关于空调除湿的讨论--液体除湿空调系统

1、引言

　　空调的湿负荷主要来自室内人员的产湿及新风中的湿，这部分湿负荷在总的空调负荷中占20%～40%，是整个空调负荷的重要组成部分。目前，常用的空调形式的空气处理方式为采用表冷器降温除湿。这样为了满足除湿的要求，经常要把空气冷到很低的温度。如满足室内舒适性需求的空气温度为24℃，露点为14℃，为了实现除湿的目的，冷冻水的温度要低到7℃，而冷机的蒸发温度低到2-5℃。不难看出，需要在温度为24℃的热源下取热以满足降温要求，而需要在14℃下取热以满足除湿要求。冷源的低温要求首先是为了满足除湿要求而设定的，若只是为了降温，蒸发温度可以高的多。为了除湿在冷凝过程中把干空气也冷到了同样低的温度，某些情况下还需要再热来满足送风温度的要求，这也造成能量的浪费。
　　所以，需要一种能够独立除湿的手段，把除湿和降温过程分开，从而使用温度较高的冷源就能把空气处理到送风状态，提高制冷机的效率，也可提高室内的舒适性。
　　本文对目前各种除湿方法进行分析比较，进而给出一种通过液体除湿实现空调的方法。

2、现有的除湿方法及吸附除湿过程的基本原理

2.1 几种现有除湿方法

　　除湿有很多方法，归纳起来如下表：

　　对表中各种除湿方式比较可以看出，利用吸附材料除湿是现有的除湿方式中能够实现湿度独立控制的较为可行的方式。

2.2 吸湿材料除湿基本原理

　　采用液体和固体吸湿材料除湿[1.4]的系统出现于本世纪50年代，之后蓬勃的发展起来，已经开发出多种形式的系统。篇幅所限，这里不做介绍。吸湿剂完成整个除湿----再生循环的状态变化如下图所示：

图1 吸湿剂状态的变化
　　

　　采用固体吸附材料除湿的系统，有固定床式和转轮式两种。固定床式固体吸附除湿装置是通过改变空气测流向实现间歇式的吸湿再生；转轮式除湿得到了更广泛的应用，它可实现连续的除湿和再生。这两种除湿方式有着致命的弱点就是动态的运行过程，期间混合损失大，影响效率，另外，这种形式很难实现等温的除湿过程，而除湿过程释放出的潜热使除湿剂的温度升高，吸湿能力大打折扣，整个过程传热传质的不可逆损失大，效率不高。

　　相对于固体吸附材料，由于液体具有流动性，采用液体吸湿材料的传热传质设备比较容易实现；另外，液体除湿过程容易被冷却，从而实现等温的除湿过程，不可逆损失可以减小。所以采用液体吸收除湿的方法有可能达到较好的热力学效果。

　　图2、图3是带有不同浓度溶液的饱和分压力线的湿空气的温湿图。图2是液体除湿中溶液状态变化过程，1-->2是除湿过程，溶液浓度升高，同时若采用逆流、冷却等手段，该过程可以近似等温甚至降温进行；2-->3-->4是溶液被加热、再生的过程，该过程需要提供热量，使溶液中的水份蒸发，溶液变浓；4-->1溶液被冷却，再进入除湿器除湿。图3表示的是液体除湿中空气的状态的变化过程，双线表示除湿的过程，单线表示再生的过程。

图2 吸湿溶液的循环过程

图3 除湿及再生空气的循环过程

3、液体除湿空调系统

　　通过对调整工艺流程，可以得到接近等温的除湿与再生过程，实现较高的能效比。

3.1 液体降湿系统的能耗分析

　　要提高液体除湿系统的能耗，首先要分析原有的液体除湿系统能耗低的原因。传统的液体除湿空调系统除湿器溶液的流量很大，浓溶液和稀溶液的浓度差在2%左右。这样尽管在除湿过程中采取一些冷却的措施来减小由于溶液温升导致其吸湿能力的下降，但是传质过程中的水蒸气分压差造成的不可逆损失仍然很大。如下图所示：

　　上述过程导致的直接后果是再生温度高，从而再生器的效率低。由于解决上述问题的方法是采用分级除湿的思路[5]，即在除湿的过程盐溶液的浓度是随着湿空气湿度的变化而变化的，同时每一级都采取相应的冷却措施。这样，如图5所示，传热温差，传质的浓度差会大大减小，从而减小了除湿过程的不可逆损失。充分的利用了溶液的吸湿能力，即在吸收同样多的湿量的情况下，分级的方法可使得溶液的浓度差达到10%左右。这样送回再生器的溶液的浓度降低了，更容易被再生，从而减少了高温热源的消耗。

　　根据质量平衡关系，采用了分级思想的除湿器溶液的流量会因为浓度差的增大而变小，而小流量会减小气、液的接触面积。为了强化换热，保证除湿器每一级内的溶液流量很大，而级与级之间的流量很小。这样即保证了换热有充分的接触面积，又使得溶液进出口可以实现高的浓度差。整个除湿器的流程如图6所示，图中的数据是一组实验结果。其中，除湿过程不断被冷却，冷却水一部分来自室外的冷却塔，一部分来自室内回风。对室内回风的焓的回收也使得整个系统运行的能效比大大提高。

　　 图6 除湿器流程图

　　对于再生器也要采用分级的思想，用高温的热源再生比较浓的溶液，用比较低温的热源再生比较稀的溶液，这样使得热源的利用效率提高。图7是一种分级再生器的思想，图中的温度都为设计温度。

　　定义以下几个参数：

　　其中，EERliquid为液体除湿空调的能效比，Qc为得到的冷量，kW；Qh为再生器的加热量，kW。

　　对于除湿器，由于冷却水的引入，使得整个过程近似等温的进行，被处理的室外空气状态为：33.9℃,22.3g/kgair,焓值为91.3kJ/kgair，出口状态为39.4℃,6g/kgair，该空气经过与室内回风间冷却，状态被处理至22℃，6g/kgair，焓值为37.3kJ/kgair。之后，空气被等焓加湿到送风状态（17℃）。空气处理的焓差为54kJ/kgair，除湿量Δd为16.3g/kgair。

　　 Δi为被处理空气的焓差，则Qc表示为：Qc=Δi=91.3-37.3=54kJ/kgair

　　如图7中的一个热水进水温度为90℃，出水温度为65℃的再生器，设计的空气进口状态为33.9℃，含湿量din为22.3g/kgair，焓值iin为91.3kJ/kgair,换热器的温差按照5℃计，得再生空气的出口状态为58℃，含湿量dout48g/kgair,焓值iout为183.4kJ/kgair,这样，每除去1g水，再生器需要的加热量q为：

　　再根据除湿器的数据，得到：

　　可见在热源最高温度为90℃的情况下，采用该方式能够比采用同样热源驱动的吸收式制冷机有更高的效率。

3.2 集中再生的液体除湿空调系统

　　将液体除湿系统的空气处理部分和再生部分分开，并且多个空气处理部分共用一个再生器，构成如图8所示的集中再生的液体除湿空调系统。集中的再生器可采用多级回热的形式以提高其效率。浓溶液分出各个支路通往空气处理模块，吸湿后的稀溶液通过管路流回再生器再生，如此循环。溶液的回路带有储液灌，起到了蓄能调峰的作用。末端的空气处理模块有两股空气流过，即被处理的空气3和起冷却作用气2，被处理的空气被除湿并冷却，放出的热量被排风吸收，排到大气中。还有一小部分经过除湿的干空气通过蒸发冷却的方法产生冷水可以冷却除湿后温度较高的送风达到适宜的送风温度，如图中的11所示。

1送风 2 冷却空气进口 3 被处理空气进口 4 湿热排风 5 空气处理模块 6 浓溶液
7 稀溶液 8 储液灌 9 再生热源 10 再生器 11间接蒸发制冷模块 12 表冷器
　　 图8 集中再生的液体除湿空调系统

　　采用液体除湿空调系统与传统的空调系统的设备相比，主要的换热部件采用塑料材料，防腐蚀而且价格低廉，溶液的管道尺寸小且无需外保温，这些都使得设备的成本很低。相比之下，溶液的投资占了整个系统投资的主要部分，综合下来，整个系统的投资会低于传统的空调方式。

3.3 液体除湿系统的优势

　　采用液体除湿空调系统与传统的空调系统相比有以下优势：

　　1. 热负荷、湿负荷分开处理，避免了过度冷却和再热的损失，有较高的能源利用效率并提高了室内的舒适程度：
　　2. 通过溶液的喷洒可以除去空气中的尘埃、细菌、霉菌及其他有害物；同时由于避免了使用有凝结水的盘管，也消除了室内的一大污染源；可采用全新风运行；提高　　了室内空气品质；
　　3. 可使低温有热源驱动，为低品味热源的利用提供了有效的途径；
　　4. 可以方便的实现蓄能，系统中设储浓溶液的容器，负荷小的时候储存浓溶液，负荷大的时候用来除湿，从而减小了系统的容量和相应的投资；单位质量蓄冷能力为　　冰的蓄冷能力的60%，而且无需保温等措施。
　　5. 整个设备各个部件构造简单，节省初投资。

4、应用前景展望

　　随着我国城市能源结构的调整，天然气将成为重要的城市能源，燃气---蒸汽联合循环是天然气利用的理想的方式[3]。在该方式中，一年四季都需要有热负荷。在冬季，燃气---蒸汽联合循环所提供的热能可用来供暖；在夏季，该热源用于空调中有以下几种方式：采用集中的制冷机，送冷水到用户，由于冷水的温差小，冷水流量就会很大，造成管路初投资、冷水的输运损失都很大；还有一种方法是送热水来驱动末端用户的吸收机，这种方法的问题在于所提供的热水温度不是很高，导致吸收机的能效比下降，一般只有0.4-0.6左右，这种方法基本上也不可行。根据本文前面的介绍。采用液体除湿空调系统无疑是理想的选择。

5、总结