直接蒸发式冷却在温湿度独立控制系统中的应用

孟　杰

( 华东建设发展设计有限公司，上海 200023 )

直接蒸发式冷却在温湿度独立控制系统中的应用

孟杰

( 华东建设发展设计有限公司，上海 200023 )

[摘要]温湿度独立控制的空调系统的除湿方式多种多样，本文经过实例计算，比较不同的除湿方式不同的使用特点，提出直接蒸发式冷却除湿并冷凝热回收设备在实际工程中应用的可行性。

[关键词]除湿方式；直接蒸发式冷冻除湿；冷凝热热回收；经济性；可行性

引言

笔者曾设计一个项目，车间相对湿度要求较高，常规的冷冻除湿难以达到要求。由此，联想到不同的除湿方式各有优缺点，适应性不同。本文对不同湿度要求的项目，就其设计思路进行一些探讨和拓展，并对其可行性及经济性进行了比较。

1除湿方式

对一般温湿度独立控制的空调系统，有多种除湿方式，最常用的两种，分别为冷冻除湿以及转轮除湿。

1.1　冷冻除湿

1.1.1冷冻除湿原理：由于空气在不同的温度及压力下，空气中的水蒸气含量即绝对含湿量是不同的，一定压力下，绝对含湿量随着空气温度的降低而减小。当空气通过表冷器时，被表冷盘管冷却降温，当温度降至该分压力下的露点温度时，空气中的水蒸汽逐渐凝结，变成凝结水并析出，从而空气中的绝对含湿量得到降低，实现了除湿过程。

1.1.2常用的冷冻除湿类型：

(1)水冷式表面冷却器。使冷媒通过水盘管与空气进行热交换。一般用水或乙二醇溶液做冷媒的，则叫水冷式。

(2)直接蒸发式表面冷却器。直接用氟里昂等制冷剂做冷媒的，称为直接蒸发式。

1.1.3空气处理过程：以一次回风系统为例，空调系统的布置和空气处理过程：室外新风和室内回风混合，经表冷器冷却去湿，状态到达露点，再经热盘管再加热至送风点，沿热湿比线进入室内，消除室内热湿负荷。

1.2　转轮除湿

1.2.1转轮除湿原理：

转轮除湿机的核心部件是一个蜂窝状转轮，转轮由特殊陶瓷纤维载体和活性硅胶复合而成;转轮两侧由特制的密封装置将其分成两个区域:圆心角270°的处理区域及圆心角90°再生区域。当需要除湿的潮湿空气通过转轮的处理区域时，湿空气的水蒸汽被转轮的活性硅胶所吸附，干燥空气被处理风机送至需要处理的空间;而不断缓慢转动的转轮载着趋于饱和的水蒸汽进入再生区域;再生区内反向吹入的高温空气使得转轮中吸附的水份被脱附，被风机排出室外，从而使转轮恢复了吸湿的能力而成为再生过程，转轮不断的转动，上述的除湿及再生周而复始的进行，从而保证除湿机持续稳定的除湿状态。

1.2.2转轮除湿一次回风空调系统空气处理过程：

室外新风和室内回风混合，进入转轮除湿机，绝热去湿，温度上升，转轮除湿处理后的空气再经过空气处理机组，等湿冷却至送风点，沿热湿比线进入室内，消除室内热湿负荷。

2不同除湿方式的应用限制

在温湿度独立控制的空调系统中，不同的除湿方式的应用，关键在于送风温度。

水冷式冷冻除湿，冷冻水的供回水温度一般为7℃/12℃，经过冷却盘管后，考虑传热温差，能达到的露点温度将在13~17℃左右，若需要更低的露点温度，则必须改变冷媒温度，可采用乙二醇溶液作为冷媒，但是对整个空调系统有了限制，主机和其他末端必须采用乙二醇系统。

直接蒸发式冷却，露点温度通常可至7~8℃，甚至0℃左右。

冷冻除湿后的空气虽然湿度(含湿量)满足要求，但温度过低，为露点温度，还需要对空气进行再热处理，使之达到需要的送风温度，一般可以采用电加热或者再热盘管，造成了能源的浪费与损失。

转轮除湿，新风需先经初步预冷至露点，绝热除湿，再冷后达到送风状态点。但是再生耗能量比较大，此种方案也不是最经济的。

由于转轮除湿和冷却除湿各有所长，将其优化组合，各取所长，互补所短，会更好的发挥其效能。

转轮与冷却联合除湿空调系统，就是将具有冷热交换的冷却除湿循环系统与转轮除湿相结合，利用制冷系统的吸热除湿进行前期除湿，而利用转轮除湿机进行深度除湿。冷却除湿在一定的范围内除湿效果好，且性能稳定，冷却除湿作为前期除湿，突出了冷却除湿机高露点工况下能耗低的特点，利用转轮除湿进行深度除湿，突出了转轮除湿机低温低湿条件下，不受露点限制且除湿量大的优点。此种系统设备复杂，对自控要求较高。

在某些厂房车间，当系统不大，且其他系统没有冷冻水时，什么样的除湿方式，是经济可行的呢？

3举例说明不同除湿方式的使用条件

已知某厂房车间，面积780m2,车间净高7.6米。要求室内温度23±2℃，相对湿度40±10%。厂房其他车间仅有通风要求，办公室要求设置舒适性空调。

对车间设备的选择计算如下：

1)室外空气参数(上海)：

夏季：干球温度34.4℃，湿球温度27.9℃，焓i=89kJ/kg℃，大气压力1005.4 Mbar。

2)室内空气设计参数：

温度要求：23±2℃；湿度要求：40±10%。则：焓i=40.799 kJ/kg℃，含湿量d=6.911g/kg。

3)设备选择计算：

夏季工况下，计算室内冷负荷264.56kW，湿负荷3.726kg/h，热湿比255350 kJ/kg(61000 kcal/kg)。

满足排风和正压要求，总新风量18500CMH。

有洁净要求，按15次换气次数，循环风量L=88650CMH，取90000CMH。

定循环风量，新风比20%，选取送风状态点。

消除室内负荷风量L：

L=3600Q/(1.2·Δi)

Δi=3600Q/L×1.2=3600×264.56/(90000×1.2)=8.819 kJ/kg℃

送风点：

io=40.799-8.819=31.98 kJ/kg℃

则送风点参数为：to=14℃，相对湿度Φo=70%，do=6.911g/kg，送风温差9℃。

室内状态点沿热湿比线向下，交90%相对湿度线，为露点。

t1=10.3℃，Φ1=90%，i1=27.8 kJ/kg℃，d1=6.911g/kg。

以上为空气处理各状态点的计算过程，在设备选择时，若冷冻水进出水温7℃/12℃，采用水冷表冷器进行冷冻去湿很难达到露点温度10.3℃的要求。冷冻水温须5～6℃，低温供水工况将对冷冻机效率亦产生较大影响。我们讨论以下不同的处理方案。

3.1　方案一：采用组合式转轮除湿空调机组

空气处理过程见图1：

图1　组合式转轮除湿空调机组空气处理过程

新风比20%，混合点C参数：tc=25.3℃，ic=50.138 kJ/kg℃，Φc=49%，dc=9.775g/kg。

绝热除湿至B点：ib=50.138 kJ/kg℃，db=6.911g/kg，tb=33℃，Φb=22%。

送风点参数见上述计算过程，分别为：

to=14℃，Φo=70%，io=31.98 kJ/kg℃，do=6.911g/kg。

设备选择见表1(送风机机外余压按450Pa估算,转轮再生热源采用电加热，计算冷热量附加10%安全系数)：

表1方案一设备选择表

送风量(m3/h)新风量(m3/h)制冷量(kW)转轮除湿量(kg/h)机外余压(Pa)过滤段风机耗电量(kW/380V)再生耗电量(kW/380V)数量(台)300006200200113450G4/F8/H10303593

注：除湿转轮再生风量按10000m3/h,再生温度按140℃计算。

本方案中制冷由水冷式表冷器负担时，设计冷源采用螺杆式风冷热泵机组，额定制冷量660kW，主机侧消耗电量186kW(380V)(此参数按照开利中央空调样本选取)，系统配套设备，如循环水泵，水处理装置等的耗电量约17kW(380V)，本方案总耗电量为：

主机耗电量+配套设备耗电量+末端总耗电量=186+17+359×3=1280kW(380V)

3.2　方案二：采用直接蒸发式空调机组+电加热再热

空气处理过程见图2。

新风比20%，混合点C参数：tc=25.3℃，ic=50.138 kJ/kg℃，Φc=49%。

露点及送风点参数见上述计算过程，分别为：

t1=10.3℃，Φ1=90%，i1=27.8 kJ/kg℃，dl=6.911g/kg。

t0=14℃，Φ0=70%，i0=31.98 kJ/kg℃，d0=6.911g/kg。

设备选择见表2(送风机机外余压按450Pa估算,再热采用电加热，计算冷热量附加10%安全系数)。

本方案中制冷由直接蒸发式空调机组负担时，空调机组耗电量137kW(380V)(此参数按照某制冷设备厂商实验结果选取)，不包括其他如循环水泵等附属设备，本方案总耗电量为：

空调机组耗电量(含制冷压缩机耗电量，风机耗电量，电加热耗电量)=137×3=411 kW。

图2　直接蒸发式空调机组+电加热再热空气处理过程

表2方案二设备选择表

送风量(m3/h)新风量(m3/h)制冷量(kW)电再热量(kW)过滤段机外余压(Pa)耗电量(kW/380V)数量(台)30000620024546G4/F8/H104501373

4提出设想

在上例的工程中，某些室内参数要求范围内，可采用直接蒸发冷冻除湿，蒸发温度7～8℃，露点在某范围内可实现冷冻除湿，但再热部分，不利用电能，而是采用蒸发器冷凝热回收原理，冷凝器部分冷媒旁通回送风管前端，实现再热。室内热回收段加室外冷凝器段，按需要制冷剂流量控制。流程如图1。

将冷凝废热作为再热使用，避免使用传统电加热和其他加热方式进行再热，在节约能源同时，达到控制送风湿度的目的。再热阀可采用可线性调节的电动阀PID控制，使送风湿度控制更精确。

设备选择计算同普通组合式空调系统。可利用部分冷凝热再热送风，同时提高了机组效率。以上例参数为例，设备参数见表3(送风机机外余压按450Pa估算,计算冷热量附加10%安全系数)。

本方案总耗电量即为空调机组耗电量(含制冷压缩机耗电量，风机耗电量)，无需电加热再热，空调机组性能系数即COP可达2.69。

图1　除湿流程

表3设备参数

送风量(m3/h)新风量(m3/h)制冷量(kW)回收再热量(kW)过滤段机外余压(Pa)耗电量(kW/380V)30000620024546G4/F8/H1045091

5经济性比较

同一项目要求(以上述工程为例)，要求风量下，末端设备采用转轮除湿空调机组和直接蒸发冷凝热回收机组的项目投资及运行比较如表4。

表4项目投资及运行比较

项目转轮除湿系统(万元)直接蒸发冷凝热回收(万元)设备价格2622.44水泵等主系统设备价格5.5无空调箱价格39无风管管材等风系统耗材5050水管管材等水系统耗材8无主要耗电(日)1.1950.255初投资24072.44运行费用(年)436.17593.075

注：1)以上价格均由相关工程实际投资费用估算得出，设备价格均为面价。

2)耗电费用按每天一班，每班8小时，全年无休计算。电费按上海工业用电基本电费1档单价1.167元/kWh计算。

可见，同样规模的工程，如能采用直接蒸发冷凝热回收式机组，无论初投资，还是运行费用，均比较节约，能耗小，材料少，投资回收期大大减短。

且直接蒸发冷凝热回收式机组为单元式机组，只需合适的机房或屋面，系统简单，无复杂的水系统管路及各种辅助设备，施工和后期维护都较空调水管系统简单易行。

6结论

冷冻除湿，无论是水冷表冷器或是直接蒸发式表冷器，使用与否关键在于所需的露点温度。由以上论述可知，在相当一部分情况下，直接蒸发冷凝热回收有相当的实用性。但当室内要求相对湿度更低，或室内设计温度更低时，比如室内温度20℃，相对湿度35%，则露点为t=5.5℃，Φ=90%。如此低的露点，直接蒸发机组虽能达到，但蒸发器也有结霜的风险，转轮除湿依然是非常可靠且便于设计的，因此对应不同的项目，应根据不同情况要求合理选择。

7参考文献

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].(第二版).北京：中国建筑工业出版社，2008

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[3] 陈家源.转轮除湿与冷却除湿相结合的复合式除湿工艺空调系统[J].建筑热能通风空调，2002，(4)：31-35

* 苏鹏，喻李葵.转轮除湿空调系统研究进展[A].中国建筑学会建筑热能动力分会第十六届学术交流大会论文集,2009

Analysis on Direct Eevaporation Dehumidification Application in Temperature and Humidity Independent Control System

MENG Jie

(Shanghai East China Construction & Development Co.,Ltd，Shanghai 200023)

Abstract：Individual humidity control method is various in a temperature and humidity independent control air conditioning system,In this article,author will use calculation data to apply it in an actual case.Different characteristic in different dehumidifying method will be introduced.and there is feasibility to use a direct evaporative cooler and condensing heat recovery equipment in practical engineering.

Key words:Dehumidification method；Direct evaporative refrigeration dehumidifier；Condensing heat recovery；Economical；Feasibility

[中图分类号]TU831[文献标示码]B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.010

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-046-05

作者简介：孟杰(1982-)，女，工程师，主要从事工业及公建项目暖通空调系统设计。Email:joyhear@163.com

收稿日期：2014-10-22