一种全新风除湿空调系统
上海理工大学 李村男 王瑾 柳建华 安守超
摘要：介绍了一种全新风液体除湿空调系统，描述了系统原理及流程；对系统的性能进行数值模拟计算并建立了实验台进行实验验证；针对上海地区气候特点，对该空调系统的可行性做了分析，并指出了系统的优缺点及应用意义。
关键词：全新风空调 液体除湿 应用分析
1 前言
在北京奥运会和上海世博会带动的经济增长影响下，预计从2010年到2020年，我国公共建筑集中式空调的电制冷机组装机电力将由1.01亿kW上升到1.78亿kW，公共建筑集中空调系统总用电量在全国电力消费总量中的比重将由9.3%增加到10.1%。空调用电量大幅度增加，是造成南方电网、华东电网和华北南部电网等地区缺电的重要原因之一。在这样的背景下，能够利用太阳能作为空调能源的液体除湿空调近来日益受到了人们的关注。
液体除湿空调系统是指利用某些盐类水溶液对空气中的水蒸气有强烈的吸收作用的原理，达到使空气减湿的目的，减湿后继续经过其它空气处理方法，将空气处理到满足室内送风要求的状态。由于溶液再生温度低，为低品位热源尤其是太阳能的利用提供了有效途径。
2 系统描述
上海地区为夏热冬冷地区，日平均温度大于25度的天数在100d-200d之间。极端最高温度为38.9度。同时上海地区日照强度较大，时间较长（日总计太阳辐射照度7569w/m2）[1]。这使太阳能空调的应用有着必要性和可能性。我们针对一些需要使用全新风的场合，如易燃易爆车间、医院的手术室及传染病房、特殊的实验动物房等，设计了一套全新风除湿空调机组。除湿溶液采用LiCl溶液。空气处理流程见图1。
新风（W）通过除湿器干燥处理至1点，经表冷器降温（2）再经加湿器等焓加湿后（O）送入空调房间，承担室内热湿负荷；排风先通过一个直接蒸发冷却器（目的是制备较低温度的循环水冷却除湿后的新风）至3点，然后送入再生器再生溶液（4），排出的热湿空气（5）与再生空气（3）进行显热交换回收一部分热量。稳定运行时溶液进行一个闭合的循环（图3）：除湿（3—4）→加热（4—1）→再生（1—2）→冷却（2—3）。
上海市科委世博科技专项资助（No:05dz05827），国家科技部世博科技专项资助（No:2005BA908B27），
上海市教委发展基金项目资助（No:F50603）
该系统主要部件包括除湿器、再生器、溶液冷却器、溶液加热器、表冷器、湿膜加湿器、蒸发冷却器、显热交换器、送排风机及溶液泵等。所有部件可组合成为两个多段式空气处理箱。我们针对各个部件进行数学建模及程序编制，并对整个系统进行数值模拟计算。
所有部件中最为关键的是除湿器，其除湿性能直接影响送风温度。绝热型除湿器单位体积的换热面积(比表面积)大，能处理较大流量的湿空气，并且结构简单紧凑。它的缺点是除湿过程产生的热量被空气和溶液自身吸收而成为显热。而溶液温度升高后会使溶液表面的水蒸气分压也升高,导致传质平均压差减小,不利于除湿。其除湿效果基本受制于溶液的喷淋温度。我们对绝热型除湿塔进行了反复的实验。图4描述了在进口空气干球温度34℃，湿球温度28.2℃时，空气流量为1.887kg/m2·s(1.6m/s)，溶液流量为5.04 kg/m2·s时，在不同的溶液浓度下，出口空气含湿量随进口溶液温度的变化。内冷型除湿器比绝热型除湿器所需的除湿溶液流量小,除湿溶液进出口的浓度差大,蓄能能力强[2]。其缺点是比表面积小,结构复杂，制作困难。目前国内还没有成熟的制作工艺。我们综合两种除湿器的优缺点设计制作了分段冷却的绝热型除湿塔，即对溶液进行分段梯级冷却，制作简单且提高了除湿效果。
图4 空气出口含湿量变化 图5 不同再生温度下系统的热力系数
3 分析评价
对系统的评价主要从送风温度及COP值（制冷量/再生加热量）两个方面进行。制约空气送风温度的原因主要是除湿器溶液的喷淋温度。因此，溶液的冷却至关重要。在上海的气候条件下（干球温度34℃，湿球温度28.2℃），我们可采用不锈钢管闭式冷却塔将溶液冷却至31—32℃，使整个系统循环运行，从而获得18—19℃的送风温度。系统COP值与空气溶液的参数、流量比、再生热源的温度等密切相关。在上海的气候条件下再生温度为75℃时，系统COP值可达0.7（图5）。溴化锂吸收式制冷要求热源温度一般在85℃以上，在太阳能的利用率上液体除湿空调明显优于溴化锂吸收式制冷机组。
以3000m3/h风量的新风处理为例，制冷量32kw，总耗电量9.4kw，再生温度75℃，再生加热量45kw。由于LiCl溶液的再生温度较低，溶液加热过程则可以充分利用太阳能及各种废热。除湿空调系统主要设备见表1：
表1 主要设备清单
序号 名称 性能参数
1 除湿塔 D=800mm
2 再生塔 D=800mm
3 送风机 N=2.2kw,L=3000m3/h
4 排风机 N=2.2kw,L=3000m3/h
5 直接蒸发冷却器 N=0.75kw
6 间接蒸发溶液冷却器 N=2.2kw
7 非金属磁力驱动泵 N=1.5kw,G=15t/h,H=16m
8 显热交换器
9 湿膜加湿器 有效加湿量16kg/h
10 冷却水循环泵 N=0.3kw
11 溶液箱 1200*1000*1000mm
12 表冷器 两排管
13 再生加热器 加热量45kw
单效溴化锂吸收式制冷机组热源温度一般要求85℃以上，热源温度85℃时热力系数最多0.7[3]。因此液体除湿空调在开发利用低品位热源方面有较好的发展前景。该系统有以下优点：
(1) 可利用低温热源再生，为低品位热源尤其是太阳能的利用提供有效途径；
(2) 整个设备各个部件构造较简单，常压运行；
(3) 通过溶液的喷洒可以除去空气中的尘埃、细菌、霉菌及其他有害物；
(4) 特别适用于要求采用全新风空调的场所；
(5) 太阳能以化学能的形式方便蓄存，可实现连续运行。
(6) 无环境危害，避免对臭氧层的破坏和温室效应。
该系统也存在一些缺陷函待解决：
(1) 送风温差小，风量大，阻力大，风机耗能大；
(2) 开式系统溶液和环境直接接触，易污染，需定期更换；
(3) 溶液腐蚀性强，在系统设计时要注意结构及材质的选择。
4 结论
目前，上海地区正处于经济高速发展阶段，环境问题和能源问题日益得到重视。本项目是上海科委世博会专项基金项目。利用低品位热源的液体除湿全新风空调系统如能在上海得到应用，将在改善环境及节省电力能源方面起到积极作用，具有广阔的前景。
参考文献：
[1] 路延魁.空气调节设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1995
[2] W. Kessling, E. Laevemann and C. Kapfhammer. Energy storage for desiccant cooling systems component development. Solar Energy , 1998 ,64: 209-221
[3] G. Grossman. Solar-powered systems for cooling, dehumidification and air conditioning. Solar Energy, 2002, 72: 53-62
