太陽能建筑一體化 第九節(jié)

第6章太陽能除濕空調(diào)技術(shù)教學(xué)目的：了解溫濕獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)基本原理，掌握轉(zhuǎn)輪式與溶液式除濕空調(diào)的工作過程與工質(zhì)特性。教學(xué)重點(diǎn)：（1）溫濕度獨(dú)立控制的方法與特點(diǎn)（2）轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的工作原理（3）溶液除濕的原理與分類教學(xué)難點(diǎn)：太陽能除濕獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)案例分析一、空調(diào)除濕原理1.基本概念露點(diǎn)溫度：是指空氣內(nèi)水蒸氣含量在壓力不改變的條件下冷卻到飽和時(shí)的溫度。絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積的空氣中所含的水蒸氣質(zhì)量。由于所含水蒸氣密度越大，水蒸氣分壓力越大，所以通常是用空氣的水蒸氣分壓力來表示濕度的。相對(duì)濕度：空氣中所含水蒸氣密度與溫度下飽和水蒸氣密度的百分比。2.空調(diào)除濕原理夏季人體舒適區(qū)為25℃，相對(duì)濕度60%，此時(shí)露點(diǎn)溫度為16.6℃?？照{(diào)排熱排濕的任務(wù)可以看成是從25℃環(huán)境中向外界抽取熱量，在16.6℃的露點(diǎn)溫度的環(huán)境下向外界抽取水分。除濕方式：冷卻除濕在制冷過程中，潮濕的空氣通過蒸發(fā)器后溫度會(huì)大幅下降，多余水蒸氣以冷凝水的形式析出，凝結(jié)于蒸發(fā)器的翅片上，由冷凝水管排出。存在的問題：（1）熱濕聯(lián)合處理的能源浪費(fèi)由于采用冷凝除濕方法排除室內(nèi)余濕，冷源的溫度需要低于室內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度，實(shí)現(xiàn)16.6℃的露點(diǎn)溫度需要約7℃的冷源溫度。經(jīng)過冷凝除濕后的空氣雖然濕度（含濕量）滿足要求，但溫度過低，有時(shí)還需要再熱，造成了能源的進(jìn)一步浪費(fèi)與損失。（2）難以適應(yīng)熱濕比的變化通過冷凝方式對(duì)空氣進(jìn)行冷卻和除濕，其吸收的顯熱與潛熱比只能在一定的范圍內(nèi)變化，建筑物實(shí)際需要的熱濕比卻在較大的范圍內(nèi)變化。犧牲對(duì)濕度的控制，通過僅滿足室內(nèi)溫度的要求來妥協(xié)，造成室內(nèi)相對(duì)濕度過高或過低的現(xiàn)象。過高的結(jié)果是不舒適，降低室溫設(shè)定值，造成能耗不必要的增加；過低也將導(dǎo)致由于與室外的焓差增加使處理室外新風(fēng)的能耗增加。（3）室內(nèi)空氣品質(zhì)問題空調(diào)系統(tǒng)繁殖和傳播霉菌成為空調(diào)可能引起健康問題的主要原因。有效過濾空調(diào)系統(tǒng)引入的室外空氣是維持室內(nèi)健康環(huán)境的重要問題。（4）室內(nèi)末端裝置的問題為排除足夠的余熱余濕同時(shí)又不使送風(fēng)溫度過低，就要求有較大的循環(huán)通風(fēng)量。大的循環(huán)通風(fēng)量會(huì)造成室內(nèi)很大的空氣流動(dòng)，使居住者產(chǎn)生不適的吹風(fēng)感，極容易引起空氣噪聲，并且很難有效消除。為減少這種吹風(fēng)感，就要通過改進(jìn)送風(fēng)口的位置和形式來改善室內(nèi)氣流組織。往往要在室內(nèi)布置風(fēng)道，從而降低室內(nèi)凈高或加大樓層間距。在冬季，為了避免吹風(fēng)感，通過另外的暖氣系統(tǒng)通過采暖散熱器供熱。（5）輸配能耗的問題為了完成室內(nèi)環(huán)境控制的任務(wù)就需要有輸配系統(tǒng)，帶走余熱、余濕、CO2、氣味等。在中央空調(diào)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)、水泵消耗了40~70%的整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的電耗。在常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)中，多采用全空氣系統(tǒng)的形式。所有的冷量全部用空氣來傳送，導(dǎo)致輸配效率很低。結(jié)論：新空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具備以下特點(diǎn)1）加大室外新風(fēng)量，能夠通過有效的熱回收方式，有效的降低由于新風(fēng)量增加帶來的能耗增大問題；2）減少室內(nèi)送風(fēng)量，部分采用與采暖系統(tǒng)公用的末端方式；3）取消潮濕表面，采用新的除濕途徑；4）不用空氣過濾式過濾器，采用新的空氣凈化方式；5）少用電能，以低品位熱能為動(dòng)力；6）能夠?qū)崿F(xiàn)高體積利用率的高效蓄能；二、溫濕獨(dú)立控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的基本組成為：處理顯熱的系統(tǒng)與處理潛熱的系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)節(jié)分別控制室內(nèi)的溫度與濕度。處理顯熱的系統(tǒng)包括：高溫冷源，余熱消除末端裝置，采用水作為輸送媒介。處理潛熱的系統(tǒng)包括：新風(fēng)處理機(jī)組，送風(fēng)末端裝置，采用新風(fēng)作為能量輸送的媒介。溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：1）采用溫濕度獨(dú)立控制的空調(diào)方式，機(jī)組效率大大增加，夏季熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組COP（性能系數(shù)）在5.5以上，水源熱泵COP（性能系數(shù)）也可達(dá)到8.5以上；

2）溶液可有效去除空氣中的細(xì)菌和可吸入顆粒，有益于提高室內(nèi)空氣品質(zhì)；

3）系統(tǒng)無冷凝水的潮濕表面，送風(fēng)空氣品質(zhì)高，確保室內(nèi)人員舒適健康；

4）真正實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度、濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)，精確控制室內(nèi)參數(shù)，提高人體舒適性；5）除濕量可調(diào)范圍大，可精確控制送風(fēng)溫度和濕度，即使對(duì)于潛熱變化范圍較大的房間（如會(huì)議室），也能夠始終維持室內(nèi)環(huán)境控制要求；6）熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組與水源熱泵均可冬夏兩用，與常規(guī)系統(tǒng)相比，可以節(jié)省蒸汽鍋爐與熱水換熱器的投資費(fèi)用。在溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中，采用新風(fēng)承擔(dān)排除室內(nèi)余濕、CO2、室內(nèi)異味。一般來說，這些排濕，排有害氣體的負(fù)荷僅隨室內(nèi)人員數(shù)量而變化，因此可采用變風(fēng)量方式，根據(jù)室內(nèi)空氣的濕度或CO2濃度調(diào)節(jié)風(fēng)量。由于僅是為了滿足新風(fēng)和濕度的要求，如果所需新風(fēng)量遠(yuǎn)小于變風(fēng)量系統(tǒng)的風(fēng)量。這部分空氣可通過置換送風(fēng)的方式從下側(cè)或地面送出，也可采用個(gè)性化送風(fēng)方式直接將新風(fēng)送入人體活動(dòng)區(qū)。干式風(fēng)機(jī)盤管通入高溫冷水排除顯熱1.與變風(fēng)量系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度和濕度的分別控制。實(shí)現(xiàn)了新風(fēng)量隨人員數(shù)量同步增減。2.與風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)方式相比，免去了凝水盤和凝水排除系統(tǒng)。3.同時(shí)由于不再存在潮濕表面，根除了滋生霉菌的溫床，可有效改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。4.降低了運(yùn)行能耗，還減少了由于室內(nèi)外溫差過大造成的熱沖擊對(duì)健康的危害。由于不存在凝水問題，干式風(fēng)機(jī)盤管可采用完全不同的結(jié)構(gòu)和安裝方式。三、固體吸附式除濕裝置1.轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)工作原理工作原理用硅膠、分子篩等吸濕材料附著于輕質(zhì)骨料制作的轉(zhuǎn)輪表面。待除濕的空氣通過轉(zhuǎn)輪的一部分表面，空氣中的部分水分被吸附于表面吸濕材料，實(shí)現(xiàn)除濕。吸了水的轉(zhuǎn)輪部分旋轉(zhuǎn)到另一側(cè)與加熱的再生空氣接觸，放出水分，使表面吸濕材料再生，再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。吸濕過程接近等焓過程，減濕加熱后的空氣可進(jìn)一步通過高溫冷源（18℃）冷卻降溫，從而實(shí)現(xiàn)溫度與濕度的獨(dú)立控制。不足之處熱能利用效率仍難以提高到與吸收制冷機(jī)抗衡轉(zhuǎn)輪的除濕空氣與再生空氣間的滲透問題轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)熱能利用效率低（除濕與再生這兩個(gè)過程都是等焓過程而非等溫過程，轉(zhuǎn)輪表面與空氣間的濕度差和溫度差都很不均勻，造成很大的不可逆損失）吸附介質(zhì)：氯化鋰硅膠復(fù)合硅膠硅膠+鹵素鹽硅膠+金屬沸石分子篩1）氯化鋰氯化鋰是最早用來作為轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的吸附材料的，它屬于一種高含濕量的吸濕鹽，易再生，具有高度化學(xué)穩(wěn)定性。此外，氯化鋰吸附劑具有強(qiáng)烈的殺菌能力，因此，氯化鋰作為除濕劑被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品等對(duì)空氣潔凈度和濕度要求較高的領(lǐng)域。但是氯化鋰在低濕度范圍除濕量小、除濕能力低，而且吸濕時(shí)易形成液體從基體逸出，對(duì)除濕設(shè)備周圍的金屬產(chǎn)生腐蝕，這些不足在很大程度上限制了除濕機(jī)中氯化鋰吸附劑的用量，也即限制了除濕機(jī)的除濕量。2)硅膠硅膠是繼氯化鋰后研究應(yīng)用比較多的一種固體吸附劑，其吸濕能力、再生能耗等方面較氯化鋰稍差，但由于在吸附、解吸過程中始終保持固態(tài)，有良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，克服了氯化鋰吸附劑容易液化逸出的缺點(diǎn)，即使在高濕度下（100%）也能保持轉(zhuǎn)輪表面不結(jié)露，對(duì)周邊設(shè)備無腐蝕。同時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)輪長(zhǎng)期使用過程中因灰塵或油污覆蓋表面影響除濕效率時(shí)，可采用清水（除灰塵）或清潔劑（除油污）直接清洗掉使之恢復(fù)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。硅膠作為吸附材料存在的不足：（1）吸附性能有待提高；（2）耐熱性能需要加強(qiáng),由于硅膠耐熱性能較弱,除濕轉(zhuǎn)芯長(zhǎng)時(shí)間處于80～150℃再生環(huán)境中,易出現(xiàn)熔融、塌陷、堵塞孔道等現(xiàn)象,從而使系統(tǒng)吸附效率降低；（3）機(jī)械強(qiáng)度有待增強(qiáng)，由于硅膠與陶瓷纖維作用力較弱，使得轉(zhuǎn)芯材料機(jī)械強(qiáng)度較差，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，易出現(xiàn)粉化、掉粉現(xiàn)象，從而影響其使用壽命。因此，必須對(duì)硅膠進(jìn)行改性。3)改性硅膠吸附材料目前對(duì)硅膠的改性主要有兩個(gè)方面：一是將傳統(tǒng)硅膠吸附材料和鹵素鹽結(jié)合制成復(fù)合吸附劑；二是在硅膠中摻雜其他金屬元素。（1）硅膠/鹵素鹽復(fù)合材料為克服硅膠吸附劑吸濕量小的不足，人們提出新型的硅膠和鹵素鹽復(fù)合的吸附劑，由于結(jié)合了兩種吸附劑的優(yōu)點(diǎn)使得復(fù)合吸附劑的吸附性能得到改善，是吸附劑研究的一個(gè)新的方向。但鹵素鹽進(jìn)入硅膠孔道必然會(huì)降低孔容和比表面積，同時(shí)也會(huì)影響孔道的結(jié)構(gòu)，因而必須控制鹵素鹽的用量。將傳統(tǒng)的硅膠轉(zhuǎn)輪材料和鹵素鹽復(fù)合起來制得硅膠/鹵素鹽復(fù)合干燥劑材料，實(shí)現(xiàn)硅膠物理吸附和鹵素鹽化學(xué)吸附的有機(jī)結(jié)合，具有高吸濕量、易再生和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，改善了轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的除濕性能。（2）若在硅膠中引入少量金屬離子M，金屬原子部分替代硅原子進(jìn)入硅膠網(wǎng)絡(luò)，但不改變硅膠的主體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于硅膠表面形成M-O-Si鍵（M為B、Al、Ti等），增加了多孔材料表面的質(zhì)子酸和路易斯酸的酸性活性中心數(shù)目及酸性強(qiáng)度，增強(qiáng)了材料表面與水的親和力，使硅膠對(duì)水的吸附能力得到增強(qiáng)；另外金屬原子摻雜入硅膠后，改變其微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增大了硅膠的比表面積和孔容，使硅膠的吸附能力得到增強(qiáng)。金屬摻雜硅膠吸附材料，即將鋁、鈦等金屬離子摻雜入硅膠中得到的一種多孔金屬鍵合硅吸附材料，歸屬于第四代轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)吸附劑材料，它克服了硅膠在吸附性能、耐熱強(qiáng)度及機(jī)械強(qiáng)度方面的缺陷。4)沸石分子篩沸石分子篩是研究及應(yīng)用比較多的固體吸附劑材料，它在低濕度環(huán)境下仍能吸濕的優(yōu)異性能，使它非常適用于低露點(diǎn)深度除濕；另一方面即使在較高溫度下（如100～120℃）分子篩仍保持13%以上的吸水率，而硅膠的吸水率幾乎為零。因此在電子、精密儀器等一些對(duì)濕度要求非常低及環(huán)境溫度較高的情況下，分子篩除濕得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用分子篩的轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)其出風(fēng)口空氣露點(diǎn)最低可達(dá)到-60℃。但沸石分子篩也有其不足之處：分子篩吸附是利用其分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的非常規(guī)則的孔道實(shí)現(xiàn)的。其吸濕量較氯化鋰、硅膠都要低很多；另外，分子篩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的這種孔道對(duì)水分子的作用力較強(qiáng)，這是它能適用于深度除濕的原因，但也造成脫附困難，在除濕轉(zhuǎn)輪中就體現(xiàn)為再生溫度高達(dá)250℃以上，能耗大大增加，而且不能應(yīng)用太陽能、工業(yè)余熱等低品位熱源作為再生熱源。因此，目前分子篩作為除濕轉(zhuǎn)輪吸附劑還只應(yīng)用在一些對(duì)空氣露點(diǎn)要求非常低的特殊場(chǎng)合。四、太陽能溶液除濕空調(diào)1.溶液除濕原理簡(jiǎn)述溶液式除濕與轉(zhuǎn)輪式除濕機(jī)理相同，僅由吸濕溶液代替了固體轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪是運(yùn)動(dòng)部件，很難在轉(zhuǎn)輪內(nèi)部接入能夠吸收熱量或提供熱量的換熱裝置。采用溶液吸濕，可以使空氣溶液接觸表面同時(shí)作為換熱表面，在表面的另一側(cè)接入冷水或熱水。溶液具有殺菌、除塵作用，可以起到凈化空氣的作用。常用除濕劑：三甘醇、氯化鈣、氯化鋰等?；具^程：在除濕劑填料塔中，除濕過程為一個(gè)復(fù)雜的傳熱和傳質(zhì)過程，推動(dòng)力為空氣中水蒸氣的分壓力與溶液表面所形成的飽和蒸汽壓之差。傳熱傳質(zhì)的三個(gè)過程：1）水蒸氣由空氣中擴(kuò)散到汽-液兩相界的汽相一側(cè)；2）水蒸氣由汽-液兩相界面上凝結(jié)，并溶入溶液中；3）水由相界面的液相一側(cè)擴(kuò)散到溶液中。除濕過程同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的加熱、加濕、降溫等多種空氣處理過程，根據(jù)氯化鋰溶液物理性質(zhì)圖可知：在溶液溶度上升時(shí)，溶液水蒸氣分壓力降低，除濕能力提高；在溶液溫度升高時(shí)，溶液水蒸氣分壓力上升，除濕能力下降。2.與氣體除濕方式相比較與冷卻除濕比較：節(jié)能、健康、舒適。與轉(zhuǎn)輪式比較：<1>轉(zhuǎn)輪與溶液相比不易冷卻，增加不可逆損失；

<2>溶液可采用低品味能源再生；

<3>轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)較大，磨損會(huì)降低其壽命。3.除濕溶液對(duì)空氣質(zhì)量的影響1）溴化鋰溶液對(duì)VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物volatileorganiccompounds）的吸收作用溶液與空氣直接接觸，可除去空氣中的有害物質(zhì)；2）對(duì)室內(nèi)細(xì)菌病毒生長(zhǎng)的影響氯化鋰、溴化鋰、氯化鈣等均具有殺滅細(xì)菌微生物的作用；3）除濕溶液的除塵作用經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，可期望達(dá)到濕式除塵器的效率。4.溶液除濕器分類根據(jù)是否對(duì)除濕過程進(jìn)行冷卻可分為兩大類：絕熱型和內(nèi)冷型。（1）絕熱型空氣和液體除濕劑的流動(dòng)接觸中完成除濕，除濕器與外界的熱傳遞很少，除濕過程可以近似看成絕熱過程。（2）內(nèi)冷型空氣和溶液除濕機(jī)之間進(jìn)行除濕的同時(shí)，被外加的冷源所冷卻，帶走除濕過程中所產(chǎn)生的潛熱，該除濕過程近似于等溫過程。（3）交叉型被處理的空氣在平板的一側(cè)與除濕劑溶液直接接觸從而被除濕，同時(shí)從空調(diào)室出來的回風(fēng)與冷卻水平板的另一側(cè)直接接觸發(fā)生熱質(zhì)交換，帶走主流空氣側(cè)在除濕過程中產(chǎn)生的潛熱。三種除濕器性能比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)絕熱型換熱面積大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊傳質(zhì)平均壓差減小，蓄能能力弱內(nèi)冷型除濕能力強(qiáng)，蓄能能力強(qiáng)表面積相對(duì)小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜交叉型吸收了除濕過程中產(chǎn)生的潛熱，節(jié)約能源結(jié)構(gòu)更復(fù)雜5.除濕劑的選擇1）除濕劑對(duì)于空氣中的水分應(yīng)具有較大的溶解度，這樣可以提高吸收率并減小液體除濕劑的耗用量。溶液應(yīng)除濕能力強(qiáng)并容易再生。2）溶液的比熱容較大。因?yàn)樵诔凉襁^程中釋放出的潛熱量會(huì)使溶液溫度升高，因此比熱越大，除濕性能越穩(wěn)定。3）溶液各濃度下的結(jié)晶溫度應(yīng)較低。4）溶液的密度和黏度應(yīng)較小。5）溶液應(yīng)性質(zhì)穩(wěn)定，具有低揮發(fā)性，低腐蝕性，無毒性。6）溶液應(yīng)價(jià)格低廉，易獲得。有機(jī)溶液：三甘醇、二甘醇等；無機(jī)溶液：溴化鋰、氯化鋰、氯化鈣溶液等。6.填料的選擇1）比表面積，比表面積越大，提高的氣液傳質(zhì)面積越大；2）空隙率，填料的空隙率越大，氣體通過能力越大，氣體流動(dòng)阻力越??；3）填料因子，ψ越小，流動(dòng)阻力越??；散裝填料：流體分布欠佳，且放大效應(yīng)嚴(yán)重；規(guī)整填料：克服了溝留和壁流現(xiàn)象，消除了放大效應(yīng)，同時(shí)提供了大量的氣液接觸面積，提高了分離效率并降低了流體阻力?？煞譃榻z網(wǎng)填料和板波紋填料兩種。絲網(wǎng)填料：分離效率高、壓降小、持液量低、操作彈性大、放大效應(yīng)不明顯。但價(jià)格昂貴、易堵塞、易腐蝕。板波紋填料：傳質(zhì)性能上比絲網(wǎng)填料稍差，但它在抗污染、耐腐蝕等方面都優(yōu)于絲網(wǎng)填料，而且價(jià)格便宜。6.除濕技術(shù)應(yīng)用案例（1）上海交通大學(xué)實(shí)施的太陽能兩級(jí)轉(zhuǎn)輪式除濕空調(diào)復(fù)合能量系統(tǒng)工作原理與構(gòu)成系統(tǒng)中主要有三組空氣并行工作，包括一組處理空氣和兩組再生空氣。室外的環(huán)境空氣（處理空氣）首先通過轉(zhuǎn)輪除濕器進(jìn)行除濕，由于吸附熱的釋放，空氣濕度降低的同時(shí)溫度上升，因此在轉(zhuǎn)輪后面安裝了一個(gè)翅片管式換熱器。在換熱器中流過冷卻塔出來的冷卻水用于冷卻轉(zhuǎn)輪出口的處理空氣。這樣使處理空氣冷卻并提高其相對(duì)濕度，使其在下一級(jí)轉(zhuǎn)輪更容易除濕。二級(jí)系統(tǒng)的構(gòu)造與一級(jí)系統(tǒng)類似，處理空氣再分別流經(jīng)二級(jí)的轉(zhuǎn)輪和翅片管式換熱器。在處理空氣送入室內(nèi)之前，系統(tǒng)中又設(shè)置一個(gè)直接式蒸發(fā)冷卻器，進(jìn)一步降低處理空氣的溫度，以達(dá)到較低的送風(fēng)溫度。兩級(jí)系統(tǒng)的再生空氣采取并聯(lián)工作的方式。再生空氣分別在再生換熱器（也為翅片管換熱器）中加熱，而其中加熱能量來自太陽能集熱器所提供的熱水。被加熱的再生流經(jīng)轉(zhuǎn)輪用來對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行再生。機(jī)組設(shè)計(jì)性能指標(biāo)見表1。過渡季節(jié)，機(jī)組可以做為建筑空調(diào)新風(fēng)裝置，為室內(nèi)提供新風(fēng)；冬季，太陽