溶液除湿空调系统在工业厂房
应用的能耗分析
哈尔滨工业大学 唐艺丹☆
清华大学 刘晓华
摘要 通过对深圳某工业厂房分别选用常规冷凝除湿空调系统和溶液除湿空调系统进行系统设计和理论计算分析,比较了两类空调系统的能耗及COP。在夏季室外设计工况下,常规冷凝除湿空调系统的COP为2.94,溶液除湿空调系统的COP为5.42。室外空气含湿量越小,对提高溶液除湿系统的性能越有利。溶液除湿空调系统在节能方面具有较大的优势。
关键词 溶液除湿 热泵 工业厂房 空调
Energy consumption analysis of liquid desiccant air conditioning system for industrial buildings
B yTa n gYi d a n★a n d L i u Xi a o h u a
Abstract Based on the sy stem design and theor etic al an alysis of conventional air conditioning system and liquid desiccant air conditioning syste m for an industr ial building in Shenzhen,compar es the energy consumption and the COP of the two kinds of syste ms.The results indicate that in the outdoor design condition in sum mer,the COP of the conventional air conditioning system is2.94,while th at of the liquid desiccant air conditioning syste m is5.42,and that the lower the humidity r atio of outdoor air is,the bet te r the perf or mance of liquid desiccant air conditioning system is,ver if ying the adva ntage of liquid desiccant air conditioning syste ms in e ne rgy sa ving.
Keyword s liquid desiccan t,heat pump,industr ial building,air conditioning
★Harbin In stitute o f Te chno logy,Harbin,Ch ina
0 引言
在工业厂房中,为了满足生产工艺的要求,采用的空调系统除了需要控制室内空气的温度外,还需要保证一定的湿度,同时有些工业厂房中对洁净度也有一定的要求。目前常规的空调系统大多采用表冷器冷凝除湿的方法,以达到既降温又除湿的要求。但是这种系统存在机器露点温度过低,有时候还需要再热的不利因素。特别是在有洁净度要求的工业厂房中,由于送风量较大,需要的再热量也较大。溶液除湿是利用盐溶液的吸湿性能,实现水分在空气和溶液间的转移,由于溶液的流动性,可以很容易在除湿过程中实现空气冷却,因而空气可以被直接处理到要求的送风参数点,相对于冷凝除湿来说,无需将空气冷却到露点温度,避免了机组中冷热抵消的现象,可以显著提高能源利用效率,因此,溶液除湿空调系统得到了较为广泛的关注和发展。
1 工程概况
深圳市一工业厂房主要进行丝网印刷、筛分冲洗和成像等技术的操作,包括主厂房和办公楼,其中主厂房占地面积约为1300m2,吊顶高3m,由于生产需要,除了全年对室内温湿度有较高的要求外,还需要保证一定级别的洁净度。厂房内生产区
①
☆唐艺丹,女,1985年1月生,硕士研究生
100084 清华大学建筑节能研究中心
(0)150********
E-mail:tyd03@https://www.doczj.com/doc/961741170.html,
收稿日期:2009-01-19
修回日期:2009-03-04
全年设计参数为:温度23±2℃,相对湿度45%±5%,洁净度N7级。
2 空调系统分析
2.1 负荷计算
1)深圳地区夏季室外设计参数
干球温度33.5℃,湿球温度27.7℃,相对湿度64.8%,大气压力100.45kPa。
2)室内负荷
主厂房处于内区,围护结构冷负荷的影响可以忽略不计,室内负荷主要来源于设备的发热、照明
和操作人员散热等。工业厂房的室内负荷特点如下:厂房内的生产设备发热量大,消耗冷量大,同时为补充工艺排风及维持洁净室正压而造成新风量大、处理新风多、需冷量大。冬季设备发热量大,室内仍需供冷,冷负荷与夏季基本相同。工业厂房室内没有开敞的水面,操作人员少,因此散湿量较少,可忽略不计。综上所述,室内各项负荷分别为:照明负荷30kW,人员负荷10kW,设备负荷280kW,室内总冷负荷320kW。
3)风量确定
我国《洁净厂房设计规范》中对于空气的洁净度等级、温湿度、正压值、新风量等指标都作了具体的规定。
①洁净度:洁净度要求为N7级的工业厂房,通风量应按换气次数不小于25h-1设计;
②温湿度:首先要满足生产工艺要求,生产工艺对温湿度无要求时,洁净室的温度为20～26℃,相对湿度小于70%,人员净化用房和生活间温度为16～28℃;
③新风量:由于厂房内的工作人员很少,因此新风量要求应为室内排风量和保持室内正压所需新风量之和;
④正压值:当围护结构密封性较好时,保持洁净室内5Pa正压所需风量为1～2h-1换气次数,保持10Pa正压所需风量为2～3h-1换气次数。
根据以上要求,计算得出工业厂房新风量、送风量的设计参数和冷负荷分别为:通风换气次数30h-1,净化风量117000m3/h,室内排风量6400m3/h,保持室内正压所需风量7800m3/h,新风量14200m3/h,送风量120000m3/h,新风显热负荷50kW、潜热负荷159kW,空调系统总冷负
荷529kW。2.2 空调系统形式
1)系统1:常规冷凝除湿系统
图1为常规冷凝除湿系统中采用的组合式空调箱结构,空调箱中包括混合段、过滤段、表冷段、喷淋段、加热加湿段、送风段。夏季,室内回风和新风混合后经过滤段过滤,经表冷段降温除湿,最后经加热加湿段加热到送风状态点送入室内,带走室内负荷。冬季,室内回风和新风混合后经过滤段过滤,经表冷段冷却,再进入加热加湿段处理到送风状态点送入室内。
图1 冷凝除湿空调箱结构
空气处理过程的焓湿图如图2所示,其中W 为室外新风状态点,N为室内回风状态点,C为新风和回风混合后的状态点,L为经表冷器(冷水供回水温度7℃/12℃)冷凝除湿后的状态点(由N 点的含湿量d N与90%的相对湿度线可以确定),O 为送风状态点。
图2 表冷器冷凝除湿系统空气处理过程
2)系统2:带有全热回收模块的冷凝除湿系统
在常规的冷凝除湿系统中加入全热回收模块,对新风和排风进行热回收以提高系统的能量利用效率。设对新风的全热回收效率为50%,经过热回收后的新风再与室内回风混合,通过表冷段和加热加湿段处理至送风状态点送入室内。系统2的空调箱结构如图3所示,空气处理过程如图4所
示。和系统1的区别在于,新风W 经过热回收后被处理到W ′点,与室内回风混合至C ′点,再处理
到机器露点L ,之后和系统1处理过程相同
。
3)系统3:溶液除湿系统
溶液除湿新风机处理新风的显热和潜热负荷,室内回风只需处理显热负荷,此时冷水温度可以提高至12℃左右,采用高温冷水机组即可满足要求,从而大幅度提高了冷水机组的性能系数COP 。
溶液除湿新风机和空调箱的结构如图5所示,热泵式溶液除湿新风机对新风进行降温除湿处理(冬季进行加热加湿处理)。处理后的新风和室内回风混合,经过滤段和表冷段处理后送入室内
。
图5 热泵式溶液除湿新风机和空调箱的结构
溶液除湿新风机的夏季运行原理如图6所示
。
图6 热泵式溶液除湿新风机夏季运行原理图
热泵驱动的双级溶液除湿新风机主要包括热泵制冷系统、溶液全热回收单元、双级除湿模块和双级再生模块,除湿和再生过程使用标准的溶液与空气直接接触式全热交换单元模块[1]。新风机一方面利用热泵的蒸发器对除湿浓溶液进行冷却,以增强溶液除湿能力并吸收除湿过程中释放的潜热;另一方面利用热泵的冷凝器对再生稀溶液进行加热,再与全热回收后的排风进行全热交换,溶液即被浓缩再生。新风机冬季运行的原理与夏季类似,不同之处在于通过四通阀切换使制冷剂流向改变,因而3,4作为蒸发器冷却D ,C 中的溶液对回风除湿,5,6作为冷凝器加热G ,H 中的溶液对新风进行加热加湿。
系统3的空气处理过程如图7所示。室外新
风W 通过热泵式溶液除湿新风机降温除湿处理至状态点S ,此时空气温度为20℃,含湿量为7.86g /kg ,C 点为室外新风经过热泵式溶液除湿
新风机内部的全热回收模块后的状态点。经过新风机处理后的空气与室内回风混合至H 点(温度为22.6℃,含湿量为7.86g /kg ),然后由高温冷水机组产生的高温冷水冷却至送风状态点O 送入室内,带走厂房内的显热负荷
。
图7 溶液除湿系统空气处理过程
2.3 系统性能计算
取夏季3种典型室外工况计算比较3种系统的COP ,以较全面地反映各系统在整个制冷季的
性能。3种典型工况分别为:高温高湿工况(深圳地区夏季室外设计工况)、高温低湿工况、低温低湿工况,室外新风参数如表1所示。
表1 深圳地区夏季室外典型工况计算参数
室外空气温度/℃室外空气含湿量/(g/kg)工况1:高温高湿33.521.3
工况2:高温低湿33.514.0
工况3:低温高湿28.020.0
1)系统1:常规冷凝除湿系统
根据室内负荷、新回风参数及风量计算出送风温度,进而可计算出冷水机组的制冷量和所需的再热量。根据一般经验,蒸发温度较冷水出口温度低5℃,冷凝温度较冷却水出口温度高5℃,而冷却水的出口温度一般较室外空气湿球温度高5℃,由此计算出理想卡诺循环的COP,再折算成冷水机组实际的COP,计算中假定换热器换热效率为60%。再热所需热量是由燃气锅炉提供的,综合考虑燃气锅炉供热和燃气发电的效率,此处将蒸汽提供的1份再热量折合为0.5份的耗电量,从而得到常规系统的COP(冷量/(压缩机能耗+再热能耗))。如果全部用电提供再热量的话,常规系统的COP还会降低。能耗计算结果如表2所示(采用蒸汽再热)。
表2 常规冷凝除湿系统能耗
冷水机组冷量/kW压缩机能耗/k W再热量/kW冷水机组COP系统COP 工况1:高温高湿660.0132.662.25.002.94
工况2:高温低湿572.0101.062.25.672.96
工况3:低温高湿617.6116.162.25.322.97
2)系统2:带有全热回收模块的冷凝除湿系统
新风经过全热回收模块后,温度和含湿量都得以降低,回收一部分排风中的冷量,再与室内回风混合,可减少冷水机组的供冷量,从而减少压缩机能耗,提高系统性能。带有全热回收模块的冷凝除湿系统能耗计算结果如表3所示。
表3 带有全热回收模块的冷凝除湿系统能耗
冷水机组冷量/kW压缩机能耗/k W再热量/kW冷水机组COP系统COP 工况1:高温高湿553.6110.562.25.023.32
工况2:高温低湿509.689.162.25.723.35
工况3:低温高湿532.599.662.25.343.42
3)系统3:溶液除湿系统
根据文献[2-3]建立热泵式溶液除湿新风机模型,通过模拟得到该计算条件下新风机中制冷系统的COP、压缩机能耗、新风机COP(新风冷量/(新风机内压缩机能耗+新风机内溶液循环泵能耗))。
高温冷水机组部分与常规系统的计算方法相同,得出溶液除湿系统的COP(系统得到的冷量/ (新风机内压缩机能耗+新风机内溶液循环泵能耗+高温冷水机组压缩机能耗)),计算结果见表4。
2.4 小结
表4 溶液除湿系统能耗
冷水机组冷量/kW 新风冷量
/kW
新风机内压缩机
能耗/kW
冷水机组压缩
机能耗/kW
再热量/kW冷水机组COP新风机COP系统COP
工况1:高温高湿320.0228.139.955.305.795.005.42工况2:高温低湿320.0134.811.747.406.767.616.23工况3:低温高湿320.0185.226.251.706.195.756.35
由表2～4可以看出,高温高湿工况下,常规冷凝除湿系统的COP为2.94;对新风进行全热回收后,系统的COP为3.32,性能有所提高;而溶液除湿系统的COP是常规冷凝除湿系统的1.8倍,可见系统性能得到了明显改善。溶液除湿系统之所以较常规冷凝除湿系统有很大优势,主要原因有2个:1)避免了冷热抵消的能耗,减少了再热量;2)高温冷水机组较常规冷水机组有更高的COP,从而减少了压缩机能耗。
当室外空气温度降低,含湿量减小时,常规冷凝除湿系统的COP基本没有变化,这是因为室内负荷主要为设备负荷,且处于内区,不受室外参数变化的影响,只是在室外部分负荷时冷却塔性能有所提高,冷水机组的COP稍有提高;而在溶液除湿系统中,高温冷水机组受室外参数的影响与常规系统的冷水机组相差不大,系统性能的提高主要是由于溶液除湿新风机在部分负荷下的优势。
3 结论
通过以上计算可见,在有洁净度要求且室内发热量较大的工业厂房中,使用常规的表冷器冷凝除
湿系统与采用溶液除湿系统相比,主要有以下3个方面不利因素:1)需要较大的再热量,通过计算可以看出,送风的再热量(62.2kW)占系统总能耗(194.8kW)的31.9%。2)降温和除湿同时处理造成了能量品位上的浪费,为了实现除湿的目的,冷水的温度要降到7℃,使得冷水机组的蒸发温度较低,进而造成冷水机组的COP较高温冷水机组低。3)表冷器在湿工况下运行,易产生霉菌带入室内,影响室内空气质量。
而溶液除湿系统较常规冷凝除湿系统具有较大的优势,主要表现在以下4个方面:1)对新风的处理过程无需再热,节省能源。2)降温和除湿分开处理,湿负荷由溶液除湿新风机处理,空气的显热负荷则由高温冷水处理,提高了冷水的温度,进而提高了冷水机组的COP。本实例中计算的送风温度为15.1℃,因此一定程度上制约了高温冷水机组的冷水温度,若提高室内设定温度或增大送风量以减小送风温差,则高温冷水机组的优越性将会更加显著。3)在供冷季中室外温度越低,含湿量越小,对提高溶液除湿新风机的性能越有利,进而可提高系统的整体性能,较常规冷凝除湿系统有更大优势。
4)采用溶液除湿系统处理空气,不存在凝结水,消除了霉菌的滋生条件,同时盐溶液具有消灭多种病菌和病毒的作用,可以改善空气质量。
通过上述比较可以看出,对于本文研究的室内发热量大、洁净度要求高的工业厂房,基于溶液除湿的空调系统在能耗、室内空气质量等方面较常规空调系统具备明显的优势,适宜在这类厂房中应用。
参考文献:
[1] 江亿,李震,陈晓阳,等.溶液式空调及应用[J].暖通
空调,2004,34(11):88-97
[2] 刘拴强,刘晓华,江亿.溶液除湿空调系统模拟方法
及应用[J].中国勘察设计,2006(5):49-52
[3] 刘晓华,江亿,曲凯阳.叉流溶液除湿装置全热交换
过程的解析解[J].太阳能学报,2006,27(8): 774-781
[4] 刘拴强,江亿,刘晓华,等.热泵驱动的双级溶液调湿
新风机组原理及性能应用[J].暖通空调,2008,38
(1):54-63
[5] 那恺.某洁净室净化空调工程设计[J].暖通空调,
2008,38(5):90-92
[6] 秦卓欢.某微电子厂房洁净室暖通空调设计原理及
方法探讨[J].制冷技术,2006(1):32-38
[7] 王福国.医药洁净厂房的回风利用问题[J].洁净与
空调技术,2005(1):13-15