溶液除湿蒸发冷却系统在不同气候地区的优化选择

李霜玲，彭冬根，周君明

（南昌大学，江西南昌 330031）

1 前言

据统计，我国公共建筑的空调能耗约占建筑总能耗的 22%～50%［1］，国内外学者 基于此对新型空调系统进行了大量的研究［2～6］。我国西北地区气候干燥，含湿量低，干湿球温度温差大，独特的气候环境使得蒸发冷却技术在兰州、西安、新疆等地得到了大量应用［7～9］。而在我国南方，气候湿润，干湿球温度温差较小，单独使用蒸发冷却技术不能满足舒适性的要求，还应与除湿技术相结合。溶液除湿与蒸发冷却技术的有机结合，使得蒸发冷却技术的应用不仅仅局限于干燥地区，还能应用于高温高湿的南方，从而充分发挥其节能、环保的优势［10～13］。目前对该种空调系统的研究主要集中在如何提升空调部件的性能上，而系统整体性能的研究较少［14～19］。本文对多种除湿蒸发空调系统进行分析研究，通过为不同气候城市选择较适合的空调系统，有效地降低空调使用能耗提供参考。

2 溶液除湿蒸发冷却系统

溶液除湿蒸发冷却系统是一种新型的空调系统，由溶液除湿与再生循环、空气处理循环和水循环三部分构成。其中溶液除湿循环负责将室外空气或室外与室内排风混合的空气处理到合适的湿度，使之承担室内全部的潜热负荷，再利用蒸发冷却技术将空气处理到合适的温湿度范围。

2.1 空气处理循环

图1中6种溶液除湿蒸发冷却系统的空气处理循环分别由全热交换器（EX）、除湿器、再循环蒸发冷却器（REC）、空气-水热交换器（AWHX）、空气-空气热交换器（AAHX）、间接蒸发冷却器（IEC）、直接蒸发冷却器（DEC）组合而成。

图1 6种溶液除湿蒸发冷却系统C1～C6和5种蒸发冷却系统R1～R5空调部件的组成

如循环C1，质量流量为ma的室外新风与部分室内排风直接接触，图1（b）中线O-1代表室外新风被温度较低且更干燥的排风预冷除湿的过程；经过预处理后的空气进入除湿器，由于水蒸气分压力差的作用，空气被进一步除湿。而水蒸气从气态到液态会释放大量汽化潜热，因此空气温度随之升高（线1-2）；升温除湿后的空气在AWHX中由从冷却塔送来的冷水等湿冷却（线2-3），再送入REC进一步冷却（线3-4），最后送入室内，完成空气处理循环。循环C1的特点是送风温度较低，制冷量相对较小。这是由于有50%的空气在REC中先被冷却到低于其露点温度，再用于冷却余下还未被处理的空气，最后被排往大气。这将导致系统的送风质量减半，制冷量较小，但是可以用于低温送风。与循环C1相同，循环C2，C4和C6均选取了EX对室内排风进行了全热回收。循环C2，C3，C4利用DEC、AAHX和IEC的组合，循环C5和C6利用AWHX和IEC的组合，来替代循环C1中AAHX和REC的组合。其中，DEC和AAHX的组合与IEC的工作原理相同，先使用DEC冷却室内空气作为二次空气，再利用AAHX间接冷却过程空气。除了循环C5，其他循环的IEC均选用室外空气作为二次空气。

2.2 溶液除湿与再生循环

图1（c）～（e）与图1（a）的溶液除湿与再生循环相同，所以文中只给出了图1（a）的溶液除湿与再生循环原理图。

溶液除湿与再生循环是溶液除湿蒸发冷却系统的核心，高浓度的除湿溶液与被处 理空气直接接触，由于水蒸气分压力差的作用，空气中的水蒸气被溶液吸收。从除湿器内出来的稀溶液经过溶液热交换器升温后进入再热器内进一步的加热。被加热的溶液达到再生温度后进入溶液再生器内，再生器内的水蒸气输送过程正好与除湿器相反，溶液里面的水蒸气不断扩散至空气中，完成除湿溶液的再生过程。再生后的浓溶液经过溶液热交换器降温后通过冷却水进一步的降温，恢复除湿能力后重新进入除湿器内对需处理空气进行除湿，完成溶液循环。

2.3 冷热水循环

冷却塔的冷却水可用于冷却空气和再生后的浓溶液。再热器的热水可以用于加热除湿后的稀溶液。有日照的时候，可以利用太阳能来提供热水，无日照的时候，可以连接电加热器等辅助热源来提供热水。

3 蒸发冷却系统

西北地区气候干燥，含湿量低，不需要对室外空气单独进行除湿。将6种溶液除湿蒸发冷却系统除去除湿器和全热交换器就组成了5种蒸发冷却系统。蒸发冷却系统的组成原理图由加粗框线表示。其中，DEC和IEC从室内回收热量时，空气的质量流量均为ma。

4 模型建立

在模型建立的过程中，采用如下假设条件：

（1）冷却水的温度比室外空气的湿球温度高3 ℃。

（2）室内空气的状态参数为：干球温度26 ℃，相对湿度60%。

（3）浓溶液与空气的质量流量比为0.9。

（4）热水温度65 ℃。

（5）所有空调部件的效 率均为常数0.7［20～22］。

4.1 热质交换模型

再生器、除湿器、全热交换器的性能采用焓效率和湿效率来表示：

式中 εh，εd——焓效率、湿效率

din，dout——进、出口空气的含湿量，g/kg

hin，hout——进、出口空气的比焓，kJ/kg

heq——按理想热力过程计 算的出口空气焓和，kJ/kg

deq——按理想热力过程计算的出口空气含湿量，g/kg

4.2 热交换模型

空气-空气热交换器、溶液-溶液热交换器、再热器、空气-水热交换器等的性能采用热效率来表示：

式中 ta，in，ta，out——各个部件的空气进、出口温度，℃

tls，trs——冷、热水温度，℃

tdew——室外或室内空气的露点温度，℃

4.3 溶液侧质量守恒

溶液侧质量守恒方程：

式中 Msol，d，Msol，c——稀、浓溶液质量流量，kg/s

4.4 溶液侧能量守恒

溶液侧能量守恒方程：

式中 Cpd，Cpc—— 稀、浓 溶 液 的 比 热 容，kJ/（kg·K）

Md，Mc——稀、浓溶液的质量，kg

Td，in，Td，out——进、出口稀溶液的温度，K

Tc，in，Tc，out——为进、出口浓溶液的温度，K

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4.5 新风获得冷量

新风获得冷量为：

式中 Qcc——新风获得冷量，kW

ma——空气质量流量，kg/s

hOA——室外空气的比焓，kJ/kg

hSA——送风的比焓，kJ/kg

4.6 再生热量Qreg

再生热量为：

式中 Qreg——再生热量，kW

TRHX，in，TRHX，out——再热器进、出口溶液温度，℃

4.7 系统热力系数

系统总能耗分为系统再生加热的耗能以及辅助电能耗，但辅助电耗能一般不超过再生加热耗能的10［12］，故系统热力系数η（不考虑电耗能）为：

5 结果分析

在Matlab平台，选取室外空气参数［23］，联立求解系统所有部件的效率方程、质量和能量守恒方程、以及氯化锂溶液热物理性质相关的方程［24］，以制冷量、系统热力系数等参数作为指标，比较不同循环的性 能。

5.1 南方气候带的系统性能分析

根据地理位置和建筑气候分区的不同，选择广州、海口代表夏热冬暖地区的典型气候，选择上海、南昌代表夏热冬冷地区的典型气候。图2，3为南昌、广州2个城市分别选用6种溶液除湿蒸发冷却系统时空调系统的系统热力系数COP、制冷量Q、送风温度t4、送风湿度d4的变化曲线。

图2 南昌地区循环C1～C6的性能比较

图3 广州地区循环C1～C6的性能比较

如图2（a）所示，在南昌地区选用不同的空调循环，其送风参数产生了较大的变化。具体表现为选用循环C1时制冷量最小，为21.1 kJ/kg，选用循环C6时制冷量最大，为42.3 kJ/kg；选用循环C1时送风温度最小，t4为20.3 ℃；选用其他循环时送风温度在22～24 ℃范围内；选用循环C3和C5时送风湿度最大，均为0.0122 kg/kg，选用循环C6时送风湿度最小，为0.0094 kg/kg。原因是循环C1选用REC作为空调部件，空气进入REC后，部分空气经过冷却后作为二次空气冷却剩余的空气，然后排往室外。使得送风的质量流量减半，制冷量最小。与其他空调部件相比，REC可以实现将入口空气的温度降低到接近露点温度，REC所制取空气的送风温度也最低。结合数据分析，循环C2、C4和C6对室外空气进行除湿前，均选用全热交换器对室内排风进行全热回收，所以制取的冷量较大。其中，循环C6全热回收的室内排风质量流量最大，所以制取的冷量最大。系统热力系数的变化与制冷量的变化非常接近，原因是再生热量变化在0.97～1.55 kJ/kg范围内，使得制冷量成为系统热力系数变化的主要影响因素。循环C3和循环C5中仅有除湿器有减湿作用，其他过程均为等湿过程，所制取的空气湿度最高。循环C6的全热交换器和除湿器均有减湿作用，且循环C6全热回收的室内排风质量流量较其他循环大，所以循环C6的送风湿度较低。选用AWHX对进入循环C2的室外空气进行等湿冷却预处理，就组成了循环C4。由于循环2与循环4的各项数据都很接近，说明在循环C2前设置AWHX对循环性能的提升效果不明显。

从图2，3可知：在潮湿的南方气候带，循环C6的送风湿度最低，系统热力系数最高，是最佳循环；循环C1可用于低温送风。

5.2 西北气候带的系统性能分析

根据湿球温度划分区域的不同，选择银川和呼和浩特代表高适应区的典型气候，选择西安和吐鲁番代表适应区的典型气候［25］。图4为4个城市分别选用5种蒸发冷却系统时空调系统的制冷量、送风温度的变化时得到的曲线。

如图4所示，呼和浩特地区选用循环R3时制冷量最大，其他地区选用循环R4时制冷量最大，4个地区选用循环R1时制冷量均为最小；西安地区选用循环R4时送风温度最低，其他地区选用循环R1时送风温度均为最低，4个地区选用循环R5时送风温度均为最高。原因是循环C1选用REC作为空调部件，使得送风的质量流量减半，制冷量最小。REC可以实现将入口空气的温度降低到接近露点温度，所以送风温度也较低。但是西安地区含湿量较大，露点温度较高，导致送风温度也较高，说明循环R1不适用于中湿度地区的低温送风。选用直接蒸发冷却器与AAHX的组合对送入循环R5的室内空气进行热回收或选用AWHX对进入循环R2的室外空气进行预冷， 就组成了循环R3，所以循环R3制取的冷量大于循环R5和循环R2。循环R4选用的IE C 以室内排风为二次空气，与选用室外空气作为二次空气的循环R5相比，能有效的利用室内排风湿球温度较低的特点，使得送风的温度低，制冷 量大。对于中湿度地区，选 用IEC对循环R3的制冷性能的提升效果低于2.4%，所以选用循环R4更节能且制冷量更高。

6 结论

（1）选用全热交换器对室内排风进行热回收，有效地提升了循环C6的除湿性能和制冷量，使得循环C6的送风湿度最低，系统热力系数最高，最适 用于潮湿的南方气候带。

（2）选用REC作为空调部 件，可以实现将入口空气的温度降低到接近露点温度，有效地提升循环C1的冷却性能，使得循环C1送风温度最低，可用于南方地区的低温送风。

（3）选用AWHX对新风进行预处理对提升循环C4性能的效果不明显。

（4）选用IEC对室内排风进行热回收，有效地提升了循环R4的制冷量。

（5）循环R1可应用于西北干燥地区的低温送风。

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