1 引言
??? 濕度的獨立控制是建筑空調領域的一項重要課題。采用濕度的獨立控制不僅可避免采用表冷器除濕所造成的巨大的能源浪費，提高制冷機運行效率，而且一些新型替代性制冷技術如冷吊頂、相變蓄冷、和天然冷卻技術如深井水回灌取冷等就更易于在工程實際中得到推廣, 所帶來的節能、環保方面的意義是非常深遠的。空調能耗占到國民經濟總能耗的1/3以上，而在華南地區亞熱帶氣候環境下，新風帶來的潛熱負荷可以占到空調總負荷的20％－40％， 因此開發節能的新風獨立除濕系統是建筑節能領域的一項重大課題。
????? 將排濕和排除污染物的任務與排熱的要求分別處理，即通過送入清潔、干燥的空氣解決除濕、排除污染的要求，而余熱則可采用輻射或對流方式單獨處理，這應該是未來綜合解決熱濕環境和空氣質量的空調系統應考慮的方式[1-2]。人體產濕量在200g/(h人)左右，如果室內要求的濕度為12g/kg，送風濕度差4-5g/kg，送風濕度為7-8g/kg，露點為9-10.5°C，則每個人需要的送風量為40-50kg/h，即33-42m3/人，這恰與排除一個人所產生的CO2量所要求的新風量相同，這樣的新風量也足 以滿足排除人體產生的其它污染物的要求。如果送風溫差為5-6°C，這些風量又恰好可排除人體發出的顯熱。
???? 本文提出四種獨立除濕系統，它們分別是：系統A，機械制冷＋熱泵；系統B，機械制冷＋顯熱回收；系統C，機械制冷＋膜法全熱回收；系統D，轉輪除濕＋熱泵系統。通過在華南氣候參數下的逐時模擬，分析了四種系統的能耗。
2 系統描述
????? 考慮四種獨立新風系統，分別是系統A，機械制冷＋熱泵；系統B，機械制冷＋顯熱回收；系統C，機械制冷＋膜法全熱回收；系統D，轉輪除濕＋熱泵系統。這些系統的組成以及所對應的焓濕圖分別如圖1-圖4所示。
????? 系統A是先用排風流過熱泵冷凝器，以利于提高熱泵效率，新風通過蒸發器冷卻除濕，然后通過冷凝器升溫供給室內。冷凝溫度可運行在45°C，而蒸發溫度為15°C，可以獲得較好的節能品質。系統B是采用冷水盤管來冷卻除濕，除濕后的冷空氣通過一顯熱交換器與新風進行熱交換，在提高供風溫度的同時對新風進行預冷。系統C采用了基于高分子膜的全熱換熱器，首先在排風和新風間實現顯熱和潛熱的回收，然后新風再送去冷卻除濕。系統D采用了除濕轉輪實現新風的除濕，由于轉輪需要再生，需要設置一個電加熱器。這種方式的問題是送風和排風之間通過轉輪間隙而發生短路，從而導致交叉污染。
(a) (b)
圖1 機械制冷＋熱泵新風系統的系統圖(a)和焓濕圖(b).
(a) (b)
圖2 機械制冷＋顯熱回收新風系統的系統圖(a)和焓濕圖(b)
3 模擬方法
蒸發盤管
蒸發盤管的性能由冷卻效率決定
eEva=[TA-TB]/[ TA-TEva] (1)
其中 T 是溫度(K), 下標A, B, 和Eva 分別對應A, B 點和蒸發器蒸發溫度。模擬時假定蒸發器的效率是0.90。蒸發器空氣出口B點 的濕度由下式決定
fB=0.95 (2)
轉輪
應用轉輪的目的是將空氣除濕，使空氣的狀態由B轉變到C。在除濕過程中，伴隨著濕度的減小，空氣的溫度上升。轉輪的工作狀態可以通過下面的Jurinak 模型來描述 [3]
(a) (a)
(b)
圖3 機械制冷＋膜法全熱回收新風系統的系統圖(a)和焓濕圖(b).
(b)
圖4 轉輪除濕＋熱泵新風系統的系統圖(a)和焓濕圖(b).
(3)
(4)
(5)
(6)
其中下標“s”和 “e” 分別代表 “供風” 和 “排風”；而“i” 和 “o” 分別代表“入口” 和“出口”。效率 hf1 和hf2 由生產廠家根據轉輪的材料和結構參數決定。
新風供風速度按每人每小時 45kg 提供。除濕轉輪的參數設定為：除濕劑質量2.5kg； 蜂窩狀流道厚度0.2mm； 吸附劑有效質量比0.7；轉輪厚度0.2m；轉速0.5rpm。轉輪性能系數hf1=0.29；hf2=0.85。
顯熱換熱器
采用傳統換熱器分析中的效率法，并假定冷熱流體的熱容相同，則D點的溫度由下式決定：
其中 eSen 是顯熱交換器的效率，可以由傳熱單元數法確定。在實際模擬時，可以假定換熱效率為一衡定值0.90。
蒸發冷卻器
???? 為了有效利用排風側的空氣干度，利用一個蒸發冷卻器來冷卻排風的溫度，然后讓它流過顯熱交換器實現熱量回收。采用的蒸發冷卻器裝有剛性結構化填料，冷水在填料表面形成薄膜向下流動，待冷卻空氣流過填料時，水分蒸發將空氣溫度降低。商品化的蒸發冷卻器的效率由下式表達
其中 TE 是進入空氣的干球溫度，而TEwb 是入口空氣的濕球溫度； TE1 出口空氣的干球溫度。
因此E1點的溫度
(9)
飽和效率eC 通常在0.7-0.9 的范圍之內。
加熱盤管
空氣的加熱在冷凝器或電加熱器中進行，如果空氣在冷凝器中加熱，則加熱效率可以表示為
eCon=[TG-TF]/[ TF-TCon] (10)
其中T 是溫度 (K)，下標G, F, 和Con 表示點 G, F 和冷凝器。通常假定加熱效率為0.85。 如果采用電加熱器，則電加熱的功率
其中 qEle1 是電功率(kW),
熱泵/制冷系統
在新風系統中，冷卻盤管是同時作為熱泵的蒸發器使用的，而加熱盤管是作為熱泵的冷凝器。熱泵系統的效率隨著運行條件的不同而有差異，它可以由下式表達
(12)
其中qCon 是冷凝器散發的熱量(kW), qEle2 是壓縮機消耗的功率(kW)。
膜式全熱換熱器
???? 系統C采用了基于膜的全熱換熱器，它的熱交換效率由二個效率決定：顯熱交換效率 (eS) 和潛熱交換效率(eL)。出口空氣的溫度和濕度由下式決定：
按照筆者以前的分析[4]，采用所開發的基于膜的全熱換熱器，顯熱效率和潛熱效率分別等于0.8 和 0.7.
空調工程中的風機和泵所消耗的功率是非常驚人的，他們的功耗由下式近似
Fan (pump) power=VaDp/(3600hf) (W) (15)
其中 Va 是空氣（水）的體積流量 (m3/h)，Dp 是總壓降(Pa)，hf 是泵或風機的效率。
模擬過程以廣州地區為背景，送風時間為9:00 到18:00。 為了將所有能耗的形式歸納起來進行比較，將所有電耗乘以系數 3.3轉化為一次能源。
4 結果與討論
????? 熱泵（制冷系統）的性能同環境狀況密不可分，圖5是逐時模擬出的全年性能系數，可以看出制冷系統全年的性能變化。為了比較各種方案，將各種系統在廣州氣候條件下全年消耗的一次能源畫在圖6中，可以看出，在四種系統中，系統C即機械制冷＋膜法全熱回收全年消耗的能源最小，但總的說來，由于四種系統都采取了節能措施，所以四種系統的能耗基本在一個數量級。
?????? 圖7顯示了系統C在全年不同月份的人均除濕能耗，在華南亞熱帶熱濕氣候環境下，幾乎全年都需要除濕，月除濕能耗值在1.5e5 kJ 到5.3e5 kJ 之間。能耗最小的月份是一月，而能耗最多的月份是八月。
圖5 熱泵系統的性能系數變化
圖6 不同系統人均全年除濕能耗
圖7 不同系統不同月份的人均除濕能耗
5 結論
????? 為了滿足獨立除濕系統開發的需要，本文評估了四種系統的全年能耗，結果表明，所提出的四種系統由于采用了能量回收措施，于傳統無能量回收措施的除濕方案相比，可以節能29-42%。 機械除濕加膜全熱回收系統的全年能耗最小，其值為4.4e6 kJ 每人。
參考文獻：
[1] 江億. 暖通空調, 2003, 33: 4-7.
[2] Niu JL, Zhang LZ, Zuo HG. Energy and Buildings, 2002, 34(5): 487-495.
[3] Zhang LZ, Niu JL. Applied Thermal Engineering, 2002, 22(12): 1347-1367.
[4] Niu JL, Zhang LZ. Journal of membrane science, 2001, 189(2): 179-191.
本項目由國家自然科學基金資助 （50306005） 作者：張立志
