新型溶液熱回收新風(fēng)機(jī)性能分析

新型溶液熱回收新風(fēng)機(jī)性能分析

摘要為了解決提高室內(nèi)空氣品質(zhì)與降低新風(fēng)處理能耗的矛盾，提出了由溶液全熱回收裝置和帶板式換熱器的單級(jí)噴淋模塊組成的溶液全熱回收型新風(fēng)機(jī)。采用全熱回收裝置，明顯降低了新風(fēng)處理能耗；利用板式換熱器調(diào)節(jié)溶液的溫度，有效的改善了溶液的除濕或加濕能力。通過(guò)北京市全年逐時(shí)性能模擬分析，以及與常規(guī)新風(fēng)機(jī)和其它兩種不同形式的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗的比較，進(jìn)一步證實(shí)了該新風(fēng)機(jī)具有明顯的節(jié)能效果。溶液具有殺菌、除塵作用，能夠避免新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的交叉污染；而且新風(fēng)處理能耗的降低，為新風(fēng)量的增加提供了條件，能夠進(jìn)一步提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。

關(guān)鍵詞除濕溶液全熱回收室內(nèi)空氣品質(zhì)節(jié)能運(yùn)行費(fèi)用

1簡(jiǎn)介

在空調(diào)領(lǐng)域中，除了熱濕環(huán)境外，室內(nèi)空氣品質(zhì)也受到越來(lái)越多的關(guān)注[1-2]。室外新風(fēng)在排除室內(nèi)CO2和VOC以及稀釋室內(nèi)可能存在的病菌方面，明顯優(yōu)于室內(nèi)回風(fēng)。但考慮到新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗，使得增加新風(fēng)量受到制約。采用全熱回收方法是降低新風(fēng)處理能耗的有效方法，但轉(zhuǎn)輪式、板翅式等全熱回收裝置不能避免新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的交叉污染。為了解決提高室內(nèi)空氣品質(zhì)與降低新風(fēng)處理能耗的矛盾，提出了溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)，該形式的新風(fēng)機(jī)有較高的全熱回收效率，而且溶液具有殺菌除塵作用[2-3]，能夠避免新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的交叉污染。

以溶液為循環(huán)介質(zhì)的熱回收型新風(fēng)機(jī)可以有多種方式：文獻(xiàn)提出了由溶液全熱回收器和一個(gè)小容量的制冷循環(huán)組成的電能驅(qū)動(dòng)的新風(fēng)機(jī)，夏季，制冷循環(huán)中蒸發(fā)器的制冷量用于冷卻溶液以增強(qiáng)其除濕能力，冷凝器的排熱量用于溶液的濃縮再生；冬季運(yùn)行時(shí)，可采用四通閥實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器的相互轉(zhuǎn)換，使冷機(jī)工作在熱泵工況下，新風(fēng)被加熱加濕。文獻(xiàn)提出了由90oC熱水驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)，夏季，通過(guò)板式換熱器回收室內(nèi)排風(fēng)蒸發(fā)冷卻的冷量來(lái)冷卻溶液增強(qiáng)其除濕能力，除濕后的新風(fēng)由15~18oC冷水進(jìn)一步降溫冷卻后送入室內(nèi)；冬季，通過(guò)新風(fēng)機(jī)工況的轉(zhuǎn)換，可以使其按照全熱回收模式運(yùn)行，加濕后的新風(fēng)再由高溫?zé)崴M(jìn)一步加熱后送入室內(nèi)。本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)是由溶液全熱回收裝置和帶板式換熱器調(diào)溫的單級(jí)噴淋模塊組成，以熱水作為主要的驅(qū)動(dòng)源，夏季，15~18oC的冷水用于調(diào)節(jié)進(jìn)入單級(jí)噴淋模塊的溶液溫度，增強(qiáng)其除濕能力，與文獻(xiàn)相比循環(huán)溶液的濃度降低，可以使用60oC熱水即可滿(mǎn)足溶液再生要求；冬季，40~50oC的熱水用于調(diào)節(jié)進(jìn)入單級(jí)噴淋模塊的溶液溫度，以增強(qiáng)其加濕能力。

本文介紹了該新型溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的工作原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全年運(yùn)行能耗的分析，并與常規(guī)新風(fēng)機(jī)、文獻(xiàn)和文獻(xiàn)分別提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行能耗的比較。

2新風(fēng)機(jī)的工作原理

新風(fēng)機(jī)的工作原理參見(jiàn)圖1，布水閥關(guān)閉，溶液閥打開(kāi)。該新風(fēng)機(jī)由兩部分組成：虛線左邊是以溶液為循環(huán)介質(zhì)的溶液式全熱回收裝置，虛線右邊是單級(jí)噴淋模塊。室外新風(fēng)首先經(jīng)過(guò)全熱回收裝置，回收室內(nèi)排風(fēng)的能量后，再經(jīng)過(guò)單級(jí)噴淋模塊進(jìn)一步處理后送入空調(diào)房間。夏季，為了增強(qiáng)溶液除濕的能力，在溶液進(jìn)入單級(jí)噴淋裝置前，由冷凍水實(shí)現(xiàn)溶液的降溫處理過(guò)程。由于除濕任務(wù)是由溶液系統(tǒng)承擔(dān)的，因此冷凍水的水溫高于常規(guī)冷凝除濕的水溫要求，制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度和性能系數(shù)均明顯增大。流出新風(fēng)機(jī)的溶液濃度降低，需要濃縮再生才能重新使用。圖1所示新風(fēng)機(jī)使用60oC的熱水作為溶液的再生熱源，再生器的結(jié)構(gòu)與噴淋模塊類(lèi)似，參見(jiàn)圖2。系統(tǒng)中設(shè)有溶液回?zé)崞骱涂諝饣責(zé)崞鳎謩e預(yù)熱進(jìn)入再生器的稀溶液和再生空氣，減少系統(tǒng)的能耗。建筑中可以采用集中再生的方法，將各個(gè)新風(fēng)機(jī)流出的稀溶液統(tǒng)一進(jìn)入圖2所示的再生器中，實(shí)現(xiàn)溶液的集中濃縮再生。新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)在新風(fēng)機(jī)中的狀態(tài)變化參見(jiàn)圖3a(狀態(tài)編號(hào)見(jiàn)圖1)，進(jìn)入單級(jí)噴淋模塊板式換熱器的冷水溫度為16oC。其中a1是新風(fēng)狀態(tài)，a5是送風(fēng)狀態(tài)，R1是室內(nèi)狀態(tài)，R4是排風(fēng)狀態(tài)。a1~a2~a3~a4是新風(fēng)在溶液全熱回收器中的狀態(tài)變化過(guò)程，a4~a5是經(jīng)過(guò)單級(jí)噴淋模塊的狀態(tài)變化；R1~R4是排風(fēng)在溶液全熱回收器的狀態(tài)變化情況。?

圖1新風(fēng)機(jī)

冬季，再生器停止運(yùn)行，溶液僅在各自的新風(fēng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)，如圖1所示，其中補(bǔ)水閥打開(kāi)，溶液閥關(guān)閉。圖1中虛線的左側(cè)仍然是溶液式全熱回收裝置，虛線右側(cè)是單級(jí)噴淋模塊。溶液在進(jìn)入單級(jí)噴淋模塊之前，先經(jīng)過(guò)板式換熱器由熱水加熱，從而增強(qiáng)其加濕能力。由于溶液的表面蒸汽壓高于被處理新風(fēng)的水蒸汽分壓力，溶液中不斷有水分進(jìn)入空氣中，系統(tǒng)中設(shè)有補(bǔ)水裝置，以維持單級(jí)噴淋模塊中溶液的濃度。室外新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)在新風(fēng)機(jī)中的狀態(tài)變化過(guò)程參見(jiàn)圖3b，狀態(tài)編號(hào)參見(jiàn)圖1，進(jìn)入單級(jí)噴淋模塊板式換熱器的熱水溫度為40oC。

3新風(fēng)機(jī)性能的評(píng)價(jià)方法

夏季

新風(fēng)機(jī)所消耗的能量包括兩部分，一是制冷機(jī)制備冷凍水所消耗的電量Eair，二是溶液濃縮再生所需要投入的加熱量Qhot。新風(fēng)機(jī)的性能，可以用電性能系數(shù)ECOP和熱性能系數(shù)TCOP來(lái)描述，兩系數(shù)的定義

(1)

(2)

其中，Qair為新風(fēng)獲得的冷量，其計(jì)算方法見(jiàn)式(3)，hw和hsend分別為新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的焓值。ECOP可以改寫(xiě)為式(4)的形式，其中r為新風(fēng)機(jī)中冷水提供冷量與新風(fēng)獲得冷量的比值，COPR為制冷機(jī)的性能系數(shù)。

(3)

(4)

冬季

新風(fēng)機(jī)所消耗的能量是：熱水加熱溶液所需投入的熱量Qhot。新風(fēng)機(jī)的性能，用熱性能系數(shù)TCOP來(lái)描述，具體表達(dá)形式如式(5)所示。

(5)

a.夏季b.冬季

圖3空氣的狀態(tài)變化過(guò)程

4新風(fēng)機(jī)的性能分析

夏季

圖4是在北京市氣象參數(shù)下溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的性能，室內(nèi)的溫度為oC、相對(duì)濕度為50%。圖4a反映了溶液全熱回收裝置的效果，該熱回收裝置的全熱回收效率在70~80%范圍內(nèi)，整個(gè)夏季的平均熱回收效率為%。室外的溫度越高濕度越大，即新風(fēng)與室內(nèi)排風(fēng)狀態(tài)的焓差越大，熱回收的效率越高。全熱回收裝置的采用，有效的回收了室內(nèi)排風(fēng)的能量，從而大幅度降低了新風(fēng)處理能耗。圖4b是新風(fēng)機(jī)的電性能系數(shù)ECOP的變化情況，供冷季的平均值為，明顯高于常規(guī)電動(dòng)制冷機(jī)的性能系數(shù)。ECOP受新風(fēng)含濕量的影響顯著，而受新風(fēng)相對(duì)濕度的影響不如前者顯著。圖4c是新風(fēng)機(jī)的熱性能系數(shù)TCOP隨室外新風(fēng)狀態(tài)的變化情況，TCOP的平均值為。當(dāng)式(2)新風(fēng)獲得的冷量中不計(jì)入由全熱回收裝置回收的能量時(shí)，新風(fēng)機(jī)TCOP的平均值為，明顯高于文獻(xiàn)中由熱水驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的性能系數(shù)。

a.全熱回收效率

b.電性能系數(shù)

c.熱性能系數(shù)

圖4新風(fēng)機(jī)夏季性能分析

冬季

新風(fēng)機(jī)中溶液熱回收裝置的全熱回收效率如圖5a所示，平均全熱回收效率為%。新風(fēng)機(jī)的熱性能系數(shù)TCOP隨新風(fēng)狀態(tài)的變化關(guān)系參見(jiàn)圖5b。當(dāng)相對(duì)濕度不變時(shí)，TCOP隨新風(fēng)溫度的升高而降低。TCOP在~范圍內(nèi)變化，平均值為。如果直接采用熱網(wǎng)熱水供熱，則熱性能系數(shù)僅為1。所以，新風(fēng)機(jī)的性能明顯優(yōu)于直接用熱網(wǎng)供熱的情況。

a.全熱回收效率

b.熱性能系數(shù)

圖5新風(fēng)機(jī)冬季性能分析

5與其它新風(fēng)機(jī)的比較

本文提出的新風(fēng)機(jī)消耗熱能和電能兩種能源，為了更好的與其它形式的新風(fēng)機(jī)進(jìn)行比較，采用運(yùn)行費(fèi)用作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別給出各種不同形式新風(fēng)機(jī)運(yùn)行費(fèi)用的比值。

常規(guī)新風(fēng)機(jī)

圖6中縱坐標(biāo)RZ是本文提出的新風(fēng)機(jī)與常規(guī)新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用之比，橫坐標(biāo)RJ是電價(jià)與熱價(jià)之比。常規(guī)新風(fēng)機(jī)是指：夏季中，電動(dòng)制冷機(jī)制備出7oC冷水去除新風(fēng)的潛熱負(fù)荷和顯熱負(fù)荷；冬季中，來(lái)自市政熱網(wǎng)的熱水承擔(dān)顯熱負(fù)荷，電動(dòng)加濕器承擔(dān)潛熱負(fù)荷。北京市能源價(jià)格大致是：電價(jià)元/kWh，熱價(jià)30~50元/GJ，因此RJ為~。當(dāng)熱價(jià)為50元/GJ，即RJ為時(shí)，溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費(fèi)用分別為常規(guī)新風(fēng)機(jī)的25%和75%。當(dāng)熱價(jià)為30元/GJ，即RJ為時(shí)，溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費(fèi)用分別為常規(guī)新風(fēng)機(jī)的18%和62%。

圖6與常規(guī)新風(fēng)機(jī)比較

電能驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)

與文獻(xiàn)提出的電能驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)相比，可以得到如下結(jié)果：當(dāng)熱價(jià)為50元/GJ，即RJ為時(shí)，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費(fèi)用分別為文獻(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的51%和99%；當(dāng)熱價(jià)為30元/GJ，即RJ為時(shí)，本文提出的新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費(fèi)用分別為文獻(xiàn)新風(fēng)機(jī)的31%和83%。

圖7與電力驅(qū)動(dòng)溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)比較

熱水驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)

與文獻(xiàn)提出的熱水驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)相比，本文提出的新風(fēng)機(jī)可以調(diào)節(jié)進(jìn)入單級(jí)噴淋模塊的溶液溫度，從而可以方便的調(diào)節(jié)溶液的加濕或除濕能力，利用60oC的熱水即可滿(mǎn)足溶液的濃縮再生要求；而且再生耗熱量明顯降低。圖8是在電價(jià)為元/kWh，90oC熱水價(jià)格為50元/GJ的情況下，得到的運(yùn)行費(fèi)用比隨著60oC熱水價(jià)格的變化情況。當(dāng)60oC熱水價(jià)格仍為50元/GJ時(shí)，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費(fèi)用分別為文獻(xiàn)熱水驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的91%和71%。當(dāng)60oC熱水價(jià)格為30元/GJ時(shí)，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費(fèi)用分別為文獻(xiàn)新風(fēng)機(jī)的54%和59%。

圖8與熱水驅(qū)動(dòng)溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)比較

比較結(jié)果匯總

四種不同類(lèi)型新風(fēng)機(jī)運(yùn)行費(fèi)用的比較結(jié)果參見(jiàn)表1，其中本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用作為單位1，其它三種新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用均表示為單位1的倍數(shù)關(guān)系?？梢钥闯觯罕疚奶岢龅男滦蜔峄厥招嘛L(fēng)機(jī)具有明顯的節(jié)能效果。表1不同形式新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用比較常規(guī)新風(fēng)機(jī)電能驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)熱水驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)消耗能源種類(lèi)夏季電電熱水，電熱水，電冬季電，熱水電熱水熱水電價(jià)元/kWh熱價(jià)50元/GJ夏季*冬季*電價(jià)元/kWh熱價(jià)30元/GJ夏季**冬季**

注：*表示60oC和90oC熱水價(jià)格均為50元/GJ；

**表示60oC和90oC熱水價(jià)格分別為30元/GJ和50元/GJ。

6結(jié)論

本文基于鹽溶液的吸濕、放濕特性，提出了由溶液全熱回收裝置和帶板式換熱器的單級(jí)噴淋模塊組成的新風(fēng)機(jī)。該新風(fēng)機(jī)具有以下特點(diǎn)

a)采用以溶液為循環(huán)媒介的全熱回收裝置，熱回收效率高，能夠充分回收室內(nèi)排風(fēng)的能量，有效的降低新風(fēng)處理能耗。

b)在單級(jí)噴淋模塊中，采用板式換熱器調(diào)節(jié)進(jìn)入噴淋模塊的溶液溫度，改善了溶液的調(diào)濕性能。夏季，15~18oC的冷水進(jìn)入板式換熱器冷卻溶液用以增強(qiáng)其除濕能力，因此使用低濃度的溶液即可滿(mǎn)足送風(fēng)參數(shù)的要求，從而有效的降低了溶液再生的溫度要求，使用60oC的熱水即可滿(mǎn)足再生要求，這為太陽(yáng)能、工業(yè)廢熱等能源的使用提供了條件。與此同時(shí)，冷凍水的供水溫度提高，制冷機(jī)的性能系數(shù)也明顯增加。冬季，40~50oC的熱水進(jìn)入板式換熱器加熱溶液，從而有效的提高了溶液的加濕能力。

c)全年逐時(shí)能耗分析的結(jié)果表明：夏季，平均全熱回收效率為%，新風(fēng)機(jī)的平均電性能系數(shù)和熱性能系數(shù)分別為和；冬季，平均全熱回收效率為%，新風(fēng)機(jī)的平均熱性能系數(shù)為。

d)節(jié)能效果明顯。在北京氣象條件下，當(dāng)電價(jià)為元/kWh，熱價(jià)為50元/GJ時(shí)，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費(fèi)用分別為常規(guī)新風(fēng)機(jī)的25%和75%、為文獻(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的51%和99%、為文獻(xiàn)熱水驅(qū)動(dòng)溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的91%和71%。當(dāng)60oC熱水的價(jià)格為30元/GJ時(shí)，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費(fèi)用分別為常規(guī)新風(fēng)機(jī)的18%和62%、為文獻(xiàn)新風(fēng)機(jī)的31%和83%、為文獻(xiàn)新風(fēng)機(jī)的54%和59%。

e)鹽溶液具有殺菌、除塵作用，能夠避免新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的交叉污染。由于溶液完成新風(fēng)的除濕任務(wù)，冷凍水的溫度可以提高至15~18oC，系統(tǒng)中沒(méi)有冷凝水的表面，也消除了室內(nèi)一大污染源。新風(fēng)處理能耗的降低，為新風(fēng)量的增加提供了條件，能夠進(jìn)一步提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。

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