不同热力方案的内燃机余热驱动转轮除湿复合空调系统

张雪梅，杨甜甜，李治昂，周新宏

（1.同济大学 机械与能源工程学院，上海 201800；2.浙江复筑乡村资源开发有限公司，浙江湖州 313300）

0 引言

冷热电联产（combined cooling，heating and power，CCHP）系统是天然气高效利用的关键技术之一，热湿独立控制的转轮除湿空调系统能有效提升室内空气品质，将两者相结合的CCHP 转轮除湿复合空调系统在燃烧天然气发电时可回收发动机余热用于除湿设备的再生，有利于提升能源利用率和室内空气品质、降低环境污染、平衡电力和天然气的供给（夏季为电峰气谷，而冬季为用气高峰期）［1］，弥补热湿联合处理冷凝除湿空调系统能耗高、难以满足动态热湿比需求、潮湿面易滋生霉菌等缺陷［2］。与采用电动压缩式空调的传统分供系统相比，内燃机驱动的CHP、CCHP转轮除湿复合空调系统均更具节能、环保和经济效益［3-4］。

据文献研究［3-10］，预冷型单级转轮除湿复合空调系统在大多数高温高湿条件下都无法将新风处理至所需状态（特指前人研究将预冷温度设为27 ℃的情况），故本文提出CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统和CCHP 两级转轮除湿复合空调系统，以提高新风机组的除湿能力和供能系统的能源利用效率。并以上海市某酒店建筑为研究对象，采用建筑能耗模拟软件DesignBuilder 计算建筑的各项负荷，基于Dymola仿真平台建立转轮除湿新风机组模型与供能系统模型，进行动态仿真，并对比分析两种复合空调系统与常规空调系统的能耗、在高温高湿条件下的除湿能力以及供能系统的节能减排效益。

1 工作原理

1.1 CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统

本系统采用“以热定电”运行模式，系统流程如图1 所示。

图1 CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统流程Fig.1 Process of CCHP pre-cooling dehumidification single-stage desiccant wheel hybrid air conditioning system

图2 CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统热力过程Fig.2 Thermodynamic process of CCHP pre-cooling dehumidification single-stage desiccant wheel hybrid air conditioning system

供冷季内燃机发电机组缸套水余热全部用于除湿转轮再生热和生活热水加热；烟气余热部分用于补充再生热和生活用水，剩余部分用于驱动双效溴化锂吸收式制冷机组。系统所需冷量由烟气型溴冷机（优先）和电制冷机共同供应。内燃机发电量优先满足用户本身电负荷，剩余电力销售给电网，差额部分则从电网购买。供暖季内燃机烟气、缸套水余热均用于建筑采暖和生活热水。过渡季空调系统关闭，内燃机烟气、缸套水余热均用于生活热水加热。

本系统为热湿独立控制的转轮除湿复合空调系统，空气处理热力过程如图2 所示。供冷季加热器1 关闭，室内湿负荷由新风机组（除湿转轮）承担，显热负荷由风机盘管承担（N →0）。新风处理侧：室外空气经预冷器冷凝除湿后经除湿转轮等焓降湿；再经转轮式显热交换器与再生侧空气进行显热交换，回收排风冷量；最后经表冷器等湿降温，将新风处理至所需状态送入室内。再生空气侧：室内排风经转轮式显热交换器回收处理侧空气显热，再由加热器2 加热至再生温度对除湿转轮进行实时再生，并将吸湿后的热湿空气排至室外。

供暖季新风机组仅开启转轮式显热交换器和加热器1。处理空气侧：室外空气经转轮式显热交换器回收排风余热，再由加热器等湿加热至所需温度送入室内。再生空气侧室内排风通过转轮式显热交换器释放余热后直接排至室外。室内热负荷由风机盘管承担（N →0）。

1.2 CCHP 两级转轮除湿复合空调系统

本系统流程如图3 所示，系统运行模式和供能方式与单级系统相同。供暖季新风机组仅开启转轮式显热交换器1 和加热器1，空气处理热力过程与单级系统相同。过渡季亦与单级系统相同。供冷季加热器1 关闭，空气处理热力过程如图4 所示。处理空气侧：室外空气经除湿转轮1等焓降湿后经转轮式显热交换器1 与部分再生侧空气进行显热交换；再经除湿转轮2 二次除湿，并经转轮式显热交换器2 与另一部分再生侧空气进行显热交换；最后经表冷器等湿降温至所需状态送入室内。再生空气侧：室内排风先与室外空气混合（N+1 →N'），混合后的再生空气分为两路（N'→7 →8 →9 和N'→10 →11 →12），分别导入转轮式显热交换器2 和转轮式显热交换器1与处理空气进行显热交换，再分别经加热器2 和加热器3 加热至再生温度，对除湿转轮2 和除湿转轮1 进行实时再生。

图3 CCHP 两级转轮除湿复合空调系统流程Fig.3 Process of CCHP two-stage desiccant wheel hybrid air conditioning system

图4 供冷季CCHP 两级转轮除湿复合空调系统热力过程Fig.4 Thermodynamic process of CCHP two-stage desiccant wheel hybrid air conditioning system in cooling season

图5 常规空调系统供冷季与供暖季逐时负荷Fig.5 Hourly load of conventional air-conditioning system in cooling season and heating season

2 案例分析

2.1 建筑负荷计算

本文以上海市某酒店建筑为研究对象，采用建筑能耗模拟软件DesignBuilder 计算建筑的各项负荷。该酒店1～5 层为裙楼，层高4.5 m，主要功能为酒店大堂、餐饮、宴会厅等；6～21 层为塔楼，层高4.2 m，主要功能为客房；建筑总面积为47 034.4 m2。根据相关要求进行空调分区［11］，并结合相关标准设定各分区室内设计参数。

通过模拟计算可得建筑全年逐时电负荷、生活热水负荷，供冷季逐时冷负荷（显热负荷+湿负荷）及供暖季逐时热负荷等。“风机盘管+新风机组”常规空调系统负荷模拟结果如图5 所示，室内显热负荷由风机盘管承担，湿负荷由新风机组承担，由图可见新风负荷占比较大。转轮除湿复合空调系统由风机盘管承担的负荷与常规空调系统相同，但新风处理侧热力过程不同，故需对转轮除湿新风机组能耗作详尽探讨。

2.2 新风机组动态仿真

在文献［4］中，本课题组基于Dymola 对转轮除湿系统与内燃机CHP 系统进行了建模，并以某医院内燃机CHP 系统的实际运行数据对系统的仿真结果进行了验证，其中逐月发电量最大误差及全年误差仅为3.85%，0.20%，逐月天然气耗量最大误差及全年误差仅为6.94%，0.76%。本文采用课题组Dymola 模型库中适用于本系统的内燃机、溴化锂吸收式制冷机、电制冷机等成熟模型，并基于效率法应用不规则网格的二维线性插值法对除湿转轮进行建模［7，12-13］（RUIVO 等［7］也对该效率参数插值法进行了有效验证），构建准确可靠的动态仿真模型。将处理侧入口空气的温、湿度范围设定为20～40 ℃和10～25 g/kg，并划分为5 个一定温湿度范围的四边形网格，每个网格包含5 个定点、4 个三角形，四边形内任意点的效率参数即可通过线性组合计算得出。利用制造商提供的软件采集除湿转轮处理侧出口的状态参数后，即可对网格使用效率参数二维线性插值求解。效率法即采用一组效率参数对（ηh，ηφ）对除湿转轮进行建模：

式中，h1,in，h1,out和h2,in分别为除湿转轮处理空气进、出口和再生空气进口焓值；ϕ1,in，ϕ1,out和ϕ2,in分别为除湿转轮处理空气进、出口和再生空气进口相对湿度。

2.2.1 CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统

根据相关设计标准和复合空调系统特点，主要运行参数设定为：新风仅承担湿负荷，送风温度与室内温度一致；室外空气温度＞20 ℃时，预冷器开启；再生温度设为55 ℃；冷冻水供/回水温度设为16/21 ℃；再生热水供水温度设为80 ℃；生活热水供水温度设为60 ℃。

供冷季，新风处理侧和再生空气参数逐时仿真结果如图6，7 所示，该系统在高温高湿条件下可有效地将新风处理至所需状态（温度：23 ℃，含湿量：4.2～8.6 g/kg）承担室内湿负荷；23 ℃室内回风经转轮式显热交换器加热至29～34 ℃，再由加热器2进一步加热至55 ℃对除湿转轮进行实时再生。

预冷器、表冷器的逐时供冷功率以及加热器2 的逐时加热功率如图8 所示，最大值分别为3 128，827，4 487 kW，总供冷功率最大为3 941 kW。

2.2.2 CCHP 两级转轮除湿复合空调系统

系统主要运行参数设定为：新风仅承担湿负荷，送风温度与室内温度一致；室外空气含湿量＜20 g/kg 且温度＜35 ℃时，再生温度设为“室外空气温度+35 ℃”；室外空气含湿量＜20 g/kg 且温度＞35 ℃或室外空气含湿量≥20 g/kg 时，再生温度设为70 ℃；冷冻水供回水温度、再生热水供水温度及生活热水供水温度设定同上。

供冷季，新风处理侧和再生空气参数逐时仿真结果如图7，9 所示，该系统在大部分情况下可将新风处理至所需状态，但在少数高温高湿条件下表现不如单级系统（温度：23 ℃，含湿量：2.8～13.3 g/kg）；室内回风与室外空气混合后为18～30 ℃，经转轮式显热交换器1，2 后温度分别上升至29～49 ℃、27～47 ℃，再经加热器2，3 进一步加热至55～70 ℃对除湿转轮1，2进行实时再生。表冷器逐时供冷功率以及加热器2，3 的逐时加热功率如图8 所示，最大值分别为2 516，4 865，5 099 kW，总加热功率最大为9 964 kW。

图7 单级系统、两级系统供冷季新风与再生空气含逐时含湿量变化Fig.7 Hourly moisture content changes of fresh air and regeneration air of single-stage system and two-stage system in cooling season

图8 单级系统、两级系统供冷季新风机组逐时能量需求Fig.8 Hourly energy demand of fresh air handling unit for single-stage system and two-stage system in cooling season

图9 两级系统供冷季新风、再生空气逐时温度变化Fig.9 Hourly temperature changes of fresh air and regeneration air of two-stage system in cooling season

由仿真结果可知，预冷除湿型单级系统的除湿能力与运行稳定性均优于两级系统，可以更好地承担除湿任务；两级系统需冷量虽降低，但需热量显著增大。

2.3 供能系统动态仿真

2.3.1 CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统

根据负荷计算和新风机组动态仿真结果，单级复合系统供冷季最大供冷功率为6 246 kW，除湿转轮再生热最大功率为4 487 kW，生活热水最大功率为2 173 kW；供暖季采暖功率最大为2 582 kW，生活热水最大功率为3 306 kW。

系统主要供能设备选型见表1。运行控制策略为：供冷季内燃机Ⅱ常开，烟气余热用于驱动溴冷机，缸套水余热用于承担部分生活热水，除湿转轮所需再生热以及剩余生活热水由2 台内燃机Ⅰ根据所需热量进行顺序启停。冷量优先由溴冷机承担，2 台电制冷机Ⅰ根据所需剩余冷量进行顺序启停。供暖季采暖负荷和生活热水由2 台内燃机Ⅰ根据所需热量进行顺序启停。过渡季，仅开启1 台内燃机Ⅰ用于生活热水供应。

表1 系统主要供能设备选型Tab.1 Model selection of main energy supply equipment of the system

运用Dymola 软件对供能系统进行动态仿真，动态仿真结果如图10，11 所示，系统月平均发电效率为34.88%～42.30%，电制冷机耗电量为1 115 462 kW·h，系统年发电量为26 859 067 kW·h，年燃气耗热量为66 032 618 kW·h。

图10 内燃机逐月发电量、耗气量和月平均发电效率Fig.10 Monthly power generation, gas consumption and average monthly power generation efficiency of internal combustion engine

图11 电制冷机组逐月耗电量Fig.11 Monthly electricity consumption of electrical chillers

2.3.2 CCHP 两级转轮除湿复合空调系统

两级系统供冷季最大供冷功率为4 821 kW，除湿转轮再生热最大功率为9 964 kW，生活热水最大功率为2 173 kW；供暖季与单级系统相同。

系统主要供能设备选型见表1。

运行控制策略为：供冷季内燃机Ⅱ常开，烟气余热用于驱动溴冷机，缸套水余热用于承担部分生活热水，除湿转轮所需再生热以及剩余生活热水由3 台内燃机根据所需热量进行顺序启停。冷量优先由溴冷机承担，2 台电制冷机Ⅱ根据所需剩余冷量进行顺序启停。供暖季采暖负荷和生活热水由内燃机Ⅰ（优先）和内燃机Ⅲ根据所需热量进行顺序启停。过渡季与单级系统相同。由图10，11 可知，与单级系统相比，两级系统月平均发电效率有小幅提升（34.88%～43.84%），电制冷机耗电量减少12.87%，年发电量提高50%，但年燃气耗热量亦增大40%。

3 结果讨论

3.1 空调系统能耗分析

由负荷计算和Dymola 仿真可得常规空调系统与两种转轮除湿复合空调系统的能耗对比见表2。不考虑除湿转轮再生热时，与常规空调系统相比，供冷季单级系统的制冷能耗降低11.6%，两级系统降低27.69%；供暖季单级系统与两级系统的供热能耗均降低64.35%。此外，两级系统供冷季的制冷能耗比单级系统降低18.2%，但除湿转轮再生热增加近1.2 倍。

表2 空调系统年能耗分析Tab.2 Analysis of annual energy consumption of air conditioning system kW

3.2 供能系统综合性能分析

CCHP 转轮除湿复合空调系统属于多能源输入、多能量输出、系统配置多样化的复杂供能系统，为评估其综合性能，除除湿能力外，根据供能系统动态仿真结果对两种复合空调系统与常规空调分供系统的节能性和环保性进行对比分析。

以系统的全年化石能源消耗总量F 作为节能性评价指标，假设电网购电量全部来自燃煤火电厂，则［14］：

式中，Fgrid为年电网净购电量产生的煤炭消耗量，kW·h；Fg为年天然气消耗量，kW·h；Fg,gb，Fg,pgu分别为锅炉、内燃机年天然气消耗量，kW·h；Egrid为年净购电量，kW·h；ηe，ηgrid分别为当地火电厂发电效率和电网输电效率。

供能系统排放的废气以CO2为主，且CO，SO2，NOx 等污染物的排放与CO2排放存在一定数量关系，故本文以全年CO2排放量C 作为环保性评价指标：

式中，eE为电力碳排放因子，根据《上海市温室气体排放核算与报告指南》与政府文件取eE=0.42 kg/（kW·h）；Eb，Es分别为年购电量和年售电量，kW·h；eN为天然气碳排放因子，取eN=0.056 1 kg/MJ；Qg为年天然气耗量，Nm3；HL为燃气低位热值，取HL=34.31 MJ/Nm3。

由表3 可知，与常规空调分供系统相比，CCHP 预冷除湿型单级系统和两级系统的全年化石能源消耗总量分别降低61.1%和77.85%，年CO2排放量分别减少30.08%和29.62%。

表3 供能系统综合性能对比Tab.3 Comparison of comprehensive performance of the energy supply system

4 结论

（1）与常规空调系统相比，供冷季预冷除湿型单级系统的制冷能耗降低11.6%，两级系统降低27.69%；供暖季预冷除湿型单级系统与两级系统的供热能耗均降低64.35%。转轮除湿空调系统具有较大节能潜力，尤其是两级系统。

（2）与预冷除湿型单级系统相比，两级系统需冷量虽降低18.2%，但再生热需求增加近1.2倍，且在少数高温高湿条件下的除湿能力与运行稳定性有所欠缺。

（3）与常规空调分供系统相比，CCHP 预冷除湿型单级系统和两级系统的全年化石能源消耗总量分别降低61.1%和77.85%，年CO2排放量分别减少30.08%和 29.62%，两种转轮除湿复合空调系统均更具节能潜力与环保效益。其中，预冷除湿型单级系统的除湿能力以及运行稳定性优于两级系统，但两级系统的节能性优于单级系统。