温度℃回风蒸发冷却型新风机的系统再生器风量m3/h浓溶液罐体积m37010000～1500012～7758000～1200010～5806000～1000010～4结论本文通过系统模拟分析，以北京地区2000m2空调面积的办公楼为例，模拟了以城市热网为热源时，溶液除湿空调系统的设计及蓄能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，通过合理的选择储液罐，降低再生器容量设计值。本文根据给定的系统形式和建筑特性，提出较为合理的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，变化范围在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的时刻开启，有利于再生器性能提高。参考文献江亿，李震，陈晓阳，等[J].溶液式空调及其应用.暖通空调，2005，34（11）：80-97代彦军，王如竹，许煜维，等.太阳能液体干燥剂除湿潜能储存热质传递过程研究[J].工程热物理学报，2001，22(5)：605-608殷勇高，张小松，李应林，等.蓄能型太阳能溶液除湿蒸发冷却空调系统研究[J].东南大学学报(自然科学版)，2005，35(1)：73-76蒋毅，张小松，殷勇高.溶液除湿蒸发冷却系统构建极其性能[J].东南大学学报（自然科学版），2006，36（5）：780-784刘晓华，李震，江亿.溶液全热回收装置与热泵系统结合的新风机组[J].暖通空调，2005，34(11)：95-102徐士鸣，张莉，徐长红.采用溴化锂溶液的蓄能空调/供热系统及其数学模型[J].大连理工大学学报，2007，47(6)：803-808徐士鸣，徐长红，张莉.溴化锂溶液蓄能空调/供热系统工作特性模拟与分析[J].大连理工大学学报，2008，48(4)：503-508张小松，费秀峰.溶液除湿蒸发冷