摘要：轉(zhuǎn)輪除濕與機械制冷相結(jié)合的復合空調(diào)系統(tǒng)中，濕負荷由熱量來承擔、可有效地提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，降低能耗。本文介紹了一種天然氣發(fā)動機直接驅(qū)動制冷與轉(zhuǎn)輪除濕相結(jié)合的復合空調(diào)系統(tǒng)，并與常規(guī)冷凍減濕系統(tǒng)進行了比較。計算結(jié)果表明，空調(diào)系統(tǒng)的濕負荷越大，復合系統(tǒng)的優(yōu)勢越明顯。關鍵詞：除濕轉(zhuǎn)輪復合空調(diào)能耗濕負荷一、前言利用除濕材料(desiccant)的親水性來處理潮濕空氣的除濕技術(desiccantdehumidification)，現(xiàn)已廣泛應用于對濕度要求較高的生產(chǎn)車間、倉庫以及要求空氣濕度較低的場合，如鋰電池生產(chǎn)、聚酯切片生產(chǎn)等。除濕轉(zhuǎn)輪是其中一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能好、應用廣泛的設備，含有除濕材料的轉(zhuǎn)芯在微型馬達的驅(qū)動下，交替地暴露于溫度較低、濕度較高的過程空氣側(cè)和溫度較高、濕度較低的再生空氣側(cè)，利用再生空氣的熱量實現(xiàn)過程空氣側(cè)濕度的降低?？照{(diào)系統(tǒng)的任務之一是消除建筑內(nèi)的余濕量，并將其維持在一定的舒適性水平上。傳統(tǒng)的舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，這一過程是通過冷凍減濕將空氣冷卻到露點溫度以下、使水分凝結(jié)析出來實現(xiàn)的，在熱力學上很不合理，而且為避免吹冷風的感覺常需將深冷后的空氣再熱到送風溫度，冷熱相抵的過程造成極大浪費。隨著過去十年中除濕轉(zhuǎn)輪制造技術的不斷完善和新型除濕材料的不斷商業(yè)化，原來主要用于工藝空調(diào)的除濕轉(zhuǎn)輪開始進入到舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，出現(xiàn)了多種形式的與蒸發(fā)冷卻、機械制冷等融合而成的復合式空調(diào)系統(tǒng)。國外的研究表明：由除濕轉(zhuǎn)輪來負擔濕負荷的復合式空調(diào)系統(tǒng)，特別適用于室內(nèi)濕負荷大、新風量大的場所，如超市、運動場館、醫(yī)院等[1]。在可使用太陽能、發(fā)動機余熱等低品位熱量時，系統(tǒng)的經(jīng)濟性更為明顯。此外，復合式空調(diào)系統(tǒng)將熱、濕負荷分開處理，可實現(xiàn)與溫度無關的、精確的濕度控制，改善舒適性。同時，能保證送風系統(tǒng)的干燥，避免與病態(tài)建筑綜合癥相關的微生物和霉菌的生長。本文介紹了一種將除濕技術與機械制冷相結(jié)合的復合式空調(diào)系統(tǒng)，并對其運行能耗和適用性進行了分析。二、系統(tǒng)說明圖1a復合空調(diào)系統(tǒng)流程圖圖1b　常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig.1aPsychrometricChartforHybridACSystemFig.1bPsychrometricChartforTraditionalACSystem

圖1c　除濕復合空調(diào)系統(tǒng)示意圖Fig.1cSchemeofDesiccant-AssistedHybridAir-conditioningSystem圖1a是一種典型的復合空調(diào)系統(tǒng)，其具體流程見圖1c。該系統(tǒng)最早由Pennington提出[2]，使用太陽能再生、結(jié)合蒸發(fā)冷卻供冷；隨著發(fā)動機驅(qū)動制冷技術的深入，余熱被越來越多地應用于再生除濕轉(zhuǎn)輪。Parsons[3]提出了用發(fā)動機直接驅(qū)動制冷同時將發(fā)動機余熱用于除濕的系統(tǒng)方案。Schmitz[4]建議將熱電聯(lián)產(chǎn)機組的余熱在夏季進行除濕設備再生、并考慮利用冷凝器排熱補充再生熱量。在這一系統(tǒng)中，濕負荷全部由新風承擔；室外新風(點1)經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕后(點2)與房間回風進行顯熱交換，降低溫度(點3)。之后再與回風混合(4點)、一起(如圖所示)或單獨通過機械制冷處理到送風狀態(tài)(點O)。當室外空氣濕度較大，通過預冷器預冷、降低溫度后再進行除濕；若新風無法負擔全部濕負荷，可結(jié)合預冷減濕，形成雙級除濕系統(tǒng)。顯熱熱交換器既減小了機械制冷量、又降低了再生空氣加熱量。三、能耗計算與分析為對比復合空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)冷凍減濕系統(tǒng)的能耗，我們借助國外某品牌除濕轉(zhuǎn)輪的設計程序[5]進行了計算。圖2、圖3分別為計算得到的、在不同的新風百分比和室內(nèi)濕負荷情況下兩種系統(tǒng)的能耗情況。計算條件如下：室外空氣34℃-40%RH；室內(nèi)狀態(tài)25℃-50%RH。室內(nèi)余熱量固定為40KW，余濕量分別取4kghr、8kghr、16kghr。除濕轉(zhuǎn)輪的吸濕材料為氯化鋰，面風速取廠家推薦值1.7m；顯熱熱交換器的效率取為75%。作為對比的常規(guī)系統(tǒng)為一次回風，先冷凍到機器露點減濕之后再熱到送風溫度(如圖1b)。兩種系統(tǒng)的送風溫差均固定為5℃；該系統(tǒng)有下面一些主要特點：１、在同樣的新風比例和室內(nèi)余濕量情況下，復合系統(tǒng)的需冷量大大低于常規(guī)系統(tǒng)(圖2)；這是由于系統(tǒng)的濕負荷由熱量承擔。而且對于兩種系統(tǒng)，在同樣的室內(nèi)余濕量下、需冷量均隨新風比例的增大而增加，但復合空調(diào)系統(tǒng)的增加要平緩得多。常規(guī)冷凍減濕系統(tǒng)的需冷量由于新風濕負荷的增大而迅速增大。在復合系統(tǒng)中，新風比例增大、濕負荷增加、需熱量迅速提高(圖3)，而需冷量的增加較為平緩。圖2　復合除濕空調(diào)系統(tǒng)與冷凍減濕系統(tǒng)的需冷量對比Fig.2ComparisonofCoolingCapacityforHybridACSystemandTraditionalRefrigerationSystem２、此外，由于新風負擔所有的濕負荷，當新風比例較小時，要求轉(zhuǎn)輪的除濕能力較強。目前商業(yè)轉(zhuǎn)輪的單級除濕能力一般在6~12gKg，在室外空氣含濕量較大或室內(nèi)濕負荷較大時，較小的新風量可能無法滿足全部濕負荷。這時可在轉(zhuǎn)輪的過程空氣側(cè)增設預冷器進行冷凍減濕、分擔部分濕負荷，或者增大新風量。從圖2中可以看出，復合系統(tǒng)在新風量50%的需冷量比常規(guī)系統(tǒng)在10%時還要低。３、除濕轉(zhuǎn)輪的焓增在一定程度降低了系統(tǒng)的效能。在經(jīng)典的空氣調(diào)節(jié)理論[6]以及大部分的工程設計中，都認為過程空氣在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的過程是等焓的；實際上由于蓄熱效應，過程空氣側(cè)總有一定的焓增；圖4為對上述的轉(zhuǎn)輪計算得到的、當再生溫度由40℃增高到70℃(過程空氣側(cè)的除濕量由0.87提高到4.47gKg)時，過程空氣側(cè)的焓增情況。顯然再生側(cè)的溫度越高，過程側(cè)的焓增越大。對過程側(cè)進口焓值較低的情形，其出口的焓增可達10%。因此，制造商紛紛開發(fā)各種熱容較小的材料，以盡可能降低焓增，改善效率。圖3　復合除濕空調(diào)系統(tǒng)與冷凍減濕系統(tǒng)的需熱量對比Fig.3ComparisonofHeatingCapacityforHybridACSystemandTraditionalRefrigerationSystem圖4　過程空氣側(cè)除濕量與焓增的關系Fig4RelationshipbetweenHumidity-RatioDecreaseandEnthalpyIncreaseofProcessAir４、將濕負荷用熱量來承擔的方法，經(jīng)濟性取決于熱量的來源。電加熱的方法由于簡單、可靠、容易控制而為很多的轉(zhuǎn)輪制造商所采用，但并不經(jīng)濟，因為1KW由電轉(zhuǎn)化而來的熱量比1KW的冷量更昂貴。但當熱量是某種形式的余熱時，除濕就具備產(chǎn)生經(jīng)濟競爭力了。表1是一種發(fā)動機直接驅(qū)動冷水機組的制冷量和可利用余熱量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。表1　天然氣發(fā)動機驅(qū)動冷水機組的制冷量與可回收熱量[7]Table1CoolingCapacityandRecoverableWasteHeatfromEngine-DrivenChillers壓縮機轉(zhuǎn)速(rpm)14001300120011001000900800700天然氣耗量（Nm3h）5.505.084.684.203.783.382.962.57制冷量(kW)52.5648.1246.6645.6440.9338.5434.7531.81可回收的熱量(kW)32.8731.2128.4526.2223.4621.4618.0715.86例如當室內(nèi)余濕量為4Kghr、新風比例為25%時，由圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)：需冷量為46.6KW、需熱量26.4KW。與該機組在1200rpm的冷、熱量正好吻合。此時的天然氣耗量為4.68Nm3h，以天然氣價格2.2元Nm3計，運行能耗費用為10.3元hr。若使用冷凍減濕、電加熱再熱的常規(guī)處理流程，需冷量與需熱量分別為114.6KW和41.5KW。設電動冷水機組的COP=5，電價為0.62元KW.h。其運行費用為40元hr。即使以露點送風、降低舒適性的話，運行費用也為14.2元hr。當然，復合空調(diào)系統(tǒng)使用了除濕轉(zhuǎn)輪而較常規(guī)系統(tǒng)更為復雜，也帶來維護上的麻煩。并且當室內(nèi)的熱、濕負荷變化時，需要更為及時、準確、有效的控制來保證冷、熱量的匹配。這類復合空調(diào)系統(tǒng)的推廣有賴于自動控制程度的提高和集成。四、結(jié)論本文介紹了一種將轉(zhuǎn)輪除濕與機械制冷相結(jié)合的復合空調(diào)系統(tǒng)。并對復合空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)冷凍減濕、再熱的處理過程進行了能耗對比。由于將空調(diào)系統(tǒng)的濕負荷由熱量處理、并使用顯熱熱交換器回收排風的冷量，在同樣的新風比例和室內(nèi)余熱余濕量情況下，復合系統(tǒng)的需冷量比常規(guī)冷凍減濕系統(tǒng)低很多。而且，復合空調(diào)系統(tǒng)的需冷量隨新風比例的增大不如冷凍減濕系統(tǒng)敏感。過程空氣在除濕轉(zhuǎn)輪內(nèi)的焓增會影響復合空調(diào)系統(tǒng)的效能。當再生熱量來自于發(fā)動機的余熱時(既所謂發(fā)動機驅(qū)動的復合空調(diào)系統(tǒng))，熱力學上的合理性會直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟性。復合空調(diào)系統(tǒng)的能耗較常規(guī)系統(tǒng)大為減少。當然，這一系統(tǒng)的推廣還面臨控制系統(tǒng)的完善等技術細節(jié)問題。今天的除濕技術與1930年代的機械制冷有很多的相似點。一方面，除濕系統(tǒng)不會減少機械制冷的使用，就象機械制冷并未減少風機和風扇的使用；另一方面，就象機械制冷增加了風扇供冷系統(tǒng)的費用一樣，除濕系統(tǒng)也會增加機械制冷的成本；但是，除濕系統(tǒng)所帶來的利益也超過了機械制冷。除濕技術可望在未來有更大的發(fā)展和更廣泛的應用。隨著京都協(xié)議的實施，替代工質(zhì)的應用會導致制冷量的下降，而除濕技術會彌補這一下降。另外，隨著建筑節(jié)能技術的普及、熱負荷與濕負荷的比例會發(fā)生變化，濕負荷會相對增大，將熱、濕負荷分開處理的方法會更有經(jīng)濟競爭力。