一个可利用低品位热能的双级除湿冷却式空调系统.pdf

0 鲡 叉 X 圾 r 一 个 可 利用低 品位热能 的 双级除湿冷却式空调系统： 张欢 ( 天 津太 学 建筑 工程 学院 建筑设 备工 程 系天津3 0 0 0 7 2 l 牛建 磊 _ ，一 ( 香港 理 工太 学屋宇 设备 工程 学 系 ) - r o ， 3 摘 要 ： 本文 建立 了一个 可利 用低 品位热 能 的取 圾除 湿冷 却式 空 谓 系统 及其 数 学模 型 ， 并 用该 模 型模 拟香 港 一办 公楼作 为新 风 系统 的 除湿 冷 却式 空谓 系统 。计 算机模 拟 结 果显 示 ： 取级 系 统所 需 的再 生温 度 仅 为 5 9 0 C， 较 单 级 系统 低 2 4 2 c ， 这 使 得低 品位 热 能 的 利 用 成为 可 能 ； 取 级 除湿 冷 却 式 空 调 系统 可 提 供 湿 度足 够 低 的 送 风 ， 以承 担 全部 湿 负 荷 ， 故该系统可以很好地与冷幅射天花板系统配合使用 ， 从而实现显热与潜热的分别处 理 ， 提 高温 湿 度 的控 制 精 度 ； 而 且 由 于机 械制 玲 仅 仅 被 用于 消除显 热 ， 所 以可 以提 高 制 冷 系统 的蒸 发温 度从 而提 高制 冷 系统 的性 能系 数 。 A Two S t a ge De s i c c a nt Co ol i ng Sy s t e m Us i ng Lo w Te m p er at ur e He a t Ab s t r a c t ： I n t h i s p r e s e n t a t i o n ， a t wo s t a g e d e s i c c a n t c o o h n g s y s t e m u s i n g l o w t e mp e r a t u r e h e a t i s d e s c r i b e d a n d t he c o m p u t e r mo d e l i s bu i l t Th e d e s i c c a n t c o o l i n g s y s t e m u s e d i n a n o ffi c e b u i l d i n g i n Ho n Ko n g a s a v e n t i l a t i o n s y s t e m i s c o mp u t e r s i mu l a t e d Th e c o m p u t e r c a l c u l a t i o n s s h o w t h a t l o we r r e g e n e r a t i o n t e mp e r a t u r e w i l l b e r e q u i r e d a s c o m p a r e d wi t h a s i n g l e s t a g e d e s i c c a n t c o o l i n g s y s t e m ， wh i c h m a k e s l o w t e mp e r a t u r e h e a t u t i l i z a t i o n p o s s i b l e h i s a l s o d e mo n s t r a t e d t ha t a t wo s t a g e d e s i c c a n t c o o l i n g s y s t e rn c a n p r o v i d e a d e q u a t e m o i s t u r e c o nt r o l f o r h o t a n d hu m i d c l i ma t e s ， s o t h e s y s t e m c a n ma t c h a c o ol e d c e i l i n g s y s t e m we l 1 Th e r e f o r e， Hu mi d i t y a n d t e mp e r a t u r e o f i n d o o r a i r c a n b e c o n t r o l l e d s e p a r a t e l y I n a d d i t i o n， o n l y s e n s i b l e c o ol in g i s p e r f o r m e d b y me c h a n i c a l r e f r i g e r a t i n g s y s t e m t s o t h e h i g h e r e v a p o r a t i n g t e m p e r a t u r e i s r e q u i r e d a n d C Oil s e q u e n t l y t h e c o e f f i c i e n t o f p e r f o r m a n c e ， COP t o f m e c h a nic a l r e f r i g e r a t i n g s y s t e m wi l l b e hi g h e r 本研究项 目为香港理工大学资助的项 目N o 3 5 1 6 0 2 3 O 制冷 学报3 1 9 9 8 维普资讯 1 问题的提 出 2 双级除湿冷却式空调系统的流程 除湿冷 却 式空 调通 常 由除湿 剂 吸湿 、 除湿剂 再 生 ， 蒸发 冷 却及 热交 换等过 程 组 成 ， 这里被 处理 空气 的潜热 处 理靠 除湿剂 吸湿来完成 ， 显热处理靠蒸发冷 却来完成 。 这是 一种利 用各 种热能 进行 除 湿的方 法 ， 而且 昂贵 的蒸汽压缩制冷被廉价 的蒸 发冷 却 制 冷 代 替 丁。这 种 方 法 以 其 节 电、 无 CF C越来越受关注 。 图 1是 除湿 冷却式空调系统 的工作 原 理 图。 有两 股气流通过该系统 ， 状态 3的被 处理 空气是 空调送风 ， 状 态 8的再 生空 气 被排 到环境 中 ， 它带 走 丁被 处理 空气的 负 荷及输入 系统 的热 能 。除湿玲却式空调 系 统有许 多种形式 ， 本文将 要讨论的系统 ( 图 1示 ) 只是其中一种 图 2是该 系统 中空气 除 转轮 I l 7 空 气 加 热 器 I I 6 热交换转轮 l I 5 l 燕 发 冷 却 器 图 1 单级除湿冷却式系统工作原理圉 的状 态变 化过程在 i d图上的表示 。 然而 ， 除湿 冷 却式空 调 系统 中除湿 转 轮 的再生 温度通 常在 9 O C以上 ， 这就 使得 低品位热能的利用受到 限制 。 因此 ， 如何 降 低 再生温度以利用低 品位热 能是 一个值得 探讨 的问题 。有人研究 吸湿 材料 对再生温 度 的影 响n ， 本文 则 从另 一个 角 度探 讨降 低再生温度的方法建 立一个可利用 低 品位 热能的双级 除湿冷却 式空调系统 。 假设被处理空气无 限多次交 替经过 除 湿转 轮除 湿和 显热交换转 轮 冷却 ， 则 被处 理 空气 的状 态变 化 过 程近 似 等 温 减湿 过 程 ， 在其它条件相 同的情况下 ， 这种无限多 级 除湿冷却式 空调 系统的再生温度是最低 的 ， 图 3是该 系统被 处理 空气 的状态 变化 过程在 i d图上的表示。图 4是双级除湿 冷却式空调 系统 的工作原理图 图 5是该 系统 中空气 的状 态变化 过 程在 i d图上 的表示 。 每级除湿转轮 的再 生温度相等 时 ， 这个再 生温度最低 。 】、 是 、 3 数学模型 3 1除 湿 转轮 “ ” 设被 处理 空气进入和离开 除湿转轮 的 状 态 点分 别 为“ 5 e ” 和 s l ， 再 生 空气 进入 和 离 开 除湿 转 轮 的 状 态点 分 别 为 r e ” 和 “ r 1 ” 。 除湿转轮的效率被定义为 一 “ ) 和 仉 ： 垮 ( 2 ) 2 c e 2 这 里 f 1 = 一 2 8 6 5 T， +4 3 4 4 w】 蛐 ( 3 ) T1 4 9 一 1 - 1 2 7 wj 。 ” ( 4 ) T ；空气在“ j ” 点 的温度 ( K) 3 1 9 9 8制冷 学报 3 1 维普资讯 l 0 2 0 3 0 4 O 5 O 6 O 7 0 8 O 9 O 干球温 度 ( C】 图 3 理想 多 级除 湿冷 却式 系统 被 处理 空 气鼍 I 态变 化过程 4 0一 Wj 空气在 i 点的含湿量 ( k g k g ) 3 2显 热交 换 转 轮 3 0 设冷 流体进入 和离开显热交换转 轮的 2 0 状态 分 别 为“ c e ” 和 c l， 热 流 体进 入和 离开显热交换转轮 的状态 点分别 为“ h e ” 和 1 U h l 钟 显热交换转轮 的效率 被定义为冷热 流 体间实际 的换 热量与可能的最大换热量之 比 ， 即 一 等 被处 理空气 生空 第一级 湿转轮 1 3 t 1 2 I l l 4 f 第 一 级 热 交 换 I轮 l l 一级空气热 1 2 l J 3 I I 1 0 第 一 级蒸发 冷 却器 筇二 级 赊湿 转 轮 I I t J I 9 室外空气 4 l第二缎空气j J Il 热 I l 8 j 级 交 弛 轮 I I 7 5 l 第二级蒸发 穹却 图 4双 级除 湿冷 却 式 系统工 作 原理 图 方程 ( 5 ) C是 c 和 C 中数 值较 小 热流体的热容 C 为 的一个 。 c h =m C p ( 6 ) 通 常 m 与 m 相 等 如 果忽略 冷 、 热 这 里mh =热 流体 的质 量 流量 ( k g 流体 比热的差异 ， 则 由方程 ( 5 ) 可得 = 执 浦 佑 的 执 1 t w = t 二 - - t h l ( 8 ) C p h =热流体的 比热 ( k 1 k g C) e I 冷流体的热容 c 为 这 里 一流体在 J 点的温度 ( C) C 一m ( 7 ) 对 于显热 冷却 和加热过 程 ， 含 湿量 W 这 里me ：冷 流 体 的 质量 流量 ( k g 为常数 s ) W k W h I ( 9 ) c 一冷流体的 比热 ( k J k g ) W 一w ( 1 O ) 3 2 l 冷学 报3 1 9 9 8 维普资讯 。- 30量 20 10 器 l 0 2 0 3 0 4 0 50 60 7 0 8 0 9 0 干 球温度 ( C) 图 5 双 级除 湿冷 却 式 系统 空气 状态 变化 过程 3 3蒸 发冷 却 器 设 空气进入和离开 蒸发冷却器的状 态 点分 别为“ e 和“ l ” 。 蒸发冷却器的效率被 定义为 一 t e - t I ( 1 1 ) 这 里t i 一空气在“ 电的温度 ( C) t 一 进 口 空 气 的 湿 球 温 度 ( C ) 蒸发冷 却过 程 中 焓 h近似常 数 h 一 h l ( 1 2 ) 4 案 例 以香港一办公 楼空调系统为例 玲 幅 射 天花 板 系统 被 采用 ， 除湿 冷 却式 系统与 之配合提供 新风 。由于冷 幅射天花板不能 除 湿 ， 故全 部湿 负荷 由除湿 冷却 式 系统承 担 。 香 港 夏 季 室 外 空 调 计 算 干 球 温 度 3 3 2 c， 夏 季 室 外 空 调 计 算 湿 球 温 度 2 6 1 “ 。室 内设计 温度 2 4C， 相对 湿度 6 0 ， 新风量 0 O 0 8 m。 s p e r s o n 。办公 室 的湿 负荷 只 有人体 散湿 每个 人散发 的 潜热 为 5 5 W 则 散 发 的湿量 为 2 2 x 1 0 kg S“ 设室 内、 外 空气的状 态点分别 为“ i ” 和 0 送风状态点为 S。 室 内空气 的含湿量 为 w 一 0 0 1 1 2 k g kg 室外空气含湿量 为 w。 = =o o l 8 4 k g k g。 维 持 0 0 1 1 2 k g k g的 室 内含 湿 量 所 要求 的送风 含湿量为 o 0 000 22 一 t 丽 = 。 011 2 = =0 。 08 9 ( k g k g) 设 除湿转轮 的效 率 、 分别 为 0 0 7 和 0 7 0 ； 热交 换 转轮 的效 率 为 0 8 0 ； 蒸 发 冷却器的效率为 o 8 0 。 再 生空气为室 内回 风 ， 被 处理 空气为室外新风 。 每股气流 的质 量流量相等 。 由方程 ( 1 ) 至 ( 1 2 ) 可计 算 出双级 除湿 冷却式空调系统各状态点 的状 态参数 。计 算结 果 见表 1 。 表 1 双级 除湿 冷却式 空 调 系统运 行 参数 温 度 古 湿量 焓 状 志点 ( C ) ( k g ， k g) ( k J k g ) 被处理 空气 1 室外 O O l S 4 8 0 3 2第一 级 除湿转 轮后 4 7 5 O 0 1 3 4 8 2 2 3 第一级热交换转轮后 3 1 5 0 O 1 3 4 6 5 8 4第二 级障 湿转 轮后 4 5 2 0 0 0 8 9 6 8 1 5送风 2 8 0 0 0 8 9 4 7 4 再 生空气 6室 内 2 4 0 0 0 l 1 2 5 2 5 7第二 缎蒸发 冷却 器后 1 9 7 0 0 1 2 9 5 2 5 8第二级 热交换 转 轮后 4 0 1 0 0 1 2 9 7 3 3 9第二级 空气 加热 器后 5 9 0 O O 1 2 9 9 2 6 1 0第二 级 除湿转 轮后 4 5 3 0 0 1 7 j 9 0 3 1 1室外 3 3 2 O O 1 8 4 8 0 3 1 2第一 级燕 发砖 却器 后 2 7 ； 0 0 2 0 7 8 0 3 1 3第一 级热交 换转 轮后 5 0 0 2 0 7 9 6 9 1 4第一 级空气 加热 器后 0 0 1 7 5 1 0 4 e 1 5第一 级障湿 转轮 后 0 0 2 2 4 1 0 2 8 a 1 9 9 8 制 冷学 报 维普资讯 双 级除湿冷却式空调系 统的制冷能力 热 为 为 q d = hl - h： = 80 3 47 4 3 2 9 ( k J kg ) 输入 双级 除湿 冷却式空调 系统 的再 生 热 为 q 一 hl 4 h1 。 + = l 0 46 9 0 3 9 2 6 73 3 3 3 6( k J k g) 这里h 一气 流 在 “ j ” 点 的 焓值 ( k J k g) 双级 除湿冷却 式空调系统的性能系数 C OP为 CO P- = _ ( ) _ 对单 级除湿冷 却式 空调 系统所作的类 似计算 的计算结果 见表 2 。 表 2 单级除湿冷却式空谓系统运行参数 温度 含湿 量 焓 状 态点 ( C) ( k g k g ) ( k J k g ) 被 处理 空气 L 1 室 外 3 3 2 0 0 1 8 4 8 0 3 2除湿 转轮 后 6 1 6 0 0 0 8 9 8 4 8 3送风 2 8 1 0 0 0 8 9 j O 8 再 生 空气 4室 内 2 4 0 0 0 1 1 2 5 2 5 r 5蒸发 冷却 器后 1 9 7 0 0 1 2 9 5 2 5 6 热 交 换转 轮后 5 3 2 0 0 1 2 9 8 6 8 7空气 加热 器后 8 3 2 0 O 1 2 9 1 1 7 4 8除湿 转轮后 5 4 6 0 0 2 2 4 1 1 3 0 单级 除湿冷却式空调 系统 的制 冷能力 为 q 一 h L h3 8 03 5O ，8= 2 9 5 ( k J k g) 输入单级除湿冷 却式 空调 系统的再生 3 4 制冷学 报3 1 9 9 8 q 一 h 一 h = 11 7 4 86 83 0 6 ( k J k g) 这里h一 气 流在 “ j ， ， 点 的 焓 值 ( k J k g) 单级 除湿冷 却式空调系统的性能 系数 COP为 COP = 96 4 5 结 论 5 1 双级 除湿 冷 却式 空调 系统 的性 能 系数为 0 9 7 9 ， 较单 级 高 0 0 1 5 ， 而所 需 的再 生温 度 为 5 9 0 C， 较 单级 低 2 4 2C。 较 低的再生温度使 低品位热能的利用成为 可 能 。 5 2双 级除湿冷 却式 空调系 统 的送 风 温 度 为 2 4 8C， 较 室 内 空 气 温 度 高 0 8 C； 送 风焓 值 为 4 7 4 k J k g ， 较 室 内空 气 低 5 1 k J k g 可 见又级 系统 可承 担部分 热负荷 。 5 3双 级 除湿 冷却式 空 调系统 可提 供湿度足够 低的送 风 ， 以承担 全部湿负荷 ， 因此 可与 冷幅射 天花板 系统 很好 地 匹配 ， 从而 实现 显热与 潜热 的分别 除理 ， 提 高温 湿度的控制精度 。而且 由于机械制冷仅仅 被用 于消 除显热 ， 所 以可适 当提 高制 冷 系 统的 蒸发 温度 ， 从而提 高制 冷 系统的性 能 系 数 参 考文 献 R K co i l i e r B M Co he n a n d R B Sl o s b e r g De s i c c a n t pr o p e r t i e s a n d t he i r e f f e c t s o n t he pe r f or m a n c e o l d e s i c c a n t c o ol i n g s y s t e ms P r o c e e din gs o f t h e 1 9 8 9 I n t e r n a t i o n a l Ga s Re s e a r c h Co n f e r e n c e B a nk s， P J e t a l Co u pl e d h e a t a n d m t r a n s l e r i n I l u i d flo w t hr ou gh p o r o u s me d i a a n a l o g y wi t h h e a t t r a n s f e r Pr o c e e d i n g 4 t h l nt He a t Tr a ns Co nf V1 1 CT3 1， E1 s e v i e r Am s t e r d a m( 1 9 7 0) 维普资讯 2 3 Ma c l a i n e C r o s s ， I L a n d P J B a n k s C o u pi e d h e a t a n d ma s s t r a n s f e r i n r e ge n e r a t o r spr ed i c t i on us i ng an a na l ogy w i t hhe at t r a n s f e r l n t J He a t Ma s s Tr a n s ， P e r g a mo B ， 1 5 ， l 2 2 5 1 2 41 ( 1 9 7 2) 4 ：2 6 3 I ， 1 9 9 7 ， AS HRAE Ha n d b o o k ， F u n d a me