基于地下水-太阳能工作的溶液除湿空调系统

任秀宏， 郑立国

(1.河南科技大学 土木工程学院,河南 洛阳 471023；2.河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031)

0 引 言

目前常规空调系统普遍采用冷凝除湿方式(采用7 ℃的冷冻水)实现对空气的降温与除湿处理，同时去除建筑的显热负荷与潜热负荷(湿负荷)。占总负荷一半以上的显热负荷本可以采用高温冷源排走，却与除湿—起共用7℃的低温冷源进行处理，造成了能量利用品位上的浪费。通过冷凝除湿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，而建筑室内环境调节所需要的热湿比却在较大的范围内变化。而且，冷凝除湿方式产生的潮湿表面成为霉菌等生物污染物繁殖的良好场所，严重影响室内空气品质。溶液除湿空调系统采用热湿分开处理，用溶液除湿空调系统控制室内湿度，采用较高温度的冷源控制室内温度，除能有效避免常规空调的弊端外，还能够利用太阳能、工业废热等低品位能源，能有效节约能源和改善大气环境。溶液除湿空调系统由于其显著的节能优势及其对室内空气品质的良好影响，近年来得到了较快发展[1-2]。

传统溶液除湿空调是将新风直接送入除湿器进行溶液除湿，利用热泵或其他辅助加热设备加热再生溶液，加热后的溶液直接与室外空气进行热质交换使得溶液再生。在热湿地区室外空气含湿量高，除湿器除湿负荷大，导致系统初投资、运行能耗及再生热量增加[3-7]。针对传统溶液除湿空调存在问题，在地下水资源丰富的地区充分利用地下水所储存的天然冷量，提出一种新型可实现地下水-太阳能高效利用的溶液除湿空调系统。

1 系统工作原理[8]

基于地下水-太阳能工作的溶液除湿空调系统原理图如图1所示。该系统由新风预处理系统、辐射空调系统和除湿/再生模块组成，主要有4个循环。

循环1：一部分地下水经水泵送至新风机组表冷器，流入该设备的地下水低于新风的露点温度从而实现新风冷却除湿，经新风机组表冷器吸收热量后与除湿器内冷却水回水及冷辐射吊顶的回水混合后回灌至地下。

循环2：地下水的一部分由第二循环泵送至冷辐射吊顶，流入冷辐射吊顶与室内空气进行显热交换以承担室内显热负荷，吸收热量后，与经过新风机组表冷器的地下水及除湿器冷却水回水混合后回灌至地下。

循环3：地下水的一部分经第三循环泵送至除湿器热交换器，吸收除湿过程释放的潜热后温度升高，与经过新风机组表冷器的地下水及冷辐射吊顶回水混合后回灌至地下。

循环4：溶液除湿过程中，除湿器中的低温度、高浓度的除湿溶液从顶部喷淋，经新风机组表冷器处理后的新风从下部进入，完成新风除湿过程。除湿后的稀溶液与再生后的浓溶液在换热器中换热，温度升高。利用太阳能作为再生热源，低水蒸气分压力的室内排风作为再生空气源，并用环境热量预热排风，以提高除湿溶液的再生效率和浓度，完成溶液的再生过程，如此循环处理新风。循环5：空气处理系统工作时，室外新风经新风机组表冷器处理后，然后再经过内冷型除湿器等温除湿至新风送风状态点，经风机加压后送入空调房间。需指出，从抽水井中抽取地下水应先经过除沙和过滤处理后再进入新风机组表冷器，回水应进行回灌处理。

夏季空气处理过程i-d图如图2所示。室外新风先经新风机组表冷器冷却减湿至机器露点(见图2中新风状态点W到状态点L过程)，冷却减湿后的新风再经过内冷型除湿器承担等温处理至A点，除湿器承担室内全部潜热负荷和部分新风冷负荷(见图2状态点L到状态点A过程)，房间显热负荷有冷辐射吊顶承担(见图2室内空气状态点N等湿冷却到状态点B过程)，处理后新风经风机送入室内和冷辐射吊顶处理后的回风在室内混合至O(见图2中状态点A和状态点B混合至O过程沿热湿比线送入室内)，从而维持房间温度和湿度稳定。 图中细线表示采用冷凝除湿方式的一次回风再热式空调系统空气处理过程。

2 系统能耗计算分析

为了进行该新系统节能性分析，需要建立组成系统各部件数学模型。

2.1 系统数学模型[9-10]

2.1.1系统中各部件的质量和能量守恒方程

∑Gi-∑Go=0

(1)

Q+∑Gi·hi-∑Go·ho=0

(2)

式中：Gi、Go为进、出容器的溶液质量流量，kg/s；Q为设备与外界的能量交换，kW；hi、ho为容器进、出口流体的焓值，kJ/kg。

2.1.2空气处理机组数学模型

新风机组表冷器负荷：

q1=w1cw·Δt1=GW(hw-hL)=K1F1·Δtm

(3)

式中：w1是地下水流经新风机组表冷器的水流量，kg/s；Δt1是地下水经过新风机组表冷器的温升，℃；GW是新风的质量流量，kg/s；hW、hL是新风经新风机组热交换设备进出口处的新风比焓，J/g；K1是新风机组表冷器的传热系数，kW/(m2·K)；F1是新风机组表冷器的换热面积，m2；Δtm是新风机组表冷器的对数平均温差，℃。

2.1.3冷辐射吊顶的数学模型

冷辐射吊顶的负荷:

qd=w2cw·Δt2=GH(hN-hB)

(4)

式中：w2是地下水流经冷辐射吊顶的水流量，kg/s；Δt2是地下水经过冷辐射吊顶的温升，℃；GH是回风的质量流量，kg/s；hN是室内空气状态点比焓，J/g；hB冷辐射吊顶冷却室内空气后空气的比焓，J/g。

2.1.4除湿器的数学模型

χ1Gsol·in=χ2Gsol·out=χ2(Gsol·in+Δy)

(5)

式中:Gsol·in为除湿器进口溶液质量流量，kg/s，Gsol·out为除湿器出口溶液质量流量，kg/s；χ1、χ2分别为除湿器进、出口溶液的浓度，%；Δy为处理空气的除湿量，g/s。

2.2 系统能耗计算[11-15]

以洛阳市某建筑为例，对新型系统较常规空调系统节能性进行计算分析。该建筑面积100 m2，人员密度为1人/m2，体力活动性质为轻度活动，室内设计温度为26 ℃，相对湿度50%，室内余热量Q为36 kW，新风比30%，送风温差7 ℃，再生器再生效率ηr为80%，采用一次回风再热式系统时，制冷机的COP为4.42；电热价比为4，即1 W电的价格相当于4 W热的价格。

据上述条件，计算房间的余湿量Mw为：

式中：φ为群集系数；n为空调区的总人数；g为成年男子散湿量，g/h。

热湿比:

ε=Q/MW=36 000/4.5525=7907.74 (J/g)

根据图2夏季空气处理过程i-d图，结合上述计算结果，计算得到洛阳地区气候条件下，两种系统空气处理过程中各状态点的参数值，见表1。

系统送风量：

2.2.1新型系统能耗计算

(1) 新型系统溶液再生耗热量。

表1 新型系统及一次回风系统中各状态点参数值

式中：r为水的汽化潜热；ηr为溶液除湿的能源利用效率，也称为溶液的再生效率，即溶液再生时有效能耗与总能耗之比。

(2) 溶液再生耗电量E。由于电热价为4，可将溶液再生耗热量折合成等价的耗电量。

(3) 新型系统总能耗。新型系统如果采用电加热器加热溶液再生，则需要消耗电量，耗电量计入系统总能耗之中；但如果采用太阳能集热器进行再生，则不需要消耗电能。新型系统的能耗除此以外还包括辅助电能，即溶液泵、循环水泵以及风机等能耗，一般不超过溶液再生能耗的50%。假设此比例取为50%，则新型系统的总能耗E为：①采用电加热器再生，系统总能耗E1=6.9+27.7×0.5=20.75 kW；②采用太阳能集热器再生，系统总能耗E2=27.7×0.5=13.85 kW。

2.2.2一次回风再热式系统能耗计算

表冷器冷却除湿所需的冷量：

再热器加热量：

表冷器冷却除湿能耗：

再热器再热能耗：

Ezr=Qzr=16.51 (kW)

一次回风再热式系统总能耗：总能耗还应包括风机、水泵带来的辅助能耗，该系统辅助能耗小于新型系统，假设其辅助能耗为新型系统辅助能耗的50%，则一次回风系统的总能耗耗为：

2.2.3节能效率

新型系统采用电加热器进行溶液再生时，与一次回风再热式系统比较其节能效率：

新型系统采用太阳能集热器进行溶液再生时，与一次回风再热式系统比较其节能效率：

两种系统负荷分配比较见表2。

表2 夏季工况两种系统负荷分配比较

通过以上的计算和比较，易于发现，在相同条件下，该新型溶液除湿空调系统系统能耗远远小于常规系统的能耗，节能效果很显著。

3 结 论

基于地下水-太阳能工作的溶液除湿空调系统通过直接利用地下水储能处理新风，为冷辐射吊顶提供冷量及冷却除湿器中的盐溶液，实现低品位地热能直接利用；同时利用太阳能作为再生热源，节省电能，实现了可再生能源太阳能的高效利用。

(1) 利用地下水所储存的低品位能量预处理新风，降低新风的温度及含湿量，减小除湿器除湿负担，降低溶液输配能耗，即降低系统初投资及运行费用。

(2) 利用地下水冷却除湿溶液，提高溶液除湿能力，节省制备冷却水的能耗。

(3) 利用太阳能作为再生热源，用环境热量预热的低水蒸气分压力的室内排风作为再生空气源，可降低再生热源的温度，实现太阳能更大范围应用，以便提高除湿溶液再生效率和浓度，增强系统的除湿性能。

本系统实现低品位可再生能源地热能和太阳能的高效利用，具有有效节约化石能源、节省高品位电能，对环境无污染，提高人居环境质量等优点，由于该系统节能效果显著，机组性能稳定可靠，在地热资源丰富的热湿地区应用前景广阔。

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