利用各種排熱驅(qū)動(dòng)的新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)

利用各種排熱驅(qū)動(dòng)的新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)摘要：本文分析了現(xiàn)行吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)存在的問題，對(duì)開發(fā)的新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)造、運(yùn)轉(zhuǎn)原理、性能特性，實(shí)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論作了詳細(xì)闡述。為該新型節(jié)能環(huán)保型空調(diào)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指南。關(guān)鍵字：吸附式熱電并給蜂窩式除濕轉(zhuǎn)輪廢熱利用1．前言由于吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)可以對(duì)空氣的溫度和濕度分別加以處理，使其近年來在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于上述情況，我們從數(shù)年前開始了對(duì)吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)性能改進(jìn)及實(shí)用化的開發(fā)研究。特別是針對(duì)近年來各種分布型熱電并給系統(tǒng)不斷普及的現(xiàn)狀，成功地開發(fā)了一種可以直接利用各種排熱的新型高性能吸附式除濕空調(diào)機(jī)。本文闡述了這一新型高性能吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理、性能特性，以及實(shí)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論。2．現(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的概念是1960年代提出的，1980年代各國(guó)的研究人員開始從實(shí)驗(yàn)及模擬計(jì)算兩方面對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究1-6）。其典型的流程如圖1所示，由蜂窩式吸附除濕轉(zhuǎn)輪、顯熱交換轉(zhuǎn)輪、再生空氣加熱器、直接蒸發(fā)式冷卻器、風(fēng)機(jī)等構(gòu)成。該空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)空氣狀態(tài)變化過程在空氣焓濕圖上表示的結(jié)果如圖2所示。新風(fēng)風(fēng)機(jī)將室外空氣OA送到吸附除濕轉(zhuǎn)輪的除濕區(qū)，空氣中的水分被除濕轉(zhuǎn)輪所吸附，由于有吸附熱發(fā)生空氣溫度會(huì)升高(1→2)。經(jīng)過顯熱交換轉(zhuǎn)輪與從空調(diào)對(duì)象室內(nèi)的排氣RA進(jìn)行熱交換，其被冷卻到室溫狀態(tài)(2→3)。然后，通過直接蒸發(fā)式冷卻器，向此干燥空氣中噴水，借助水的蒸發(fā)潛熱使空氣進(jìn)一步等焓冷卻到較低溫度（3→4），冷風(fēng)被送到空調(diào)對(duì)象室內(nèi)。另一方面，從空調(diào)對(duì)象室內(nèi)返回的換氣RA首先經(jīng)過直接蒸發(fā)冷卻器，借助噴霧水的蒸發(fā)，將空氣等焓冷卻到較低溫度(5→6)，然后通過顯熱交換轉(zhuǎn)輪與除濕后的空氣進(jìn)行熱交換，在冷卻被干燥空氣的同時(shí)，自身被加熱(6→7),再經(jīng)過再生空氣加熱器被加熱到再生溫度(7→8)后送到吸附除濕轉(zhuǎn)輪的再生部，將除濕轉(zhuǎn)輪吸附的水分脫附，使除濕轉(zhuǎn)輪得到再生。再生后的空氣被排放到大氣中(8→9)。對(duì)這一空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程分析可以看出該吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)存在著以下的問題：（1）隨著顯熱交換轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，會(huì)有一部分高濕度的換氣RA被轉(zhuǎn)輪攜帶到冷風(fēng)SA側(cè)（這一現(xiàn)象也被稱為內(nèi)部泄漏）；（2）由于顯熱交換轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部泄漏，會(huì)將室內(nèi)被香煙、人體的汗味，或者是其他揮發(fā)性有機(jī)物污染的空氣帶到冷風(fēng)中，造成所謂交叉污染；（3）系統(tǒng)設(shè)備多，制造成本高。為了冷卻冷風(fēng)空氣SA，需要直接蒸發(fā)冷卻器和顯熱交換轉(zhuǎn)輪兩臺(tái)設(shè)備；（4）熱交換器效率較低，直接蒸發(fā)冷卻器+顯熱交換轉(zhuǎn)輪的綜合熱交換效率低于80%；（5）排熱回收利用率較低?，F(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)是將排熱轉(zhuǎn)換成熱水后再利用，通常從廢熱鍋爐仍然要排出100℃左右的氣體，加上廢熱鍋爐及熱水配管的熱損失，排熱回收利用率大大降低；（6）由于使用熱水作為再生空氣加熱的熱源，再生空氣溫度只能達(dá)到約80℃，其再生效率較低7）。3．新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)3．1高性能吸附式除濕轉(zhuǎn)輪及其最佳再生方法探討在吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)中，雖然除濕過程(1→2)中空氣的焓值沒有降低，但是由于除濕轉(zhuǎn)輪將空氣的潛熱轉(zhuǎn)換成了顯熱，這為后續(xù)的熱交換及冷卻過程降低空氣的焓值奠定了基礎(chǔ)。因此，高性能的除濕轉(zhuǎn)輪是實(shí)現(xiàn)高性能的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的先決條件。在設(shè)想排熱熱源溫度為150℃以上的前提下，對(duì)除濕轉(zhuǎn)輪的最佳再生方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究7)。實(shí)驗(yàn)方法如下，選用了直徑300mm，厚度200mm的除濕轉(zhuǎn)輪SSCR-U，在其處理風(fēng)量（224m3/h）、及再生空氣加熱用能量（3.64kw）一定的前提下，改變?cè)偕諝獾臏囟?，?duì)除濕轉(zhuǎn)輪的除濕性能進(jìn)行測(cè)試。而且，為了消除再生空氣面風(fēng)速的影響，制作了三種不同再生區(qū)面積比的除濕轉(zhuǎn)輪實(shí)驗(yàn)用風(fēng)洞，使再生空氣面風(fēng)速維持在2m/s。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)條件在表1中給出。表1除濕轉(zhuǎn)輪性能實(shí)驗(yàn)條件一覽表流程類型低溫再生標(biāo)準(zhǔn)再生高溫再生再生區(qū)/處理區(qū)區(qū)1/11/31/4再生用能量(kkW)3.64再生空氣溫度((℃)80130155再生風(fēng)量OR((m3/h)22411289.6再生風(fēng)速VR((m/s))2.02.02.0處理風(fēng)量QP((m3/h)224處理風(fēng)速VP((m/s))21.331.25風(fēng)量比QR/QQP1/11/21/2.5處理入口空氣溫溫度(℃)30再生空氣濕度((g/kgg)再生空氣濕度與與處理空氣氣濕度相同同轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速N(rrph)141211.5當(dāng)空氣濕度低于XP1=13g/kg時(shí)，高溫再生流程的除濕性能顯現(xiàn)出若干優(yōu)勢(shì)。但是，在入口濕度高于XP1=13g/kg的條件下，標(biāo)準(zhǔn)再生流程的除濕性能變得最好。原因是：再生空氣溫度越高，其相對(duì)濕度就越低，除濕轉(zhuǎn)輪的再生程度也就越好，因此在低濕度范圍內(nèi)，提高再生溫度可以得到濕度更低的干燥空氣。另一方面，根據(jù)物質(zhì)（水分）衡算、熱量衡算關(guān)系可知，再生出口空氣含濕量將以再生風(fēng)量比的倒數(shù)的倍率關(guān)系隨處理空氣除濕量的增加而變化，再生空氣溫度下降與處理空氣溫升之比例系數(shù)則是再生風(fēng)量比的倒數(shù)。在高濕度范圍內(nèi)，隨著處理空氣除濕量的增加，對(duì)于再生空氣量較少的高溫再生流程而言，再生區(qū)出口空氣的濕度變得很高，其溫度卻降到較低。致使再生空氣在出口附近的相對(duì)濕度高于處理空氣，發(fā)生再生空氣中的水分被除濕轉(zhuǎn)輪所吸附的逆向過程，其除濕性能必然降低。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)再生流程、高溫再生流程而言，低溫再生流程的除濕性能在全濕度范圍內(nèi)均較低。這是由于再生溫度越低，除濕轉(zhuǎn)輪被再生的程度就越差，離開除濕轉(zhuǎn)輪的處理出口空氣的濕度自然也就很難降到較低程度。因此，當(dāng)排熱熱源溫度在150℃以上時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)再生流程，比現(xiàn)行的采用低溫再生型除濕轉(zhuǎn)輪的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)，無論是在潛熱處理能力、還是在能量利用效率（減少有效能損失）方面都會(huì)有很大的改善。3．2高效率顯熱除去裝置的開發(fā)與潛熱處理設(shè)備--除濕轉(zhuǎn)輪一樣，顯熱處理設(shè)備—顯熱交換器對(duì)吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)來說也是一個(gè)非常重要的設(shè)備。圖4叉流型間接氣化冷卻器流程概略圖作者研發(fā)了一種用于吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的高效率，無內(nèi)部泄漏、無交叉污染發(fā)生的特殊構(gòu)造叉流型間接氣化冷卻器10）。其構(gòu)造及運(yùn)轉(zhuǎn)原理如圖4所示。為了與其他類型的熱交換器性能進(jìn)行比較，同時(shí)給出了顯熱交換轉(zhuǎn)輪、普通的叉流型顯熱交換器的測(cè)定結(jié)果。結(jié)果表明：間接氣化冷卻器比普通的叉流型顯熱交換器、以及顯熱交換轉(zhuǎn)輪的熱交換效率都好。以面風(fēng)速2m/s的操作條件為例，開發(fā)的間接氣化冷卻器的熱交換效率卻達(dá)到了85%，比顯熱交換轉(zhuǎn)輪的熱交換效率高5%左右。同時(shí)，壓力損失在三種熱交換器中最小。綜上研究，開發(fā)了一種用于與各種分布型發(fā)電設(shè)備配套的熱電并給系統(tǒng)用新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)，如圖6所示。其運(yùn)轉(zhuǎn)原理與現(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)基本相同，即首先對(duì)空氣進(jìn)行除濕，然后再對(duì)其進(jìn)行冷卻處理。該系統(tǒng)有如下的特性：（1）根除了顯熱交換轉(zhuǎn)輪所存在的由換氣側(cè)向冷風(fēng)側(cè)的水分?jǐn)y帶問題及所謂交叉污染的問題；（2）提高了熱交換效率，降低了冷風(fēng)的溫度及焓值；（3）由于采用了排熱氣體直接用于除濕轉(zhuǎn)輪的再生，降低了廢熱鍋爐及熱水供水管等過程約30%的熱損失；（4）突破了現(xiàn)行的吸附式除濕空調(diào)系再生溫度只能達(dá)到80℃的界限。再生效率可提高20～30%；（5）減少了構(gòu)成設(shè)備，降低了造價(jià)。4．實(shí)證實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果討論為了對(duì)上述空調(diào)系統(tǒng)的性能從實(shí)驗(yàn)上加以確認(rèn)，自2001年1月起，在株式會(huì)社西部技研辦公大樓設(shè)置了一臺(tái)冷風(fēng)量為5500m3/h的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)及與其配套的發(fā)電能力為28kW的微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)所構(gòu)成的一個(gè)熱電并給系統(tǒng)。進(jìn)行了為期1年的實(shí)證實(shí)驗(yàn)。4．1實(shí)證實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)概要實(shí)證實(shí)驗(yàn)是由開發(fā)的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)（概要見表2），和美國(guó)CapstoneTurbineCorporation公司制造的微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)（MicroGasTurbineGenerator，概要見表3）所構(gòu)成的熱電并給系統(tǒng)。該熱電并給系統(tǒng)設(shè)備配置如圖7所示。照片的左側(cè)為微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)，右側(cè)為新型吸附式除濕空調(diào)機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)排出的排氣的溫度約為275℃。將其與用來冷卻發(fā)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)成設(shè)備的溫度約為65℃的被稱為低溫排熱的空氣混合后，直接用作吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源—再生除濕轉(zhuǎn)輪。表2新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)概要冷風(fēng)風(fēng)量5，500m3/hh制冷能力*（夏夏季）顯熱：9.4kkW合計(jì)：53.44kW潛熱：44kWW加熱能力*（冬冬季）顯熱：46.11kW合計(jì)：68.11kW潛熱：22kWW外形尺寸2200(H))×33880(L))×14550(W))運(yùn)轉(zhuǎn)方式制冷、供暖、換換氣（可切切換）*制冷、加熱能力計(jì)算基準(zhǔn)：外氣條件夏季：溫度32℃，相對(duì)濕度65%冬季：溫度2℃，相對(duì)濕度57%室內(nèi)條件夏季：溫度27℃，相對(duì)濕度55%冬季：溫度22℃，相對(duì)濕度50%表3微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)概要制造廠商美國(guó)（CapsstoneeTurrbineeCorrporaationn）發(fā)電能力28kW燃料消費(fèi)112.1kWW發(fā)電效率26%最高轉(zhuǎn)速96,000rrpm排氣中NOx9ppm(O22＝15%))外形尺寸2040（H）×20000（L）×800（W）圖7實(shí)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成4．2系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況及結(jié)果討論開發(fā)的這一吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)，不僅可以用于夏季的制冷，而且也可以用于冬季的供暖，及中間期的換氣運(yùn)轉(zhuǎn)。這里，僅對(duì)夏季的制冷運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作詳細(xì)討論。由于該空調(diào)系統(tǒng)向空調(diào)室內(nèi)供給的空氣全部為新鮮的室外空氣，因此，其冷卻能力CC(kW)可由下面的公式計(jì)算：其中為冷風(fēng)量(kg/s)，與分別為室外空氣OA和冷風(fēng)SA的焓值（kJ/kg）。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，選取了晴天（圖8）、雨天（圖9）兩種典型的天氣狀況下的結(jié)果加以說明。在室外空氣溫度26～33℃，相對(duì)濕度55～98%的情況下，不論是晴天、還是雨天，該新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)都可以向空調(diào)對(duì)象室提供溫度為19～25℃，相對(duì)濕度40～70%的溫、濕度條件比較穩(wěn)定的冷風(fēng)。冷風(fēng)的溫度比室外空氣溫度約低6～9℃，絕對(duì)濕度也降低到室外空氣的一半以下。而且冷風(fēng)的焓值也只有室外空氣的60%以下，換算為冷卻能力超過了設(shè)計(jì)值的53kW以上。而且在外氣溫度變化6℃（27～33℃）的情況下，冷風(fēng)的溫度僅變化3℃（22～25℃）。冷風(fēng)的溫度雖然受到外氣溫度的影響，但其影響程度卻不是很大。此外，對(duì)圖9所示的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果進(jìn)行考察發(fā)現(xiàn)：即使是相對(duì)濕度＞85%RH的雨天，該吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)也可以向室內(nèi)提供溫度22～24℃，相對(duì)濕度45%～60%的冷風(fēng)。圖10是將吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)外氣、冷風(fēng)及室內(nèi)空氣的狀態(tài)在空氣焓濕圖上描繪的結(jié)果。同時(shí)，將壓縮制冷式空調(diào)機(jī)的冷風(fēng)空氣狀態(tài)也標(biāo)繪在同一圖上。壓縮機(jī)制冷式空調(diào)機(jī)為了把空氣的濕度降到12g/kg以下，需要將空氣冷卻到13～16℃（相對(duì)濕度達(dá)95～100%）。這樣的冷風(fēng)直接吹到人身上會(huì)讓人感到很冷，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)使人得空調(diào)病。而吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)所提供的冷風(fēng)空氣卻是體感最舒適的狀態(tài)。雖然該空調(diào)系統(tǒng)所提供的冷風(fēng)空氣溫度與壓縮機(jī)制冷式空調(diào)機(jī)吹出的冷風(fēng)溫度相比有些偏高，但是兩者的焓值卻相差無幾。4．3熱電并給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果表4給出了該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)結(jié)果?？梢姡_發(fā)的高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)與微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)所構(gòu)成的新熱電并給系統(tǒng)的綜合能量利用率達(dá)到了90.9%，比現(xiàn)行的熱電并給系統(tǒng)提高了15%以上。表4熱電并給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果新熱電并給系統(tǒng)統(tǒng)現(xiàn)行熱電并給系系統(tǒng)項(xiàng)目（kW）百分率（kW）百分率投入能量102.2100%112100%發(fā)電量⑴22.522.0%2825%熱回收量⑵70.468.9%5650%熱損失量⑶9.39.1%2825%能量利用率⑷＝＝⑴＋⑵90.9%（實(shí)實(shí)測(cè)值）75%（設(shè)計(jì)最最大值）吸附式除濕空調(diào)調(diào)系統(tǒng)（實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一一例）溫度相對(duì)濕度絕對(duì)濕度室外空氣條件32℃66.4%20.02g//kg’冷風(fēng)空氣條件24℃54.6%11.07g//kg’空調(diào)制冷能力CCC＝59.77kW，成績(jī)系系數(shù)COP＝0.8555．結(jié)論對(duì)開發(fā)研制的高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的基本構(gòu)成、運(yùn)轉(zhuǎn)原理、性能特性作了介紹。并對(duì)實(shí)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了詳細(xì)闡述與討論。得到以下結(jié)論：（1）開發(fā)的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)與微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)所構(gòu)成的熱電并給系統(tǒng)的綜合能量利用率達(dá)到了90.9%，比現(xiàn)行的熱電并給系統(tǒng)提高了15%以上。（2）在外氣溫度32℃，相對(duì)濕度66.4%的條件下，吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的冷風(fēng)溫度為24℃，相對(duì)濕度54.6%，外氣基準(zhǔn)的制冷能力達(dá)到59.7kW。（3）外氣溫度變化6℃的情況下，冷風(fēng)的溫度僅變化3℃。吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的冷風(fēng)的溫度雖然受到外氣溫度的影響，其影響程度不是很大。（4）與采用壓縮機(jī)制冷式空調(diào)機(jī)相比，吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)所提供的冷風(fēng)空氣溫度雖然偏高，但由于其濕度較低，兩者的焓值卻相差無幾。（5）該吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)從根本上解決了隨著顯熱交換轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的由換氣側(cè)向冷風(fēng)側(cè)的水分?jǐn)y帶問題及所謂交叉污染的問題。（6）該吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)向室內(nèi)供給的空氣全部為新風(fēng)，可以大大提高IAQ。而且吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)所提供的空氣處于體感最舒適的狀態(tài)，自然也就不會(huì)有空調(diào)病的問題。參考文獻(xiàn)1JurinakJJ,MitchellJW,BeckmanWA.Open-CycleDesiccantAirConditioningasanAlternativetoVaporCompressionCoolinginResidentialApplications.ASMEJournalofSolarEnergyEngineering,1984,106(8)：252-2602KangTS,Maclaine-crossIL.HighPerformance,SolidDesiccant,OpenCoolingCycles.ASMEJournalofSolarEnergyEngineering,1989,111(5):176-1833FarooqS,RuthvenDM.NumericalSimulationofaDesiccantBedforSolarAirConditioningApplications.ASMEJournalofSolarEnergyEngineering,1991,113(5):80-884JinWL,KidoC,KodamaA,etal.ExperimentalStudyofPerformanceo