新型溶液热回收新风机性能分析

摘要：为了解决提高室内空气品质与降低新风处理能耗的矛盾，提出了由溶液全热回收装置和带板式换热器的单级喷淋模块组成的溶液全热回收型新风机。采用全热回收装置，明显降低了新风处理能耗；利用板式换热器调节溶液的温度，有效的改善了溶液的除湿或加湿能力。通过北京市全年逐时性能模拟分析，以及与常规新风机和其它两种不同形式的溶液热回收型新风机运行能耗的比较，进一步证实了该新风机具有明显的节能效果。溶液具有杀菌、除尘作用，能够避免新风和室内排风的交叉污染；而且新风处理能耗的降低，为新风量的增加提供了条件，能够进一步提高室内空气品质。

关键词：除湿溶液 全热回收 室内空气品质 节能 运行费用

1 简介

    在空调领域中，除了热湿环境外，室内空气品质也受到越来越多的关注^[1-2]。室外新风在排除室内CO₂和VOC以及稀释室内可能存在的病菌方面，明显优于室内回风。但考虑到新风机的运行能耗，使得增加新风量受到制约。采用全热回收方法是降低新风处理能耗的有效方法，但转轮式、板翅式等全热回收装置不能避免新风和室内排风的交叉污染。为了解决提高室内空气品质与降低新风处理能耗的矛盾，提出了溶液热回收型新风机，该形式的新风机有较高的全热回收效率，而且溶液具有杀菌除尘作用^[2-3]，能够避免新风和室内排风的交叉污染。

    以溶液为循环介质的热回收型新风机可以有多种方式：文献[4]提出了由溶液全热回收器和一个小容量的制冷循环组成的电能驱动的新风机，夏季，制冷循环中蒸发器的制冷量用于冷却溶液以增强其除湿能力，冷凝器的排热量用于溶液的浓缩再生；冬季运行时，可采用四通阀实现蒸发器和冷凝器的相互转换，使冷机工作在热泵工况下，新风被加热加湿。文献[5]提出了由90ºC热水驱动的溶液热回收型新风机，夏季，通过板式换热器回收室内排风蒸发冷却的冷量来冷却溶液增强其除湿能力，除湿后的新风由15~18ºC冷水进一步降温冷却后送入室内；冬季，通过新风机工况的转换，可以使其按照全热回收模式运行，加湿后的新风再由高温热水进一步加热后送入室内。本文提出的溶液热回收型新风机是由溶液全热回收装置和带板式换热器调温的单级喷淋模块组成，以热水作为主要的驱动源，夏季，15~18ºC的冷水用于调节进入单级喷淋模块的溶液温度，增强其除湿能力，与文献[5]相比循环溶液的浓度降低，可以使用60ºC热水即可满足溶液再生要求；冬季，40~50ºC的热水用于调节进入单级喷淋模块的溶液温度，以增强其加湿能力。

    本文介绍了该新型溶液热回收型新风机的工作原理，在此基础上进行全年运行能耗的分析，并与常规新风机、文献[4]和文献[5]分别提出的溶液热回收型新风机进行运行能耗的比较。

2 新风机的工作原理

    新风机的工作原理参见图1，布水阀关闭，溶液阀打开。该新风机由两部分组成：虚线左边是以溶液为循环介质的溶液式全热回收装置^[4]（图中共有三级），虚线右边是单级喷淋模块。室外新风首先经过全热回收装置，回收室内排风的能量后，再经过单级喷淋模块进一步处理后送入空调房间。夏季，为了增强溶液除湿的能力，在溶液进入单级喷淋装置前，由冷冻水实现溶液的降温处理过程。由于除湿任务是由溶液系统承担的，因此冷冻水的水温高于常规冷凝除湿的水温要求，制冷机的蒸发温度和性能系数均明显增大。流出新风机的溶液浓度降低，需要浓缩再生才能重新使用。图1所示新风机使用60ºC的热水作为溶液的再生热源，再生器的结构与喷淋模块类似，参见图2。系统中设有溶液回热器和空气回热器，分别预热进入再生器的稀溶液和再生空气，减少系统的能耗。建筑中可以采用集中再生的方法，将各个新风机流出的稀溶液统一进入图2所示的再生器中，实现溶液的集中浓缩再生。新风和室内排风在新风机中的状态变化参见图3a(状态编号见图1)，进入单级喷淋模块板式换热器的冷水温度为16ºC。其中a₁是新风状态，a₅是送风状态，R₁是室内状态，R₄是排风状态。a₁~a₂~a₃~a₄是新风在溶液全热回收器中的状态变化过程，a₄~a₅是经过单级喷淋模块的状态变化；R₁~R₄是排风在溶液全热回收器的状态变化情况。

图1 新风机

    冬季，再生器停止运行，溶液仅在各自的新风机中实现循环流动，如图1所示，其中补水阀打开，溶液阀关闭。图1中虚线的左侧仍然是溶液式全热回收装置，虚线右侧是单级喷淋模块。溶液在进入单级喷淋模块之前，先经过板式换热器由热水加热，从而增强其加湿能力。由于溶液的表面蒸汽压高于被处理新风的水蒸汽分压力，溶液中不断有水分进入空气中，系统中设有补水装置，以维持单级喷淋模块中溶液的浓度。室外新风和室内排风在新风机中的状态变化过程参见图3b，状态编号参见图1，进入单级喷淋模块板式换热器的热水温度为40ºC。

3 新风机性能的评价方法

3.1 夏季

    新风机所消耗的能量包括两部分，一是制冷机制备冷冻水所消耗的电量E_air，二是溶液浓缩再生所需要投入的加热量Q_hot。新风机的性能，可以用电性能系数ECOP和热性能系数TCOP来描述^[6]，两系数的定义如下：

　　　　 (1)

　　　　(2)

其中，Q_air为新风获得的冷量，其计算方法见式(3)，h_w和h_send分别为新风和室内排风的焓值。ECOP可以改写为式(4)的形式，其中r为新风机中冷水提供冷量与新风获得冷量的比值，COP_R为制冷机的性能系数。

　　　　(3)

　　　　(4)

3.2 冬季

新风机所消耗的能量是：热水加热溶液所需投入的热量Q_hot。新风机的性能，用热性能系数TCOP来描述，具体表达形式如式(5)所示。

　　　　(5)

a. 夏季 　　　　b. 冬季
图3 空气的状态变化过程

4 新风机的性能分析

4.1 夏季

    图4是在北京市气象参数下溶液热回收型新风机的性能，室内的温度为26.0ºC、相对湿度为50%。图4a反映了溶液全热回收装置的效果，该热回收装置的全热回收效率在70~80%范围内，整个夏季的平均热回收效率为74.3%。室外的温度越高湿度越大，即新风与室内排风状态的焓差越大，热回收的效率越高。全热回收装置的采用，有效的回收了室内排风的能量，从而大幅度降低了新风处理能耗。图4b是新风机的电性能系数ECOP的变化情况，供冷季的平均值为9.4，明显高于常规电动制冷机的性能系数。ECOP受新风含湿量的影响显著，而受新风相对湿度的影响不如前者显著。图4c是新风机的热性能系数TCOP随室外新风状态的变化情况，TCOP的平均值为3.0。当式(2)新风获得的冷量中不计入由全热回收装置回收的能量时，新风机TCOP的平均值为1.7，明显高于文献[5]中由热水驱动的溶液热回收型新风机的性能系数。

a. 全热回收效率

b. 电性能系数

c. 热性能系数
图4 新风机夏季性能分析

4.2 冬季

    新风机中溶液热回收装置的全热回收效率如图5a所示，平均全热回收效率为66.7%。新风机的热性能系数TCOP随新风状态的变化关系参见图5b。当相对湿度不变时，TCOP随新风温度的升高而降低。TCOP在1.5~2.5范围内变化，平均值为2.2。如果直接采用热网热水供热（仅去除显热负荷），则热性能系数仅为1。所以，新风机的性能明显优于直接用热网供热的情况。

a. 全热回收效率

b. 热性能系数
图5 新风机冬季性能分析

5 与其它新风机的比较

    本文提出的新风机消耗热能和电能两种能源，为了更好的与其它形式的新风机进行比较，采用运行费用作为评价指标，分别给出各种不同形式新风机运行费用的比值。

5.1 常规新风机

     图6中纵坐标R_Z是本文提出的新风机与常规新风机的运行费用之比，横坐标R_J是电价与热价之比。常规新风机是指：夏季中，电动制冷机制备出7ºC冷水去除新风的潜热负荷和显热负荷（不计入再热的能耗）；冬季中，来自市政热网的热水承担显热负荷，电动加湿器承担潜热负荷。北京市能源价格大致是：电价0.8元/kWh，热价30~50元/GJ，因此R_J为7.4~4.4。当热价为50元/GJ，即R_J为4.4时，溶液热回收型新风机的冬、夏运行费用分别为常规新风机的25%和75%。当热价为30元/GJ，即R_J为7.4时，溶液热回收型新风机的冬、夏运行费用分别为常规新风机的18%和62%。

图6 与常规新风机比较

5.2 电能驱动的溶液热回收型新风机

与文献[4]提出的电能驱动的溶液热回收型新风机相比，可以得到如下结果：当热价为50元/GJ，即R_J为4.4时，本文提出的溶液热回收型新风机的冬、夏运行费用分别为文献[4]电力驱动的溶液热回收型新风机的51%和99%；当热价为30元/GJ，即R_J为7.4时，本文提出的新风机的冬、夏运行费用分别为文献[4]新风机的31%和83%。

图7 与电力驱动溶液热回收型新风机比较

5.3 热水驱动的溶液热回收型新风机

    与文献[5]提出的热水驱动的溶液热回收型新风机相比，本文提出的新风机可以调节进入单级喷淋模块的溶液温度，从而可以方便的调节溶液的加湿或除湿能力，利用60ºC的热水即可满足溶液的浓缩再生要求；而且再生耗热量明显降低。图8是在电价为0.8元/kWh，90ºC热水价格为50元/GJ的情况下，得到的运行费用比随着60ºC热水价格的变化情况。当60ºC热水价格仍为50元/GJ时，本文提出的溶液热回收型新风机的冬、夏运行费用分别为文献[5]热水驱动的溶液热回收型新风机的91%和71%。当60ºC热水价格为30元/GJ时，本文提出的溶液热回收型新风机的冬、夏运行费用分别为文献[5]新风机的54%和59%。

5.4 比较结果汇总

    四种不同类型新风机运行费用的比较结果参见表1，其中本文提出的溶液热回收型新风机的运行费用作为单位1，其它三种新风机的运行费用均表示为单位1的倍数关系。可以看出：本文提出的新型热回收新风机具有明显的节能效果。

注： * 表示60ºC和90ºC热水价格均为50元/GJ；

** 表示60ºC和90ºC热水价格分别为30元/GJ和50元/GJ。

6 结论

    本文基于盐溶液的吸湿、放湿特性，提出了由溶液全热回收装置和带板式换热器的单级喷淋模块组成的新风机。该新风机具有以下特点：

a) 采用以溶液为循环媒介的全热回收装置，热回收效率高，能够充分回收室内排风的能量，有效的降低新风处理能耗。

b) 在单级喷淋模块中，采用板式换热器调节进入喷淋模块的溶液温度，改善了溶液的调湿性能。夏季，15~18ºC的冷水进入板式换热器冷却溶液用以增强其除湿能力，因此使用低浓度的溶液即可满足送风参数的要求，从而有效的降低了溶液再生的温度要求，使用60ºC的热水即可满足再生要求，这为太阳能、工业废热等能源的使用提供了条件。与此同时，冷冻水的供水温度提高，制冷机的性能系数也明显增加。冬季，40~50ºC的热水进入板式换热器加热溶液，从而有效的提高了溶液的加湿能力。

c) 全年逐时能耗分析的结果表明：夏季，平均全热回收效率为74.3%，新风机的平均电性能系数和热性能系数分别为9.4和3.0；冬季，平均全热回收效率为66.7%，新风机的平均热性能系数为2.2。

d) 节能效果明显。在北京气象条件下，当电价为0.8元/kWh，热价为50元/GJ时，本文提出的溶液热回收型新风机的冬、夏运行费用分别为常规新风机的25%和75%、为文献[4]电力驱动的溶液热回收型新风机的51%和99%、为文献[5]热水驱动溶液热回收型新风机的91%和71%。当60ºC热水的价格为30元/GJ时，本文提出的溶液热回收型新风机的冬、夏运行费用分别为常规新风机的18%和62%、为文献[4]新风机的31%和83%、为文献[5]新风机的54%和59%。

e) 盐溶液具有杀菌、除尘作用，能够避免新风和室内排风的交叉污染。由于溶液完成新风的除湿任务，冷冻水的温度可以提高至15~18ºC，系统中没有冷凝水的表面，也消除了室内一大污染源。新风处理能耗的降低，为新风量的增加提供了条件，能够进一步提高室内空气品质。

参考文献

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