087溶液调湿技术在既有建筑空调系统改造中的应用

1、溶液调湿技术在既有建筑空调系统 改造中的应用 北京华创瑞风空调科技有限公司 张婷 刘昕 陈晓阳 清华大学 刘拴强 摘 要 针对既有大型建筑空调系统节能改造中存在的难题，提出采用基于溶液调湿技术的温湿度独立 控制空调系统，以达到降低改造难度、节能、舒适的目的。文中以某大型三甲医院综合服务楼为例，对 其空调效果不佳的现象进行测试分析， 提出改造的方案， 并对常规改造方案和采用溶液调湿空调进行对 比分析，指出溶液调湿空调在既有建筑节能改造中应用的可行性。 关键字 既有建筑改造 溶液调湿 系统测试 节能 Application of liquid desiccant in air conditioni

2、ng system reform of existing buildings Zhang Ting, Liu Xin, Chen Xiaoyang, Liu Shuanqiang Abstract According to the problems of energy-efficiency reform for large-scale buildings, the temperature and humidity independent control air conditioning system based on liquid desiccant is presented. Such sy

3、stem can save energy consumption, decrease the difficulty of reform process and increase the indoor air comfort. Taking the reform of a service building in an A-grade hospital in Beijing for example, the poor effects of the original air-conditioning system are analyzed, and two reform methods are pr

4、oposed. By comparing and analyzing the conventional and solution regulating-humidity reform measures, it can be concluded that the solution regulating-humidity air conditioning system is more feasible and suitable in existing building reform project. Keywords existing buildings reform, liquid desicc

5、ant, system test, energy saving 0 引言 截止到 2006 年底，我国既有建筑面积总计已经超过 400 亿平方米 1 。随着社会发展，经济增长， 当前我国既有建筑由于使用功能变化、 技术设备落后等原因， 其配套的空调系统已无法满足目前的使用 要求，普遍存在舒适性差、能耗大等问题。但如果对其进行改造，又存在改造施工难度大、原有设备利 用率低、改造投资费用昂贵等问题，因此既有建筑的改造已成为很多建设单位面临的难题。 近年来，基于溶液调湿技术的温湿度独立控制空调系统（以下简称 “溶液调湿空调” ），因其具有可 利用低品位可再生能源、 减少能源消耗、 提高空气品质、 保

6、护环境等方面的众多优点， 得到了较为广泛 的关注 2-5 。带有溶液全热回收装置的热泵式溶液调湿新风机组采用吸湿盐溶液作为工作介质，机组具 有 COP 高、布置灵活、 调节方便等特点， 应用于既有建筑的改造可以很好地达到节能、舒适的目的 6-8 。 针对既有建筑空调系统节能改造的现状， 笔者在利用节能技术及产品来解决既有建筑改造问题方面 做了一些探索， 本文以某大型三甲医院后勤综合服务楼为例， 介绍基于溶液调湿技术的温湿度独立控制 空调系统在其改造工程中的应用。 1某医院后勤综合服务楼现状 1.1项目概况 某医院综合服务楼共三层，建筑面积共约3135m2，单层建筑面积约 1045m2,其中一层

7、为食堂， 二层为包间，三层为自助餐厅。空调系统为风机盘管加新风形式，冷源为风冷热泵机组。目前该楼空调 系统存在空调效果不好，室内温湿度失控的问题，尤其是夏季室内湿度过高现象严重。据用户反映，新 风机组开启后室内湿度会更高，因此实际运行时新风机组已停止使用，室内空气品质较差。针对现状， 对该空调系统进行了测试，以诊断其空调效果不佳的原因。 1.2空调系统测试分析 1）室内温、湿度测试结果 对综合服务楼各层进行测试，测试结果见图12。从现场测试结果可以看出，在就餐高峰期，客流 较大，室内温度大部分在26 C 28 C左右，室内相对湿度基本在70%以上，而室内设计参数为26 C, 60%，室内温湿度

8、均高于设计参数，舒适性较差。 测点 * 一层 二层* 三层 测点 * 一层 二层* 三层 图2室内相对湿度实测数据 加度湿对相内室 2）新风机组性能测试 综合服务楼共设有 4台显热回收新风机组， 其中一层设有1台11000m 3/h风量的新风机组（1#）, 二层设有1台5000m 3/h风量的新风机组 （2#）,三层设有2台6000m 3/h风量的新风机组 （3#、4#）。 利用温湿度自记仪测量各台新风机组的空气状态点，如图34所示。 图3新风机组空气温度实测数据 1234 新风机组编号 * 新风一F送风 出 回风 排风 图4新风机组空气含湿量实测数据 该综合服务楼室内设计参数为温度26 C、

9、相对湿度60%，根据测试结果可以看出，经过新风机组 处理后的送风焓值低于室内设计焓值，新风机组可承担新风负荷，但送风含湿量在12.215.6g/kg之间, 接近或大于室内设计含湿量。可以看出，在设计工况下新风机组无法承担室内湿负荷，仅承担新风负荷。 根据现场实测结果，新风机组实际运行风量远小于机组额定风量，基本上仅为额定风量的 55%65%，在目前新风量减小的情况下，新风机组仅承担新风负荷，如果新风机组达到额定风量，或 室外气候更为恶劣时，送风温度、湿度将会有所升高，新风不仅不承担室内的湿负荷，反而会加剧室内 湿度过大的现象。 3）冷源运行情况 现有冷源为2台风冷热泵机组，设置于屋顶，型号为R

10、TXA-420，额定制冷量为543kW/台，冷机 运行时根据供水温度控制启停，开启1台冷机后，冷水供水温度一旦高于7.4 C则再开启另外1台冷机。 冷机地下二层机房设有 2台冷冻水泵，额定流量为 153.2m 3/h，扬程25.1m，与冷机一一对应。根据冷 机及水泵选型计算，供回水温差为3C。当开启1台冷机及其对应的水泵时，利用超声波流量计测得冷 冻水主管的流量为 136.4t/h，总供回水温度按 7/10 C计，供冷量为475kW。从冷机供回水温度及水流 量分析，冷机及其输配系统运行正常。 4）末端风机盘管 选取各层典型区域的风机盘管进行测试，测试结果见图56。 30 -I 度一 温10 -

11、 0 123456789 风机盘管编号 *送风 回风 图5风机盘管空气温度实测数据 风机盘管编号 *送风 回风 图6风机盘管空气含湿量实测数据 量湿含 由测试结果可以看出，风机盘管实际处理温差在58 C左右，处理湿差在 34g左右。风机盘管采 用冷冻除湿方式对空气进行降温除湿，因此其除湿能力有限且依赖于冷冻水温度。根据计算，风机盘管 的额定送风温度为 16C,相对湿度为 90%，按室内设计参数 26 C、60%考虑，风机盘管能处理 10C 温差，但仅能处理约 2.4g湿差。就餐高峰时期，室内产湿量较大，而风机盘管除湿能力有限，将导致 室内湿度增大，送风参数偏离设计值。实际测试中，在室内25.8

12、 C、73.8 %情况下，某风盘送风温度 约为18.8 C,相对湿度85%，额定的空气处理过程与实际处理过程如图7所示。 60 50 40 、.、 10% r 30kJ/kg 100kJ/kg 20% 、.、 12 )kJ/kg 60kJ/k F g . I 40% 60% 40kJ/kg 九/ y X A 一-A * J 80% % 100 % A / N A 二- 匚 - if-/ 1 i 匚L L - f - C d(kg/kg) 0.020.025 0.030.035 0.010.015 30 20 10 0.005 图7 风机盘管空气处理过程（N-L :额定处理过程；N-L实际处理过

13、程） 以一层为例，计算得到一层风机盘管总除湿能力为51kg/h。室内散湿按200g/h 人（含食物散湿） 计算，根据餐厅实际运营情况，考虑高峰时段70%入座率加上流动人口， 一层餐厅湿负荷约为 76kg/h , 已超过了风机盘管的额定处理能力，如再考虑室外渗风增加的湿负荷，风机盘管的除湿能力就更加不足 了。 2改造方案对比分析 综合服务楼工程主要使用功能为员工食堂和餐厅，原设计冷负荷约864kW，冷源为2台制冷量均 为543kW的风冷热泵机组。由于实际客流较大，目前室内人数已超出原设计值，导致室内温湿度偏高。 另外，因用餐者普遍反映室内温湿度偏高，故期望将室内设定参数改成温度24 C,相对湿度

14、50%60% 。 如此一来，将导致冷负荷的增加。根据设计院提供的数据，冷负荷将增加至1618kW，现有的两台风冷 热泵机组已无法满足制冷要求。 鉴于上述问题，提出两种空调系统的改造方案：1 ）增设一台风冷热泵，2）使用热泵式溶液调湿 新风机组（HVF）取代现有新风机组，在此针对上述两种方案具体分析其改造方法、室内环境控制情况及 改造费用等。 2.1方案一：增设一台风冷热泵机组 综合服务楼工程现有空调系统最大的问题是冷源不足、室内温湿度偏高、热舒适性差。现提出增设 一台风冷热泵机组的改造方案，由3台风冷热泵机组作为冷源，共同承担全楼的冷负荷。 1）方案一分析 a. 改造工程量大，不具备可行性 增

15、设一台风冷热泵机组，相应的冷冻水泵、冷冻水管路都需要重新改造。由于冷冻水流量大幅度增 加，如果仍使用现有冷冻水管路系统，会导致水管内流速过大， 沿程阻力增大，输配系统能量损失严重， 而且现有冷冻水泵扬程、流量无法满足要求， 必须全部重新配置。 因此采用方案一，就必须对全楼的冷 冻水管路系统进行大规模的改造，改造难度和工程量很大。另外，在屋顶增加1台风冷热泵机组，还 将带来一系列问题，如屋顶荷载的校核、屋面防水、配电容量增加等，根据现场勘察，综合服务楼屋顶 已无足够空间放置一台风冷热泵机组，因此该方案一不具备实施的可行性。 b. 室内湿度偏高的问题无法解决 从实际测试结果来看，由于室内末端设备供

16、冷能力有限，即使通过增加风冷热泵机组增大制冷量， 也无法很好的解决室内温湿度偏高的问题。如果要彻底解决问题，还需要对空调末端设备进行增容，提 高末端设备的处理能力，导致改造难度和工程量巨大，且会影响餐厅的正常使用。 综合上述分析，增设一台风冷热泵机组不仅工程量巨大，施工困难，而且现场不具备实施的条件， 即使实施也无法解决室内温湿度偏高的问题，因此方案一不可行。 2.2方案二：改用热泵式溶液调湿新风机组 1） 方案二简述 综合服务楼现有空调设备由于除湿能力不足导致了室内温湿度失控， 因此要解决湿度偏高的问题就 需要加强末端设备的除湿能力，采用热泵式溶液调湿新风机组 （HVF）代替现有新风机组，可

17、以很好地解 决现有空调系统存在的问题。 热泵式溶液调湿新风机组的夏季运行模式如图8。夏季工况，高温潮湿的新风在全热回收单元中以 溶液为媒介和回风进行全热交换，新风被初步降温除湿，然后进入除湿单元中进一步降温除湿达到送风 冷凝器排热量用于浓缩再生 只需切换四通阀改变制冷剂循环方向，便可 状态点。调湿单元中，调湿溶液吸收水蒸气后，浓度变稀，为重新具有吸水能力，稀溶液进入再生单元 浓缩。热泵循环的制冷量用于降低溶液温度以提高除湿能力和对新风降温， 溶液，充分利用了热泵系统产生的冷量和热量。冬季工况， 实现空气的加热加湿功能7-8。 J L 回风 4 9 新风 排风 昭* T 讣。 矗A赛 送风 =

18、:9 1全热交换模块；2 并联压缩机；3 冷凝器I ; 4 冷凝器II ; 5 蒸发器I ; 6 蒸发器II ; 7热回收板换I ; 8热回收板换II ; 9 溶液循环泵；10-膨胀阀 图8热泵式溶液调湿新风机组夏季运行模式 2）方案二分析 a. 改造难度和工程量较小 热泵式溶液调湿新风机组内置热泵循环系统，自带冷源可独立承担新风负荷、潜热负荷以及部分显 热负荷，减少了风冷热泵机组承担的负荷。由热泵式溶液调湿新风机组和现有的2台风冷热泵机组一 起承担全部负荷，无需再增设风冷热泵机组，也不需要室内末端增容，仅改造新风机房即可， 减小了改 造工程量，也不存在占用屋顶空间、增加屋顶承重等问题。 b.

19、 可有效解决室内温湿度较高的问题 热泵式溶液调湿新风机组利用溶液的吸水性对新风进行除湿，除湿能力强，可以很好地改善室内热 舒适性。 c. 节能效果明显 热泵式溶液调湿新风机组内置热泵系统，充分利用热泵系统产生的冷量和热量，机组COP （性能 系数）在5.5以上。机组采用溶液全热回收装置，可有效回收排风能量。 另外，由于热泵式溶液调湿新风机组可承担大部分的除湿负荷，因此在过渡季或者客流减小的情况 下，可根据实际负荷情况提高冷冻水温度，从而提高风冷热泵制冷效率，以达到更好的节能效果。 3）方案二初投资估算 因为不需要增加冷源，方案二无需对全楼的冷冻水系统进行改建，在很大程度上减小了工程量。采 用方

20、案二，只需从以下方面进行改造： a. 改造新风机房 将原有新风机组更换为热泵式溶液调湿新风机组，拆除原有设备，并对新风空调机房进行改造，重 新布置风管； b. 增设软化水管路 热泵式溶液调湿新风机组运行过程中需补充少量软化水，现有空调系统已经配置有软化水处理设 备，只需再配备一套软化水引水装置； c. 增大配电功率 由于两种新风机组的配电系统也不一样，需增大空调系统的配电功率。 2.3方案比较 采用热泵式溶液调湿新风机组取代现有新风机组，不需要再增设风冷热泵机组，改造工程量和难度 均较小，不需改造冷冻水系统、避免了占用屋顶空间、增加屋顶承重等问题。另外，从改造效果分析， 采用热泵式溶液调湿新风

21、机组能够降低室内温湿度，改善室内热舒适性，提高空气品质。 对两种方案初投资进行比较，比较结果见表1。从表中可以看出，两种方案初投资相差不大，如果 考虑屋顶结构加强、室内装修恢复等因素，方案二初投资可能比方案一更低。 表1两种方案初投资比较 方案一 方案二 冷源增容费用（万元） 69.2 新风机组费用（万元） 138.7 水系统改造费用（万元） 3.4 补水系统费用（万元） 0.8 楼宇改造费用（万元） 69.3 机房改造费用（万元） 16.5 配电系统费用（万元） 9.5 配电系统费用（万元） 6.4 系统调试费用(万元) 5 合计 1573 合计 1623 注：以上费用估算不包括结构改造费用

22、，如屋顶载荷增加、屋面防水等施工费用。 2.4改造效果 改造后对综合服务楼二层室内参数进行测试，测试结果见图910。从测试结果可以看出，室内温 度在24 C 26 C之间，室内相对湿度基本在 60 5% ,说明改造后的溶液调湿空调系统能够有效控制室 内温湿度参数，满足设计要求。 图9改造后室内温度实测数据 cr度温 70 65 60 55 50 45 9:07 10:19 11:31 12:43 13:55 15:07 16:19 17:31 时刻 /0度湿对相 图10改造后室内相对湿度实测数据 3结论 与新建建筑相比，既有建筑改造需要考虑更多方面的因素，比如实施的难度，改造的费用，以及要 尽量减少对用户的干扰等。 综合服务楼项目是溶液调湿空调在既有建筑改造中的典型应用案例，通过与 常规改造方案的对比可以看出， 采用内置热泵