夏热冬冷地区除湿方式探讨_孙克春.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 文章编号100228528(2008)0820081204 夏热冬冷地区除湿方式探讨 孙克春 1 ,2 ,龙恩深 1 ,陈进军 1 ,张建波 1 (1 1 重庆大学 城市建设与环境工程学院,重庆400045;21 洛阳理工学院,河南 洛阳471023) 摘 要本文分析了夏热冬冷地区的气候特征和夏季新风负荷的特点,通过对该地区各主要城市新风负荷进行解耦计 算,得出了新风负荷中潜热负荷很大、 新风处理中用于除湿的能耗远远高于用于降温的能耗的结论,认为对新风进行独立除 湿适合于该地区新风湿负荷的处理。 关键词夏热冬冷地区;潮湿气候;新风负荷;空气除湿 中图分类号 TU83419; TU83112 文献标识码 A Study on Dehumidification Methods in Hot Summer and Cold Winter Area SUN Ke2chun 1 ,2 ,LONG En2shen 1 ,CHEN Jin2jun 1 ,ZHANG Jian2bo 1 (1. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University,Chongqing400045 ,China; 2.Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang471023 ,Henan,China) Abstract In this paper ,climatic features in hot summer and cold winter area and the characteristics of fresh air cooling load in summer werefirstly analyzed. Secondly ,with the decoupling method ,the fresh air cooling loads of major cities in such area were calculated ,it was concluded that the latent heat accountedfor a large part of the total one ,and the energy consumptionfor the dehumidification process was much more than the cooling process. Therefore ,it was considered that the independent dehumidification could be a suitable method to dehumidify the fresh air in hot summer and cold winter area. Keywords hot summer and cold winter area ,humid climate ,fresh air cooling load ,dehumidification 收稿日期 2008203203 修回日期 2008203219 基金项目国家科技支撑项目子课题:充分利用自然能的新风除湿 通风装置研究(2006BAJ01A022042 04) 作者简介孙克春(19782 ) , 男,在读硕士研究生,讲师 联系方式 lyctskc2006 1 引 言 长江流域夏季气候特点以高温高湿为主,属于 夏热冬冷地区。该地区夏季建筑热环境质量较差, 空调使用量居全国前列,空调能耗也高于全国其它 地区。由于室内环境中存在着污染物发生源,因此 暖通空调系统中补充新鲜空气是必要的,而新风量 标准对室内空气质量控制产生直接影响,同时新风 负荷的高低对建筑热环境质量和建筑节能有着重要 影响。另一方面,新风负荷作为空调负荷的组成部 分,在其中占有较大比例,从大量的工程实例可以知 道,空调系统为处理新风所需能耗大致占到总能耗 的20 %40 %。夏热冬冷地区夏季室外空气温度 高、 湿度大,空调系统用于新风除湿的能耗将会增 加,因此对该地区夏季新风负荷进行详细分析,掌握 其特点、 构成及变化规律,对于合理制定该地区新风 处理方案及减少新风处理能耗具有重要意义。 2 夏热冬冷地区的气候特征及影响 因大气环流、 日照强度及地理位置的影响,夏热 冬冷地区的气候呈现夏季闷热、 冬季阴冷的特点。 1) 夏季气温高,高于35 的天数有1530天,最高 气温可达42 以上;湿度大,该地区各主要城市年 平均相对湿度分布如图1所示,年平均相对湿度在 80 %左右,有时高达95 %100 % ,所以常给人以闷 热的感觉。 2) 冬季气温低,温度低于5 的时间可 达2215个月,最低温度可至- 18,日照率低 (重庆、 成都、 长沙、 武汉和上海分别为13 %、21 %、 27 %、39 %和43 %) ,阴雨天气多,所以给人以湿冷的 感觉。全年湿度大、 除湿期长是该地区气候的一个 显著特征,按月平均相对湿度70 %为简便性判别指 标,该地区属于典型的潮湿气候地区 123 。 第24卷第8期 2008年8月 建 筑 科 学 BUILDING SCIENCE Vol124 ,No18 Aug.2008 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图1 夏热冬冷地区各主要城市年平均相对湿度分布图 人的热感觉与人体散热密切相关,从人体散热 来分析潮湿问题对夏热冬冷地区室内热环境的影 响,发现高湿明显影响人体热舒适感。在夏季,随着 温度的上升,蒸发散热的比例迅速增加,此时人体主 要依靠皮肤出汗进行蒸发散热,而人体汗液的蒸发 受空气温度、 相对湿度和对流换热系数这3个因素 的影响,当相对湿度达到80 %以上时,蒸发散热受 到极大约束,即人体皮肤蒸发散热量随着空气相对 湿度的上升而降低,这说明潮湿不利于人体出汗降 温。另一方面,高湿还容易导致细菌,特别是霉菌的 生长和繁殖,导致建筑围护结构的内墙面受潮起鼓, 引起结构破坏,同时高湿对室内家具、 电器、 物品的 使用寿命也会带来不利影响。另外,在该地区室外 空气温度不高但湿度很大的情况持续时间较长,如 过渡季节和夏季阴雨天气,当室外空气平均相对湿 度超过室内环境舒适标准规定的相对湿度时,居住 者会感到闷热不适,此时往往不需降温但要除湿。 长期以来,该地区的室内热环境恶劣程度居于全国 之首 4 。 3 夏热冬冷地区夏季新风负荷特点 夏热冬冷地区空气湿度大、 除湿期长的气候特 点,要求对该地区新风负荷进行全面分析,为了更加 全面地分析新风负荷的特点,本文以典型气象年逐 时气象参数为基础,将该地区新风负荷解耦,分成新 风显热负荷和潜热负荷分别进行计算。本文采用文 献5中新风度时数和湿时数的计算公式作为计算 新风显热负荷和潜热负荷的基础。新风度时数 CDHi为第i小时室外空气的干球温度与室内设计 干球温度的离差;新风湿时数CWHi为第i小时室 外空气的含湿量与室内设计工况含湿量的离差。 新风度时数和湿时数分别由式(1)、(2)计算: CDHi= (Tw,i-Tn,i)i(Tw,iTn,i) 0(Tw,iTn,i) (1) CWHi= (Dw,i-Dn,i)i(Dw,iDn,i) 0(Dw,iDn,i) (2) 式中,Tw,i和Tn,i分别为第i个小时室外和室内空气 的干球温度,;Dw,i和Dn,i分别为第i个小时室外 和室内空气的含湿量,gkg干空气;i为第i小时。 由于只有当室外空气参数大于室内参数时,需 要对新风进行热湿处理;否则,可以直接利用新风。 因此上述公式中当室外空气参数小于室内参数时, CDHi和CWHi取值为零。夏季单位质量流量的新 风显热负荷和潜热负荷可由式(3)、(4)计算: qs=cp CDHi(3) ql= 01001rCWHi(4) 式中,qs和ql分别为夏季单位质量流量的新风显热 负荷和潜热负荷,kJ (kg 干空气h) ;cp为常温常压 下干空气的定压比热, kJ (kg 干空气 ) , 取为 1101 ;r为常压25 时单位质量水的气化潜热,kJ kg ,取为2 441。 夏热冬冷地区夏季约34个月,并多集中在6 9月,本文根据该地区夏季典型气象年逐时气象 参数 2 ,计算了69月每天的新风显热负荷和潜热 负荷,将各月的负荷累计,结果如表1所示,表中ql (qs+ql)的值反映了新风负荷中由水蒸气分压力差 传质产生的潜热负荷所占的比例。 表1 夏热冬冷地区主要城市夏季新风潜热比表 (ql(qs+ql)% 6月7月8月9月平均 上海8913987176891639317290113 杭州8419185185861899115787131 南京8413284118881438516185164 合肥8611986104861229214487172 南昌8813580179851568711985147 武汉8813579153841928111683149 长沙8918285135871338814087173 成都9011292137931789512992189 重庆9018985151831699018787175 由表1可知,夏热冬冷地区各主要城市夏季 (6 9月)各月新风负荷中潜热负荷所占的比例基本 上在80 %90 % ,整个夏季平均新风负荷中潜热负 荷所占的比例也基本上在80 %90 %。其中,成都 夏季新风负荷中潜热负荷所占的比例最大,其次是 上海,重庆、 长沙、 合肥和杭州,然后是南京和南昌, 28 建 筑 科 学第24卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 武汉相对最小。图2为该地区主要城市夏季平均新 风潜热比与夏季平均相对湿度对比分布图,可知新 风潜热负荷所占新风总负荷的比例与该地区主要城 市的潮湿程度基本相符。以重庆为例按月进行分 析,新风潜热比在6月最大,其次是9月,然后是7 月,8月最小,这表明重庆夏季室外空气的潮湿度为 6月最潮湿,8月相对最小,7月和9月介于其间,如 图3所示,这与重庆的实际潮湿气候特征基本吻合。 该地区夏季新风负荷中潜热负荷所占比例很大,显 热负荷所占比例很小,新风显热比基本在10 % 20 %。以上结论计算时新风还没有承担室内余湿, 只是处理到室内设定温湿度,若新风再承担去除室 内余湿的任务,则新风潜热比将会更大。由此可见, 该地区新风处理中用于除湿的能耗远远高于用于降 温的能耗,新风处理以除湿为主。因此,在该地区选 择合理的新风除湿方式能大大降低新风处理的能 耗。 图2 夏热冬冷地区各主要城市夏季平均新风潜 热比与夏季平均相对湿度对比分布图 图3 重庆市夏季各月平均新风潜热比与 各月平均相对湿度对比分布图 4 夏热冬冷地区新风除湿方式探讨 411 传统空调系统的弊端 夏热冬冷地区目前采用的大多是冷凝除湿方 式,即对空气进行降温除湿来去除室内的余热余湿, 这种空调方式虽能提供舒适的室内环境,但存在3 个方面的弊端 6 。首先,冷凝除湿方式对空气进行 冷却和除湿联合处理,使本来可以利用高温冷源排 走的热量与除湿一起共用低温冷源,造成能量利用 品位上的浪费。为了除湿,冷媒温度往往较低,一般 为712,从而降低了制冷机的COP,由于除湿 后的温度过低,往往还需要将空气加热到适宜的送 风状态,造成能量的进一步浪费。冷媒温度较低,使 得一些直接利用自然冷源的空调方式无法应用(如 利用深井水做冷源,其温度在15 左右 ) , 这些缺点 使其不仅浪费了能源,还增加了对环境的污染。其 次,对空气进行热湿联合处理时,热湿比只能在一定 范围内变化,很难满足实际需要。当热湿比不满足 需要时,通常牺牲对湿度的控制,只满足所需的温 度,从而造成空气相对湿度过高或过低,损害了空调 房间的热舒适性。第三,冷凝除湿利用表冷器对空 气进行降温除湿,造成冷却表面潮湿或积水,容易滋 生细菌和霉菌,造成空调送风品质下降,危害人体健 康。 基于冷凝除湿方式存在以上弊端,许多研究人 员提出了温湿度独立控制的概念 628 。温湿度独立 控制包括显热和潜热两套独立的处理系统,分别控 制室内的温度和湿度。其中,显热处理系统采用末 端装置排除室内余热,以满足室内热环境的要求;潜 热处理系统对新风进行除湿处理,用干燥的新风排 除室内余湿、CO2及室内异味,以满足室内湿环境与 空气品质的要求,两系统结合达到全面调节室内热 湿环境的目的 8 。这种系统将温度和湿度解耦,能 对室内空气进行精确的温湿度控制,满足空调室内 热舒适的要求,有效解决传统空调方式能耗高且温 湿度控制不精确等问题,将其应用于湿热地区将有 利于该地区夏季的空调节能。典型的独立除湿方式 主要采用吸收或吸附方式,这样所要求的冷源只需 将空气温度降低到送风温度即可,可以克服冷凝除 湿的缺点。 412 独立除湿系统的优点 常用的吸收或吸附除湿方式包括固体干燥剂和 液体干燥剂除湿。固体干燥剂除湿是利用吸湿能力 强的多孔材料,如硅胶、 活性炭、 分子筛、 多分子材料 或氯化锂晶体等盐类,将新风处理到低含湿量;液体 干燥剂除湿是利用三甘醇、 氯化锂、 氯化钙、 溴化锂 等水溶液的强烈吸湿特性对新风进行除湿。如果在 使用固体或液体干燥剂对新风进行除湿的过程中, 可利用太阳能或废热等免费热源实现干燥剂的再 生,则与冷凝除湿方式相比新风的能耗将大大减少, 有利于提高空气处理系统的能源综合利用效率。研 究表明,太阳能液体除湿方式比冷凝除湿方式节能 38第8期孙克春,等:夏热冬冷地区除湿方式探讨 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 40 %以上 9 。 独立除湿系统具有以下优点 :1) 以空气和水为 工质,无需使用对环境有害的氟利昂类制冷剂,对环 境无害。 2) 在干燥冷却过程中首先进行除湿,故在 处理潜热负荷方面尤其奏效。 3) 节能效果显著,耗 电量比传统空调系统大大减少,由于整个系统可由 低品位热源 (65 85,如太阳能、 余热、 废热及天 然气等)驱动,还可减少化石燃料的消耗。 4) 干燥剂 可以有效吸附空气中的污染物质,可提高室内空气 品质。 5) 整个装置在常压开放环境中运行,旋转部 件少、 噪声低、 运行维护方便。 6) 除湿空调系统在冬 季可用作供暖设施,取代炉子等冬季取暖设备。因 此,结合夏热冬冷地区的气候特征及新风负荷特点, 笔者认为独立除湿应是该地区夏季比较适用的新风 处理方式。 413 公共建筑和居住建筑除湿方式适用性分析 公共建筑由于建筑面积大、 使用时间长、 人流密 度大等特点,建筑内产湿较多,所需供给的新风量很 大,因而宜采用太阳能液体除湿方式对新风进行集 中的降温去湿处理,降低新风能耗,而回风采用高温 冷源进行处理,有利于提高能源利用效率。相对于 公共建筑,居住建筑因居住人数少、 室内产湿量小、 供给新风量小等特点,随着除湿空调系统性能的进 一步提高,初投资降低和设备自动化、 小型化的发展 趋势,宜采用转轮除湿与常规空调相结合的除湿空 调系统,其中干燥剂可利用太阳能、 废热等进行再 生。当室外温度高且湿度大时转轮除湿和空调降温 同时运行;当室外温度不高但湿度很大时只开启转 轮去湿,去湿的同时温度有所提高;当室外温度很低 且湿度很大时,开启空调进行采暖,采暖的同时相对 湿度自然会降低。 对夏热冬冷地区的公共建筑和居住建筑而言, 夏季潮热、 冬季湿冷,新风独立除湿运行时间较长, 这就要求除湿系统与空调系统相结合,若能采用一 套设备实现降温、 除湿和采暖的多工况运行,有效利 用太阳能、 废热以及回收空调冷凝热等免费热源,则 能灵活适应湿度控制要求,有利