太阳能建筑一体化 第九节

第6章太阳能除湿空调技术教学目的：了解温湿独立控制空调系统基本原理，掌握转轮式与溶液式除湿空调的工作过程与工质特性。教学重点：（1）温湿度独立控制的方法与特点（2）转轮除湿机的工作原理（3）溶液除湿的原理与分类教学难点：太阳能除湿独立新风系统案例分析一、空调除湿原理1.基本概念露点温度：是指空气内水蒸气含量在压力不改变的条件下冷却到饱和时的温度。绝对湿度：单位体积的空气中所含的水蒸气质量。由于所含水蒸气密度越大，水蒸气分压力越大，所以通常是用空气的水蒸气分压力来表示湿度的。相对湿度：空气中所含水蒸气密度与温度下饱和水蒸气密度的百分比。2.空调除湿原理夏季人体舒适区为25℃，相对湿度60%，此时露点温度为16.6℃。空调排热排湿的任务可以看成是从25℃环境中向外界抽取热量，在16.6℃的露点温度的环境下向外界抽取水分。除湿方式：冷却除湿在制冷过程中，潮湿的空气通过蒸发器后温度会大幅下降，多余水蒸气以冷凝水的形式析出，凝结于蒸发器的翅片上，由冷凝水管排出。存在的问题：（1）热湿联合处理的能源浪费由于采用冷凝除湿方法排除室内余湿，冷源的温度需要低于室内空气的露点温度，实现16.6℃的露点温度需要约7℃的冷源温度。经过冷凝除湿后的空气虽然湿度（含湿量）满足要求，但温度过低，有时还需要再热，造成了能源的进一步浪费与损失。（2）难以适应热湿比的变化通过冷凝方式对空气进行冷却和除湿，其吸收的显热与潜热比只能在一定的范围内变化，建筑物实际需要的热湿比却在较大的范围内变化。牺牲对湿度的控制，通过仅满足室内温度的要求来妥协，造成室内相对湿度过高或过低的现象。过高的结果是不舒适，降低室温设定值，造成能耗不必要的增加；过低也将导致由于与室外的焓差增加使处理室外新风的能耗增加。（3）室内空气品质问题空调系统繁殖和传播霉菌成为空调可能引起健康问题的主要原因。有效过滤空调系统引入的室外空气是维持室内健康环境的重要问题。（4）室内末端装置的问题为排除足够的余热余湿同时又不使送风温度过低，就要求有较大的循环通风量。大的循环通风量会造成室内很大的空气流动，使居住者产生不适的吹风感，极容易引起空气噪声，并且很难有效消除。为减少这种吹风感，就要通过改进送风口的位置和形式来改善室内气流组织。往往要在室内布置风道，从而降低室内净高或加大楼层间距。在冬季，为了避免吹风感，通过另外的暖气系统通过采暖散热器供热。（5）输配能耗的问题为了完成室内环境控制的任务就需要有输配系统，带走余热、余湿、CO2、气味等。在中央空调系统中，风机、水泵消耗了40~70%的整个空调系统的电耗。在常规中央空调系统中，多采用全空气系统的形式。所有的冷量全部用空气来传送，导致输配效率很低。结论：新空调系统应具备以下特点1）加大室外新风量，能够通过有效的热回收方式，有效的降低由于新风量增加带来的能耗增大问题；2）减少室内送风量，部分采用与采暖系统公用的末端方式；3）取消潮湿表面，采用新的除湿途径；4）不用空气过滤式过滤器，采用新的空气净化方式；5）少用电能，以低品位热能为动力；6）能够实现高体积利用率的高效蓄能；二、温湿独立控制系统及其特点温湿度独立控制空调系统的基本组成为：处理显热的系统与处理潜热的系统，两个系统独立调节分别控制室内的温度与湿度。处理显热的系统包括：高温冷源，余热消除末端装置，采用水作为输送媒介。处理潜热的系统包括：新风处理机组，送风末端装置，采用新风作为能量输送的媒介。温湿度独立控制空调系统与常规空调系统相比具有以下优势：1）采用温湿度独立控制的空调方式，机组效率大大增加，夏季热泵式溶液调湿新风机组COP（性能系数）在5.5以上，水源热泵COP（性能系数）也可达到8.5以上；

2）溶液可有效去除空气中的细菌和可吸入颗粒，有益于提高室内空气品质；

3）系统无冷凝水的潮湿表面，送风空气品质高，确保室内人员舒适健康；

4）真正实现室内温度、湿度独立调节，精确控制室内参数，提高人体舒适性；5）除湿量可调范围大，可精确控制送风温度和湿度，即使对于潜热变化范围较大的房间（如会议室），也能够始终维持室内环境控制要求；6）热泵式溶液调湿新风机组与水源热泵均可冬夏两用，与常规系统相比，可以节省蒸汽锅炉与热水换热器的投资费用。在温湿度独立控制空调系统中，采用新风承担排除室内余湿、CO2、室内异味。一般来说，这些排湿，排有害气体的负荷仅随室内人员数量而变化，因此可采用变风量方式，根据室内空气的湿度或CO2浓度调节风量。由于仅是为了满足新风和湿度的要求，如果所需新风量远小于变风量系统的风量。这部分空气可通过置换送风的方式从下侧或地面送出，也可采用个性化送风方式直接将新风送入人体活动区。干式风机盘管通入高温冷水排除显热1.与变风量系统相比，这种系统实现了室内温度和湿度的分别控制。实现了新风量随人员数量同步增减。2.与风机盘管加新风方式相比，免去了凝水盘和凝水排除系统。3.同时由于不再存在潮湿表面，根除了滋生霉菌的温床，可有效改善室内空气品质。4.降低了运行能耗，还减少了由于室内外温差过大造成的热冲击对健康的危害。由于不存在凝水问题，干式风机盘管可采用完全不同的结构和安装方式。三、固体吸附式除湿装置1.转轮除湿机工作原理工作原理用硅胶、分子筛等吸湿材料附着于轻质骨料制作的转轮表面。待除湿的空气通过转轮的一部分表面，空气中的部分水分被吸附于表面吸湿材料，实现除湿。吸了水的转轮部分旋转到另一侧与加热的再生空气接触，放出水分，使表面吸湿材料再生，再进行下一个循环。吸湿过程接近等焓过程，减湿加热后的空气可进一步通过高温冷源（18℃）冷却降温，从而实现温度与湿度的独立控制。不足之处热能利用效率仍难以提高到与吸收制冷机抗衡转轮的除湿空气与再生空气间的渗透问题转轮除湿机热能利用效率低（除湿与再生这两个过程都是等焓过程而非等温过程，转轮表面与空气间的湿度差和温度差都很不均匀，造成很大的不可逆损失）吸附介质：氯化锂硅胶复合硅胶硅胶+卤素盐硅胶+金属沸石分子筛1）氯化锂氯化锂是最早用来作为转轮除湿机的吸附材料的，它属于一种高含湿量的吸湿盐，易再生，具有高度化学稳定性。此外，氯化锂吸附剂具有强烈的杀菌能力，因此，氯化锂作为除湿剂被广泛应用于医药、食品等对空气洁净度和湿度要求较高的领域。但是氯化锂在低湿度范围除湿量小、除湿能力低，而且吸湿时易形成液体从基体逸出，对除湿设备周围的金属产生腐蚀，这些不足在很大程度上限制了除湿机中氯化锂吸附剂的用量，也即限制了除湿机的除湿量。2)硅胶硅胶是继氯化锂后研究应用比较多的一种固体吸附剂，其吸湿能力、再生能耗等方面较氯化锂稍差，但由于在吸附、解吸过程中始终保持固态，有良好的物理化学稳定性，克服了氯化锂吸附剂容易液化逸出的缺点，即使在高湿度下（100%）也能保持转轮表面不结露，对周边设备无腐蚀。同时当转轮长期使用过程中因灰尘或油污覆盖表面影响除湿效率时，可采用清水（除灰尘）或清洁剂（除油污）直接清洗掉使之恢复，因此得到了广泛的应用。硅胶作为吸附材料存在的不足：（1）吸附性能有待提高；（2）耐热性能需要加强,由于硅胶耐热性能较弱,除湿转芯长时间处于80～150℃再生环境中,易出现熔融、塌陷、堵塞孔道等现象,从而使系统吸附效率降低；（3）机械强度有待增强，由于硅胶与陶瓷纤维作用力较弱，使得转芯材料机械强度较差，在系统运行过程中，易出现粉化、掉粉现象，从而影响其使用寿命。因此，必须对硅胶进行改性。3)改性硅胶吸附材料目前对硅胶的改性主要有两个方面：一是将传统硅胶吸附材料和卤素盐结合制成复合吸附剂；二是在硅胶中掺杂其他金属元素。（1）硅胶/卤素盐复合材料为克服硅胶吸附剂吸湿量小的不足，人们提出新型的硅胶和卤素盐复合的吸附剂，由于结合了两种吸附剂的优点使得复合吸附剂的吸附性能得到改善，是吸附剂研究的一个新的方向。但卤素盐进入硅胶孔道必然会降低孔容和比表面积，同时也会影响孔道的结构，因而必须控制卤素盐的用量。将传统的硅胶转轮材料和卤素盐复合起来制得硅胶/卤素盐复合干燥剂材料，实现硅胶物理吸附和卤素盐化学吸附的有机结合，具有高吸湿量、易再生和稳定性高等优点，改善了转轮除湿机的除湿性能。（2）若在硅胶中引入少量金属离子M，金属原子部分替代硅原子进入硅胶网络，但不改变硅胶的主体网络结构，由于硅胶表面形成M-O-Si键（M为B、Al、Ti等），增加了多孔材料表面的质子酸和路易斯酸的酸性活性中心数目及酸性强度，增强了材料表面与水的亲和力，使硅胶对水的吸附能力得到增强；另外金属原子掺杂入硅胶后，改变其微结构，进而增大了硅胶的比表面积和孔容，使硅胶的吸附能力得到增强。金属掺杂硅胶吸附材料，即将铝、钛等金属离子掺杂入硅胶中得到的一种多孔金属键合硅吸附材料，归属于第四代转轮除湿机吸附剂材料，它克服了硅胶在吸附性能、耐热强度及机械强度方面的缺陷。4)沸石分子筛沸石分子筛是研究及应用比较多的固体吸附剂材料，它在低湿度环境下仍能吸湿的优异性能，使它非常适用于低露点深度除湿；另一方面即使在较高温度下（如100～120℃）分子筛仍保持13%以上的吸水率，而硅胶的吸水率几乎为零。因此在电子、精密仪器等一些对湿度要求非常低及环境温度较高的情况下，分子筛除湿得到广泛的应用，应用分子筛的转轮除湿机其出风口空气露点最低可达到-60℃。但沸石分子筛也有其不足之处：分子筛吸附是利用其分子网络结构中的非常规则的孔道实现的。其吸湿量较氯化锂、硅胶都要低很多；另外，分子筛网络结构中的这种孔道对水分子的作用力较强，这是它能适用于深度除湿的原因，但也造成脱附困难，在除湿转轮中就体现为再生温度高达250℃以上，能耗大大增加，而且不能应用太阳能、工业余热等低品位热源作为再生热源。因此，目前分子筛作为除湿转轮吸附剂还只应用在一些对空气露点要求非常低的特殊场合。四、太阳能溶液除湿空调1.溶液除湿原理简述溶液式除湿与转轮式除湿机理相同，仅由吸湿溶液代替了固体转轮。转轮是运动部件，很难在转轮内部接入能够吸收热量或提供热量的换热装置。采用溶液吸湿，可以使空气溶液接触表面同时作为换热表面，在表面的另一侧接入冷水或热水。溶液具有杀菌、除尘作用，可以起到净化空气的作用。常用除湿剂：三甘醇、氯化钙、氯化锂等。基本过程：在除湿剂填料塔中，除湿过程为一个复杂的传热和传质过程，推动力为空气中水蒸气的分压力与溶液表面所形成的饱和蒸汽压之差。传热传质的三个过程：1）水蒸气由空气中扩散到汽-液两相界的汽相一侧；2）水蒸气由汽-液两相界面上凝结，并溶入溶液中；3）水由相界面的液相一侧扩散到溶液中。除湿过程同时可以实现对空气的加热、加湿、降温等多种空气处理过程，根据氯化锂溶液物理性质图可知：在溶液溶度上升时，溶液水蒸气分压力降低，除湿能力提高；在溶液温度升高时，溶液水蒸气分压力上升，除湿能力下降。2.与气体除湿方式相比较与冷却除湿比较：节能、健康、舒适。与转轮式比较：<1>转轮与溶液相比不易冷却，增加不可逆损失；

<2>溶液可采用低品味能源再生；

<3>转轮系统较大，磨损会降低其寿命。3.除湿溶液对空气质量的影响1）溴化锂溶液对VOC（挥发性有机化合物volatileorganiccompounds）的吸收作用溶液与空气直接接触，可除去空气中的有害物质；2）对室内细菌病毒生长的影响氯化锂、溴化锂、氯化钙等均具有杀灭细菌微生物的作用；3）除湿溶液的除尘作用经过合理设计，可期望达到湿式除尘器的效率。4.溶液除湿器分类根据是否对除湿过程进行冷却可分为两大类：绝热型和内冷型。（1）绝热型空气和液体除湿剂的流动接触中完成除湿，除湿器与外界的热传递很少，除湿过程可以近似看成绝热过程。（2）内冷型空气和溶液除湿机之间进行除湿的同时，被外加的冷源所冷却，带走除湿过程中所产生的潜热，该除湿过程近似于等温过程。（3）交叉型被处理的空气在平板的一侧与除湿剂溶液直接接触从而被除湿，同时从空调室出来的回风与冷却水平板的另一侧直接接触发生热质交换，带走主流空气侧在除湿过程中产生的潜热。三种除湿器性能比较优点缺点绝热型换热面积大，结构简单紧凑传质平均压差减小，蓄能能力弱内冷型除湿能力强，蓄能能力强表面积相对小，结构复杂交叉型吸收了除湿过程中产生的潜热，节约能源结构更复杂5.除湿剂的选择1）除湿剂对于空气中的水分应具有较大的溶解度，这样可以提高吸收率并减小液体除湿剂的耗用量。溶液应除湿能力强并容易再生。2）溶液的比热容较大。因为在除湿过程中释放出的潜热量会使溶液温度升高，因此比热越大，除湿性能越稳定。3）溶液各浓度下的结晶温度应较低。4）溶液的密度和黏度应较小。5）溶液应性质稳定，具有低挥发性，低腐蚀性，无毒性。6）溶液应价格低廉，易获得。有机溶液：三甘醇、二甘醇等；无机溶液：溴化锂、氯化锂、氯化钙溶液等。6.填料的选择1）比表面积，比表面积越大，提高的气液传质面积越大；2）空隙率，填料的空隙率越大，气体通过能力越大，气体流动阻力越小；3）填料因子，ψ越小，流动阻力越小；散装填料：流体分布欠佳，且放大效应严重；规整填料：克服了沟留和壁流现象，消除了放大效应，同时提供了大量的气液接触面积，提高了分离效率并降低了流体阻力。可分为丝网填料和板波纹填料两种。丝网填料：分离效率高、压降小、持液量低、操作弹性大、放大效应不明显。但价格昂贵、易堵塞、易腐蚀。板波纹填料：传质性能上比丝网填料稍差，但它在抗污染、耐腐蚀等方面都优于丝网填料，而且价格便宜。6.除湿技术应用案例（1）上海交通大学实施的太阳能两级转轮式除湿空调复合能量系统工作原理与构成系统中主要有三组空气并行工作，包括一组处理空气和两组再生空气。室外的环境空气（处理空气）首先通过转轮除湿器进行除湿，由于吸附热的释放，空气湿度降低的同时温度上升，因此在转轮后面安装了一个翅片管式换热器。在换热器中流过冷却塔出来的冷却水用于冷却转轮出口的处理空气。这样使处理空气冷却并提高其相对湿度，使其在下一级转轮更容易除湿。二级系统的构造与一级系统类似，处理空气再分别流经二级的转轮和翅片管式换热器。在处理空气送入室内之前，系统中又设置一个直接式蒸发冷却器，进一步降低处理空气的温度，以达到较低的送风温度。两级系统的再生空气采取并联工作的方式。再生空气分别在再生换热器（也为翅片管换热器）中加热，而其中加热能量来自太阳能集热器所提供的热水。被加热的再生流经转轮用来对转轮进行再生。机组设计性能指标见表1。过渡季节，机组可以做为建筑空调新风装置，为室内提供新风；冬季，太阳