利用各種排熱驅(qū)動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，對開發(fā)的新型高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)造、運轉(zhuǎn)原理、性能特性，實證實驗結(jié)果及討論作了詳細闡述。為該新型節(jié)能環(huán)保型空調(diào)的設(shè)計與應用提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計指南。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)域得到了廣泛的應用。鑒于上述情況，我們從數(shù)年前開始了對吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)性能改進及實用化的開發(fā)研究。特別是針對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。本文闡述了這一新型高性能吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)原理、性能特性，以及實證實驗及結(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年代各國的研究人員開始從實驗及模擬計算兩方面對這一系統(tǒng)進行了大量的研究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、風機等構(gòu)成。該空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時空氣狀態(tài)變化過程在空氣焓濕圖上表示的結(jié)果如圖2所示。新風風機將室外空氣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)生空氣溫度會升高(1→2)。經(jīng)過顯熱交換轉(zhuǎn)輪與從空調(diào)對象室內(nèi)的排氣RA進行熱交換，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)潛熱使空氣進一步等焓冷卻到較低溫度（3→4），冷風被送到空調(diào)對象室內(nèi)。另一方面，從空調(diào)對象室內(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行熱交換，在冷卻被干燥空氣的同時，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)。對這一空調(diào)系統(tǒng)運轉(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)，會有一部分高濕度的換氣RA被轉(zhuǎn)輪攜帶到冷風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，會將室內(nèi)被香煙、人體的汗味，或者是其他揮發(fā)性有機物污染的空氣帶到冷風中，造成所謂交叉污染；（3）系統(tǒng)設(shè)備多，制造成本高。為了冷卻冷風空氣SA，需要直接蒸發(fā)冷卻器和顯熱交換轉(zhuǎn)輪兩臺設(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，對除濕轉(zhuǎn)輪的最佳再生方式進行了實驗研究7)。實驗方法如下，選用了直徑300mm，厚度200mm的除濕轉(zhuǎn)輪SSCR-U，在其處理風量（224m3/h）、及再生空氣加熱用能量（3.64kw）一定的前提下，改變再生空氣的溫度，對除濕轉(zhuǎn)輪的除濕性能進行測試。而且，為了消除再生空氣面風速的影響，制作了三種不同再生區(qū)面積比的除濕轉(zhuǎn)輪實驗用風洞，使再生空氣面風速維持在2m/s。詳細的實驗條件在表1中給出。表1除濕轉(zhuǎn)輪性能實驗條件一覽表流程類型低溫再生標準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再生風量OR((m3/h)22411289.6再生風速VR((m/s))2.02.02.0處理風量QP((m3/h)224處理風速VP((m/s))21.331.25風量比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當空氣濕度低于XP1=13g/kg時，高溫再生流程的除濕性能顯現(xiàn)出若干優(yōu)勢。但是，在入口濕度高于XP1=13g/kg的條件下，標準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。相對于標準再生流程、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，當排熱熱源溫度在150℃以上時，采用標準再生流程，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—顯熱交換器對吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)來說也是一個非常重要的設(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)造及運轉(zhuǎn)原理如圖4所示。為了與其他類型的熱交換器性能進行比較，同時給出了顯熱交換轉(zhuǎn)輪、普通的叉流型顯熱交換器的測定結(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到了85%，比顯熱交換轉(zhuǎn)輪的熱交換效率高5%左右。同時，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，即首先對空氣進行除濕，然后再對其進行冷卻處理。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)向冷風側(cè)的水分攜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。4．實證實驗及其結(jié)果討論為了對上述空調(diào)系統(tǒng)的性能從實驗上加以確認，自2001年1月起，在株式會社西部技研辦公大樓設(shè)置了一臺冷風量為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的微型燃氣輪發(fā)電機所構(gòu)成的一個熱電并給系統(tǒng)。進行了為期1年的實證實驗。4．1實證實驗裝置系統(tǒng)概要實證實驗是由開發(fā)的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)（概要見表2），和美國CapstoneTurbineCorporation公司制造的微型燃氣輪發(fā)電機（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)為微型燃氣輪發(fā)電機，右側(cè)為新型吸附式除濕空調(diào)機。燃氣輪機發(fā)電機排出的排氣的溫度約為275℃。將其與用來冷卻發(fā)電機內(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)概要冷風風量5，500m3/hh制冷能力*（夏夏季）顯熱：9.4kkW合計：53.44kW潛熱：44kWW加熱能力*（冬冬季）顯熱：46.11kW合計：68.11kW潛熱：22kWW外形尺寸2200(H))×33880(L))×14550(W))運轉(zhuǎn)方式制冷、供暖、換換氣（可切切換）*制冷、加熱能力計算基準：外氣條件夏季：溫度32℃，相對濕度65%冬季：溫度2℃，相對濕度57%室內(nèi)條件夏季：溫度27℃，相對濕度55%冬季：溫度22℃，相對濕度50%表3微型燃氣輪發(fā)電機概要制造廠商美國（CapsstoneeTurrbineeCorrporaationn）發(fā)電能力28kW燃料消費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實證實驗系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成4．2系統(tǒng)運轉(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，及中間期的換氣運轉(zhuǎn)。這里，僅對夏季的制冷運轉(zhuǎn)實驗結(jié)果作詳細討論。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)可由下面的公式計算：其中為冷風量(kg/s)，與分別為室外空氣OA和冷風SA的焓值（kJ/kg）。從實驗數(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)對象室提供溫度為19～25℃，相對濕度40～70%的溫、濕度條件比較穩(wěn)定的冷風。冷風的溫度比室外空氣溫度約低6～9℃，絕對濕度也降低到室外空氣的一半以下。而且冷風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)計值的53kW以上。而且在外氣溫度變化6℃（27～33℃）的情況下，冷風的溫度僅變化3℃（22～25℃）。冷風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，對圖9所示的運轉(zhuǎn)結(jié)果進行考察發(fā)現(xiàn)：即使是相對濕度＞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℃，相對濕度45%～60%的冷風。圖10是將吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時外氣、冷風及室內(nèi)空氣的狀態(tài)在空氣焓濕圖上描繪的結(jié)果。同時，將壓縮制冷式空調(diào)機的冷風空氣狀態(tài)也標繪在同一圖上。壓縮機制冷式空調(diào)機為了把空氣的濕度降到12g/kg以下，需要將空氣冷卻到13～16℃（相對濕度達95～100%）。這樣的冷風直接吹到人身上會讓人感到很冷，時間長了會使人得空調(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)所提供的冷風空氣溫度與壓縮機制冷式空調(diào)機吹出的冷風溫度相比有些偏高，但是兩者的焓值卻相差無幾。4．3熱電并給系統(tǒng)運轉(zhuǎn)結(jié)果表4給出了該系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的一個結(jié)果。可見，開發(fā)的高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)與微型燃氣輪發(fā)電機所構(gòu)成的新熱電并給系統(tǒng)的綜合能量利用率達到了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%（實實測值）75%（設(shè)計最最大值）吸附式除濕空調(diào)調(diào)系統(tǒng)（實實驗結(jié)果一一例）溫度相對濕度絕對濕度室外空氣條件32℃66.4%20.02g//kg’冷風空氣條件24℃54.6%11.07g//kg’空調(diào)制冷能力CCC＝59.77kW，成績系系數(shù)COP＝0.8555．結(jié)論對開發(fā)研制的高效吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的基本構(gòu)成、運轉(zhuǎn)原理、性能特性作了介紹。并對實證實驗結(jié)果作了詳細闡述與討論。得到以下結(jié)論：（1）開發(fā)的吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)與微型燃氣輪發(fā)電機所構(gòu)成的熱電并給系統(tǒng)的綜合能量利用率達到了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℃，相對濕度66.4%的條件下，吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的冷風溫度為24℃，相對濕度54.6%，外氣基準的制冷能力達到59.7kW。（3）外氣溫度變化6℃的情況下，冷風的溫度僅變化3℃。吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)的冷風的溫度雖然受到外氣溫度的影響，其影響程度不是很大。（4）與采用壓縮機制冷式空調(diào)機相比，吸附式除濕空調(diào)系統(tǒng)所提供的冷風空氣溫度雖然偏高，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)向冷風側(cè)的水分攜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，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)，自然也就不會有空調(diào)病的問題。參考文獻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