一种新型前置预冷转轮除湿复合空调系统

罗纪超

(东莞市建筑设计院有限公司，广东523016)

1 前言

主动除湿转轮(Active Desiccant Wheel，以下简称除湿转轮)空气处理系统是固体除湿技术与常规制冷相结合的空调系统，因其可连续运转除湿，依转盘直径大小可制成各种不同风量的机型，可充分利用工业余热等低品位热源，湿度控制比较精确，处理后的空气能达到较低的含湿量，不受低温环境制约，能卓有成效地解决用常规冷却除湿方法无法实现的常温低湿、低温低湿等除湿问题而得到广泛应用［1，2］。前置预冷转轮除湿复合空调系统方案是由美国橡树岭国家实验室(ORNL)与美国SEMCO公司在2002年共同提出［3，4］，它是采用除湿转轮前置冷却盘管，冷却盘管与除湿转轮共同承担处理湿负荷，其除湿转轮采用第Ⅰ类或第Ⅱ类吸湿剂。其特点是配置简单、结构紧凑，再生热源温度较低(通常为95℃左右)，系统的风机功耗较少，适用于手术室、实验室等高品质/舒适性空调方面。本文在此基础上，提出除湿转轮采用第Ⅲ类吸湿剂的方法，可进一步降低再生热源温度，并对该系统进行了性能分析。

2 系统方案及工作原理

图1为前置预冷转轮除湿复合空调系统的原理图及焓湿图。DX(direct expansion，直接膨胀)湿盘管采用5～7℃低温冷源;新风先经过DX湿盘管，经降温除湿后进入除湿转轮，在除湿转轮中除湿升温后送入空调房间。室内大部分显冷负荷由单元机组或冷却顶板来承担，其为干式冷却，可采用18℃高温冷源。焓湿图上，A点为空调室外计算参数，B点是前置冷却盘管所能达到的机器露点状态，B至C的处理过程则由除湿转轮的性能来决定。经过除湿转轮的较高温且低露点的处理空气C直接送风，或者与经过旁通风道的低温饱和空气B混合，得到预定的较低露点且温度适中(干球温度为18～26℃)的送风状态空气D。送风D承担系统的全部湿负荷，以及部分室内冷负荷。

该除湿转轮采用第Ⅲ类吸湿剂(例如活性氧化铝［5］)，在相对湿度大于90%的情况下，第Ⅲ类吸湿剂的吸湿能力非常强，当相对湿度低于80%时，其吸湿能力会显著下降(参见图2)。新风A经DX湿盘管冷却除湿后，相对湿度一般大于90%(见图2中的A区域)，当相对湿度90%或以上的冷风B经过除湿转轮处理侧时，第Ⅲ类吸湿剂对水分有很强的吸附亲和力，转轮处理侧会从冷风B中吸附大量的水分;当转轮转到再生侧时，由于加热的再生空气E相对湿度比较低(通常是40% ～60%，见图2中的B区域)，在相对湿度较低的情形下，第Ⅲ类吸湿剂对水分的吸附亲和力明显下降，转轮再生侧就会解吸出水分给再生空气。该吸湿剂的再生是依靠其吸附特性来实现的，不需要再生空气具有较高温度来提供解吸的驱动力。

图1 前置预冷转轮除湿复合空调系统原理图及焓湿图

图2 第Ⅲ类吸湿剂的典型等温吸附线

图3 某除湿转轮能实现的C点空气露点温度

转轮所采用的固体吸湿剂为改性活性氧化铝，即在活性氧化吸附剂改性和合成工艺中添加高吸附性交联网络状结构的亲水性高分子化合物，将改性活性氧化铝涂敷在玻璃纤维纸上制成蜂窝状转轮。由于转轮转速小于1 r/min，转轮显热交换极少，从转轮出来的处理空气C点的温升主要取决于吸附热，B→C过程近似等焓减湿过程。图3为某除湿转轮在额定流量情况下的除湿能力示意图［6－7］。C点空气的露点温度主要取决于再生空气E点的相对湿度与DX湿盘管出口B点的冷风温度两个参数。从图中可看出，B点的冷风温度越低或进入转轮再生空气E点的相对湿度越低，则C点空气露点温度越低。

3 性能分析

以华南地区夏季某办公室为例，对该转轮除湿的独立新风系统的性能进行分析。独立新风系统要求空调房间的湿负荷完全由新风承担。室内设计参数为:tN=25℃，φN=50%，hN=50.7kJ/kg。根据文献［8］，新风送风含湿量的要求只与人体散湿量标准、新风量标准以及室内设计参数有关，而与室内人数无关，可推知新风送风含湿量最高值为7.2g/kg(即露点温度为9.1℃)，而采用7℃的冷冻水进行直接冷却除湿无法满足室内湿度的要求。室外新风两种主要工况如下［9］:工况1为高温高湿工况即最大负荷设计工况，t=33.5℃，ts=27.7℃，φ=64.5%;工况2为常见运行工况即部分负荷工况，t=33.5℃，ts=24.6℃，φ=48.7%。转轮的再生空气F直接采用新风。由于转轮性能、DX湿盘管的热工计算等既与结构参数有关，也与运行工况密切相关。为了方便比较，采用简化计算。假设:1)转轮除湿为接近等焓除湿过程，焓值修正因子φ =1.05［10］;2)DX湿盘管选用8排 JW10－4型表面冷却器，供冷水温度为7℃，表面冷却器出口冷风温度通常比供冷水温度高3－6℃［6］。于是根据表面冷却器的校核计算与图3转轮的除湿能力来计算各点的状态参数。

图4 不同再生温度下转轮出口处理空气C点含湿量

图5 不同再生温度下转轮出口处理空气C点温度

图4与图5分别为两种工况下，转轮出口处理空气C点的温度与含湿量随再生温度的变化情况。由图4可见，再生温度为45℃时，就足以满足室内湿度的要求(＜7.2 g/kg);当再生温度改变时，转轮出口空气含湿量也随之变化，再生温度增加，有利于转轮除湿;但再生温度的较大幅度增加，并没有导致出口空气的含湿量显著减少，当再生温度为70℃时，出口空气的含湿量仍大于5.2 g/kg，而文献［10］报道的除湿转轮采用第Ⅰ类或第Ⅱ类吸湿剂可以实现露点温度－17℃，因此，与之相比，采用第Ⅲ类吸湿剂不能达到更低的送风露点温度，不太适合工业除湿，比较适用于舒适性空调方面。由图4还可比较工况1与工况2，进口新风A的相对湿度降低可以明显改善转轮的除湿效果。由图5可知，除湿转轮出口空气的温度处于18.5℃至23℃之间，属于中性温度范围(neutral temperature)［11］，满足人们热舒适性要求，因此除湿转轮出口空气可以直接作为送风。

图6是在再生温度为60℃，进口新风空气相对湿度恒为90%的条件下，除湿转轮出口空气的温度与含湿量随进口空气温度的变化情况。由图可见，当进口空气温度大于36.7℃时，系统已不能满足室内湿度的要求(＜7.2 g/kg)，而对于温度低于36.7℃的高温高湿工况，系统均可以满足室内湿度的要求。而且出口处理空气C点温度处于18℃至26℃之间，属于中性温度范围，其出口处理空气也可以直接作为送风。

图6 不同新风温度下转轮出口处理空气C点的温度与含湿量

4 结论

(1)前置预冷转轮除湿复合空调系统中，除湿转轮采用第Ⅲ类吸湿材料是可行的，不需要较高的再生热源，送风温度处于中性温度范围，而且低湿，送风品质高，可以直接送风;

(2)在华南地区夏季最大负荷设计工况下，该系统采用再生温度为45℃就可以满足独立新风系统办公室室内湿度的要求;对于相对湿度为90%且温度低于36.7℃的高温高湿工况，该转轮除湿采用再生温度为60℃仍可以满足室内湿度的要求。

(3)与除湿转轮采用第Ⅰ类或第Ⅱ类吸湿剂相比，不能达到更低的送风露点温度。因此，该系统方案比较适用于室内相对湿度为35%～50%的高品质/舒适性空调等方面。

［1］Subramanyam N，Maiya M P，Murthy S S．Application of desiccant wheel to control humidity in air－conditioning systems［J］．Applied Thermal Engineering，2004，24(18):2777－2788

［2］朱冬生，剧霏，李鑫，等．除湿器研究进展［J］．暖通空调，2007，37(4):35－41

［3]Sand J R，Fischer J C．Active desiccant integration with packaged rooftop HVAC equipment［J］．Applied Thermal Engineering，2005，25(17－18):3138－3148

［4］左远志，杨晓西，丁静．转轮除湿与单元式空调机相结合的空气处理系统［J］．建筑科学，2008，24(6):81－84

［5］梁肃臣．常用吸附剂的基础性能及应用［J］．低温与特气，1995，(5):55－60

［6］Trane．SYS－APM004－EN Dehumidification in HVAC［Z］．Wisconsin:Trane，2002

［7］Trane．Trane CDQ Desiccant Dehumidification［Z］．Wisconsin:Trane，2004

［8］丁云飞，丁静，杨晓西．基于太阳能再生的转轮除湿独立新风系统［J］．流体机械，2006，34(8):63－66

［9］卓献荣，栗 艳，王耀明．华南地区大型网吧湿帘墙降温全新风通风工程设计［J］．制冷，2006，25(2):48－52

［10］丁云飞，丁 静，王卓越等．除湿转轮处理冷却顶板空调系统的湿负荷［J］．华南理工大学学报，2004，32(3):10－14

［11］Mui K W，Wong L T．Neutral temperature in subtropical climates:A field survey in air－conditioned offices［J］．Building and Environment，2007，42(2):699－702