双蒸发温度温湿度独立控制空调系统热力学分析

胡文举, 李赞欣

(北京建筑大学 环境与能源工程学院, 北京 102616)

1 概述

传统空调系统通常采用热湿耦合方式处理空气以实现室内降温除湿,难以精准控制室内空气温度和相对湿度,且系统运行能效低。温湿度独立控制(Temperature and Humidity Independent Control,简称THIC)空调系统以其在节能性和舒适性方面的显著优势,受到了广泛关注。汤海波等人[1]、崔雪梅等人[2]研究了住宅建筑采用高温冷源+冷凝除湿的THIC空调系统的负荷特性及系统性能,结果表明,该THIC空调系统可提高室内舒适度且节能效果显著。目前,在常见的THIC空调系统中,采用固体吸附除湿和液体吸收除湿是两种重要的除湿形式,学者进行了广泛的研究。冉广鹏等人[3]、刘异等人[4]提出了转轮除湿与辐射供冷联合供冷的运行方案,通过试验和热力学分析表明该运行方案可解决供冷期结露问题,且能提供良好的室内环境。杨晚生等人[5]通过搭建试验台对单、双级固体除湿系统的性能进行了研究,结果表明固体除湿装置具有良好的除湿性能,且双级固体除湿装置的除湿效率与单级相比有显著提高。罗良等人[6]将溶液除湿与冷却除湿相结合,提出了一种组合式除湿系统,通过建立数学模型对除湿系统性能进行了分析,结果表明,组合式除湿系统的能效比比单一溶液除湿系统有显著提高。梁泽德等人[7]提出了基于自然冷源驱动和太阳能再生的溶液除湿空调系统,并以青岛某综合楼作为研究对象计算耗电量,结果表明,该空调系统相比于传统风机盘管+新风空调制冷系统节电29.65%左右,具有更好的节能性。周苇杭等人[8]提出了一种低品位热驱动的工业建筑溶液除湿降温空调系统,并研究了溶液除湿新风机组性能,结果表明溶液除湿新风机组平均除湿效率高达61.2%,除湿效果显著。

综上所述,虽然固体除湿型和溶液除湿型THIC空调系统具有一定节能效果,但存在机组庞大、需配置再生设备等问题。冷凝除湿是一种成熟、稳定、可靠的除湿方式,在空调系统中广泛应用。因此,本文提出一种基于冷回收的双蒸发温度THIC空调系统(简称THIC空调系统),建立传统空调系统、THIC空调系统热力学模型。以北京市某办公室作为应用对象,分析计算传统空调系统、THIC空调系统热力学特性。传统空调系统、THIC空调系统均采用一次回风系统。

2 空调系统原理

2.1 传统空调系统

传统空调系统流程见图1。传统空调系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成。传统空调系统空气处理过程焓湿图见图2。图2中φ为空气相对湿度。传统空调系统采用热湿联合处理的方式处理空气,室外新风(状态点W)和室内回风(状态点N)混合至状态点C,经蒸发器减湿冷却至机器露点L(也是送风状态点)后送入室内。

1～4—制冷剂工况点; C—混风状态点; L—送风状态点。图1 传统空调系统流程

2.2 THIC空调系统

THIC空调系统流程见图3。THIC空调系统由高温制冷循环系统、低温制冷循环系统、冷回收器等组成。

1～5′—制冷剂工况点; N—室内状态点; N′—控温蒸发器出风状态点; W—室外状态点; L1—第一机器露点; L1′—冷回收器预冷出风状态点; L2—第二机器露点; O—冷回收器再热出风状态点; S—送风状态点。图3 THIC空调系统流程

高温制冷循环系统由控温压缩机、控温四通阀、冷凝器、控温膨胀阀、控温蒸发器、新风降温蒸发器组成,主要承担室内显热负荷与新风显热负荷。制冷工况,制冷剂顺序流过控温压缩机、控温四通阀、冷凝器、控温膨胀阀、控温蒸发器、新风降温蒸发器,最后经控温四通阀流回控温压缩机,完成高温制冷循环。

低温制冷循环由控湿压缩机、控湿四通阀、冷凝器、控湿膨胀阀、控湿蒸发器组成,主要承担湿负荷。制冷工况,制冷剂顺序流过控湿压缩机、控湿四通阀、冷凝器、控湿膨胀阀、控湿蒸发器,最后经控湿四通阀流回控湿压缩机,完成低温制冷循环。

冷回收器的作用在于降低低温制冷循环在除湿过程承担的显热负荷,将低温制冷循环制取的冷量最大限度用于除湿。

THIC空调系统空气处理过程焓湿图见图4。由图4可知,室内回风(状态点N)流经控温蒸发器温度下降至状态点N′。新风(状态点W)先经过新风降温蒸发器实现高蒸发温度下的降温除湿,被处理至第一机器露点L1后,进入冷回收器,被来自控湿蒸发器的低温空气降温除湿至状态点L1′,然后进入控湿蒸发器进行降温除湿,至第二机器露点L2。冷回收器再热出风(状态点O)与控温蒸发器出风(状态点N′)混合至状态点S后送入室内。

N—室内状态点; N′—控温蒸发器出风状态点; W—室外状态点;L1—第一机器露点; L1′—冷回收器预冷出风状态点;L2—第二机器露点; O—冷回收器再热出风状态点;S—送风状态点。图4 THIC空调系统空气处理过程焓湿图

3 热力学模型

3.1 制冷性能系数

空调系统制冷性能系数ICOP的计算式为:

(1)

式中ICOP——空调系统制冷性能系数

Φ——蒸发器制冷量,kW

Pcom——压缩机功耗,kW

Pfan——风机功耗,kW

THIC空调系统的制冷性能系数可分为总制冷性能系数以及高温制冷循环制冷性能系数、低温制冷循环制冷性能系数。计算高温制冷循环制冷性能系数、低温制冷循环制冷性能系数时,分别代入各自循环的蒸发器制冷量、压缩机功耗、风机功耗。

传统空调系统蒸发器制冷量Φ的计算式为:

Φ=qm(hC-hL)

(2)

式中qm——送风量,kg/s

hC、hL——传统空调系统混风状态点C、机器露点L空气比焓,kJ/kg

THIC空调系统的蒸发器制冷量分为高温制冷循环蒸发器制冷量、低温制冷循环蒸发器制冷量,高温制冷循环蒸发器制冷量为控温蒸发器制冷量、新风降温蒸发器制冷量之和,低温制冷循环蒸发器制冷量仅指控湿蒸发器制冷量。表达式为:

Φ=Φg1+Φg2+Φd

(3)

式中Φg1——控温蒸发器制冷量,kW

Φg2——新风降温蒸发器制冷量,kW

Φd——控湿蒸发器制冷量,kW

控温蒸发器制冷量Φg1的计算式为:

Φg1=qm,r(hN-hN′)

(4)

式中qm,r——回风量,kg/s

hN、hN′——THIC空调系统室内状态点N、控温蒸发器出风状态点N′空气比焓,kJ/kg

新风降温蒸发器制冷量Φg2的计算式为:

Φg2=qm,x(hW-hL1)

(5)

式中qm,x——新风量,kg/s

hW、hL1——THIC空调系统室外状态点W、第一机器露点L1空气比焓,kJ/kg

控湿蒸发器制冷量Φd的计算式为:

Φd=qm,x(hL1′-hL2)

(6)

式中hL1′、hL2——THIC空调系统冷回收器预冷出风状态点L1′、第二机器露点L2空气比焓,kJ/kg

压缩机功耗Pcom的计算式为:

(7)

式中qm,com——压缩机制冷剂质量流量,kg/s

hcom,o、hcom,in——压缩机出口、进口制冷剂比焓,kJ/kg

ηcom——压缩机效率,本文取0.765

传统空调系统的制冷剂质量流量按蒸发器制冷量与蒸发器进出口制冷剂比焓计算。THIC空调系统的制冷剂质量流量分为高温制冷循环制冷剂质量流量、低温制冷循环制冷剂质量流量,压缩机制冷剂质量流量可根据压缩机所在循环中蒸发器制冷量及蒸发器进出口制冷剂比焓计算得到。

风机功耗Pfan的计算式为:

(8)

式中q——送风量,m3/h

p——风机全压,Pa

ηfan——风机效率,本文取0.68

风机全压根据工程实际计算得到。

3.2 冷回收器节能率

与不带冷回收器的THIC空调系统相比,冷回收器节能率β的计算式为:

(9)

(10)

Φr=qm,x(hL1-hL1′)

(11)

式中β——冷回收器节能率

ΔP——冷回收器降低的功耗,kW

Φr——冷回收器回收冷量,kW

ICOP,L——低温制冷循环性能系数

ICOP,h——高温制冷循环性能系数

3.3 火用分析

为进一步进行热力学分析,本文还对THIC空调系统进行了火用分析[9]。

4 算例分析

4.1 算例概况

选取北京某办公室作为应用对象。办公室长×宽×高为6.5 m×5.0 m×3.0 m,外围护结构仅有南外墙,其他均为内墙,不存在传热。办公室内人员数量为8人,新风量取30 m3/(h·人),新风密度取1.2 kg/m3。供冷期,空调室内设计干球温度为26 ℃,室内设计相对湿度为54%,含湿量为11.5 g/kg。空调室外计算干球温度为33.5 ℃,室外计算相对湿度为57.7%。设计显热冷负荷为2.721 kW,设计潜热冷负荷为0.600 kW,设计室内空气除湿量为0.24 g/s。根据室内外空气设计参数和办公人员数量,可计算得设计新风负荷为2.184 kW,其中新风设计显热负荷为0.653 kW,设计新风除湿量为0.612 g/s。将设计显热冷负荷、设计潜热冷负荷与设计新风负荷求和,可计算得办公室空调系统冷负荷为5.505 kW。循环工质为R32,制冷系统的过冷度和过热度均为5 ℃。

4.2 空气状态点参数

① 传统空调系统

送风状态点L温度16.4 ℃、相对湿度90%,比焓43.5 kJ/kg。送风量0.275 kg/s,回风量0.195 kg/s。混风状态点C温度28.2 ℃、比焓63.5 kJ/kg。

② THIC空调系统

室内空气露点为16.0 ℃,为了保持高温制冷循环控温蒸发器处于干式状态(不发生凝露),制冷剂最低温度为16.0 ℃。假设控温蒸发器出风与制冷剂温差为6 ℃,则可得控温蒸发器出风状态点N′温度为22.0 ℃。假设新风处理W—L1阶段将室外状态点W处理到与控温蒸发器出风状态点N′相同的空气温度,则第一机器露点L1温度为22.0 ℃、相对湿度为90%。

根据室内湿负荷和新风量,第二机器露点L2含湿量dL2的计算式为:

(12)

式中dL2——THIC空调系统第二机器露点L2空气含湿量,g/kg

dN——THIC空调系统室内状态点N空气含湿量,g/kg

qm,c——设计室内空气除湿量,g/s

将已知参数代入式(12),可计算得到第二机器露点L2含湿量为8.5 g/kg。由于第二机器露点L2位于90%相对湿度线上,可确定第二机器露点L2温度为13.0 ℃、比焓为34.6 kJ/kg。假设冷回收器换热效率为70%,则可得THIC空调系统冷回收器再热出风状态点O的空气温度:

tO=tL2+ηt(tL1-tL2)

(13)

式中tO——THIC空调系统冷回收器再热出风状态点O的空气温度,℃

tL2——THIC空调系统第二机器露点L2的空气温度,℃

ηt——冷回收器换热效率,本文取0.7

tL1——THIC空调系统第一机器露点L1的空气温度,℃

根据式(13)与冷回收器能量守恒关系可确定冷回收器再热出风状态点O、冷回收器预冷出风状态点L1′的参数。当各空气状态点参数确定后,可计算各蒸发器制冷量及室内回风量(为0.513 kg/s)。最后,根据新回风比例即可确定室内送风状态点S的参数。THIC空调系统各空气状态点参数见表1。

表1 THIC空调系统各空气状态点参数

4.3 制冷剂参数

① 传统空调系统

传统空调系统的压焓图见图5。空调室外计算空气干球温度为33.5 ℃,假设冷凝温度与空气进口温差为15 ℃,则可知冷凝温度为48.5 ℃。传统空调系统送风温度(机器露点L温度)为16.4 ℃,假设蒸发温度与送风的温差为6 ℃,则蒸发温度为10.4 ℃。由此可确定传统空调系统制冷剂各状态点参数,见表2。

表2 传统空调系统制冷剂各状态点参数

图5 传统空调系统的压焓图

② THIC空调系统

THIC空调系统的压焓图见图6。由于室内空气露点为16 ℃,因此确定控温蒸发器、新风降温蒸发器的蒸发温度为16 ℃。经控湿蒸发器后的新风温度(第二机器露点L2温度)为13 ℃,假设蒸发温度与新风温度温差为6 ℃,由此可确定控湿蒸发器的蒸发温度为7 ℃。因此,可确定THIC空调系统制冷剂各状态点参数,见表3。

表3 THIC空调系统制冷剂各状态点参数

图6 THIC空调系统的压焓图

4.4 热力学性能分析

① 制冷性能系数

两种空调系统的制冷量、压缩机功耗、风机功耗见表4。由表4数据,可计算得到传统空调系统的制冷性能系数为3.56。THIC空调系统的制冷性能系数为3.91,其中高温制冷循环的制冷性能系数为4.27,低温制冷循环的制冷性能系数为3.22。

表4 两种空调系统的制冷量、压缩机功耗、风机功耗

由表4可知,THIC空调系统中,高温制冷循环承担总冷负荷的71.4%,低温制冷循环承担总冷负荷的28.6%。与传统空调系统相比,THIC空调系统的总功耗(指压缩机功耗与风机功耗之和)降低8.8%,但由于回风量增加,THIC空调系统的风机功耗升高2.94%。与传统空调系统相比,THIC空调系统的制冷性能系数提高9.83%。

② 冷回收器节能率

将已知参数代入式(11),可计算得到冷回收器回收冷量为0.512 kW。根据表4数据,由式(9)、(10)可计算得到,冷回收器节能率为2.77%。

③ 火用分析

由火用分析结果可知:与传统空调系统相比,THIC空调系统的火用效率提高10.4%,总火用损失减少105.84 W,降幅为10.95%。

5 结论

① THIC空调系统中,高温制冷循环承担总冷负荷的71.4%,低温制冷循环承担总冷负荷的28.6%。与传统空调系统相比,THIC空调系统的总功耗降低8.8%,但由于回风量增加,THIC空调系统的风机功耗升高2.94%。与传统空调系统相比,THIC空调系统的制冷性能系数提高9.83%。

② 冷回收器回收冷量为0.512 kW,冷回收器节能率为2.77%。

③ 与传统空调系统相比,THIC空调系统的火用效率提高10.4%,总火用损失减少105.84 W,降幅为10.95%。