太阳能转轮除湿机空调系统设计说明书.doc

太阳能转轮除湿机空调系统设计说明书
设计者：张俊 姚崇磊 高军伟 宋婷婷
程春香 关汉骏 王博
指导教师：周西文（硕士）
（河南科技大学规划与建筑工程学院
建筑环境与设备工程专业）

作品内容简介
通过实验设计了一套太阳能转轮除湿机空调系统，本系统将冷辐射吊顶系统与转轮除湿机系统有机结合起来，满足了人们对房间温湿度的独立控制，有效地解决了传统空调系统难以适应热湿比变化等问题，又结合转轮除湿机的能源可再生特点，利用太阳能对转轮除湿机能源作再生处理，从而高效、合理的利用资源。
本空调系统的显热负荷由冷辐射吊顶系统承担，潜热负荷由新风加转轮除湿机系统承担。由于转轮除湿机的除湿范围广且转轮除湿机的能源再生温度不高，因此对于湿度要求较高的一些场所更是适用。转轮除湿机的能源再生温度可由太阳能承担全部或一部分（其余部分由电加热器承担），从而利用低品位能源（太阳能）节省了高品位能源（电能），达到节能减排的目的，这也是本系统的最大亮点。与传统的空调系统相比，其应用前景也相当广泛。在常规空调系统中, 除湿过程往往伴随着再热过程, 这使系统性能系数下降，而转轮除湿复合式空调系统采用潜热、显热分开处理的新型运行方式, 能有效的去除潜热负荷, 热湿处理的控制精度高并可利用取之不尽的太阳能等低品位热源来满足再生负荷, 因而在能源日趋短缺的今天受到广泛重视。
联系人：张 俊
联系电话：[phone]
Emiail：zhangjoin@

1、研究背景及意义
随着人们生活品质的提高，对舒适性的要求也愈加严格，既要满足人们对舒适性建筑的要求，又满足国家对于能源的利用限制，基于如此我们构思设计了一套太阳能转轮除湿机空调系统。
本系统将冷辐射吊顶系统与转轮除湿机系统有机结合起来，满足了对房间温湿度的独立控制，又结合转轮除湿机的能源可再生特点，在空调系统中合理引入可再生能源（太阳能）,在改善室内空气品质的同时达到节能的目的。而传统的空调系统则是采用温湿度耦合的控制方法，采用冷凝方式实现对空气降温与除湿处理，同时去除建筑的显热负荷与潜热负荷，经冷凝除湿处理后，空气的湿度虽满足了要求，但温度过低，还需再热才能满足送风温湿度的要求，因而浪费了太多能源。
在讨论了独立新风系统对新风送风含湿量的要求和除湿转轮承担系统湿负荷的方案后,分析了基于太阳能再生的转轮除湿独立新风系统空气处理过程及能耗,结果显示与直接冷却除湿的独立新风系统相比更节能。
显然采用太阳能转轮除湿机空调系统比原有的冷凝除湿空调系统更加节能，更符合人们对舒适性的要求，也更符合国家对能源的合理、节约、有效利用的要求。

2、设计方案

图为太阳能转轮除湿空调系统原理图

图为太阳能转轮除湿空调系统焓湿图

说明：
（1）各状态点确定
a、除湿段：室外新风W经全热回收器冷却除湿至W1点，再过转轮除湿机等焓除湿到W2点，再经显热回收器等湿降温至W3点，然后过表冷器继续等湿降温至送风状态点O送入房间，在房间内吸收房间内潜热负荷等温加湿到N点，最后再过全热回收器到排风状态点N’，完成对房间的除湿过程。
b、转轮除湿机的能源再生段：室外新风W经显热回收器等湿加热至W4点，再经太阳能加热器等湿加热到状态点W5，若此时温度未达到转轮除湿机的能源再生温度，则还需要经电加热器等湿加热至状态点W6，如果经太阳能加热器加热后温度达到转轮除湿机的能源再生温度，则可跳过电加热器段，最后经过转轮除湿机等焓加湿至W7点，完成转轮除湿机的能源再生过程。
（2）系统特点
a、 湿度调节方便,控制精度高
独立新风系统设计的关键是系统湿负荷的处理问题。由于表冷器冷却除湿的湿度控制是依靠露点温度的控制来实现的,其除湿能力受到冷冻水温度的限制,当冷冻水温发生波动时将不易保证系统的正常运行,而固体吸附剂吸湿能力强,处理后的空气能达到较低的露点温度,其湿度可以很方便的依靠调节再生温度、转轮转速等运行参数进行控制,可以实现对室内空气湿度的精确控制。
b、 合理引入可再生能源,优化建筑能源结构
基于太阳能再生的转轮除湿独立新风系统将可再生能源合理引入空调系统,优化了建筑用能结构。转轮除湿系统中最大的能耗为再生耗热量,通过太阳能的光热转换为除湿系统提供再生热源,这样大大降低空调系统的运行成本,解决了冷冻除湿与冷却顶板所需水湿不匹配的问题。同时由于冷却顶板需要的冷水温度较高，因此可以延迟使用冷水机组或使用冷水机组时提高机组的蒸发压力,使机组能耗降低,在过渡季节可以用冷却塔直接供冷达到免费供冷的目的。
c、 有利于提高室内空气品质及热舒适性能
由于系统湿负荷的处理是依靠除湿转轮进行处理,没有湿工况运行的设备,改善了室内卫生条件,提高了室内空气品质。同时冷却顶板空调系统主要靠布置在顶板内一定数量的冷水管形成的冷辐射面提供冷量使室温下降, 在冷却顶板与空调房间空气的热量交换中, 辐射换热占有较大份额,因此冷却顶板空调系统室内温度分布较均匀,温度梯度比常规空调系统小, 使室内舒适度明显改善。

3、 设计计算公式：
（1） 各状态点参数求取
状态点焓值求取：
h=1.01t+（2501+1.85t）0.001d，kj/kg
式中：t——求取状态点温度，℃；
d——求取状态点的含湿量，g/kg。
热回收器效率：η=（x1-x2）/（x1-x3）
式中：x1，x2，x3如下图所示

太阳能集热器效率表达式：
ηt=0.645-2.9 (ti-tw) / It
式中：ti——太阳能集热器进口介质温度，℃；
tw——环境温度，℃；
It—— 集热器表面辐照度，w/㎡。

室内设计和新风送风空气含湿量之差：
dn-dw0=g/（p Mn）
式中：dn，dw0——分别为室内设计和新风送风空气
含湿量，g/kg；
g——人体小时散湿量，g/h；
p——新风密度,kg/m3；
􀀅 Mn——满足人体卫生要求的新风量标准,
m³/(h·人)。
显热负荷：
Qx=G p Cp（t2-t1）
式中：G——流经显热回收器流体流量，m³/h；
p——流经显热回收器流体密度，kg/m³；
Cp——流经显热回收器流体比热，
t1、t2—— 进、出显热回收器流体温度，℃。
潜热负荷：
Qq=G p（d2-d1）r
式中：G——流经热回收器流体流量，m³/h；
p——流经热回收器流体密度，kg/m³；
d1、d2—— 进、出热回收器流体含湿量，g/kg；
r——气化潜热，kj/kg。

全热负荷：
Q=G p（h2-h1）
式中：G——流经全热回收器流体流量，m³/h；
p——流经全热回收器流体密度，kg/m³；
h1、h2—— 进、出全热回收器流体的焓值，kj/kg。

（2）系统能耗分析事例：
以洛阳地区某空调房间为例，新风干球温度tg为35.9℃，焓值h为87.7KJ/kg,室内设计温度tg'为26℃，相对湿度为50%，焓值h'为53.33KJ/Kg,室内冷负荷Q为17.5KW.,湿负荷W为1.52g/s，室内人数n为50人，新风量标准取Mn为30m³/（h.人），人体每小时散失量g为109g/h，设转轮式全热回收器效率η为60%，室内显冷设备使用冷却吊板。冷水机组的COP随蒸发温度的升高而增加，文献【7】认为，制备冷冻水的制冷机组的性能系数约为COP1=4.6，制备15/20℃冷冻水的制冷机组的性能系数为COP2=6.34。而该系统冷冻水为18/21℃，所以制备冷冻水的制冷机组的性能系数为COP'=6.52。转轮除湿复合式空调系统冷却设备包括室内干盘管及空气冷却设备，干盘管承担室内显热冷负荷，空气冷却设备所承担的图中新风由w3至0过程所需要的显热冷负荷，则表冷器所承担的总的冷负荷为24.7KW，设该负荷由高温冷水机组承担，机组供回水温度为18/21℃，冷水机组的性能系数随蒸发温度的升高而升高，机组性能系数为6.52，所以冷却设备消耗的电能为3.79KW，常规空调冷水机组承担的总冷负荷为室内冷负荷和新风冷负荷，总值为34.69KW消耗的电能为7.54KW。由此可见，转轮除湿复合式空调系统冷却设备消耗的电能比常规空调冷却设备消耗的电能节约了49.7%,若转轮除湿机的能源再生温度由太阳能集热器提供，则节能效率会有进一步的增大。
太阳能集热器为除湿转轮提供tR=65.8℃的再生温度，所以太阳能集热器承担的显热负荷是12.1KW。太阳能集热器表面太阳辐射照度为4KW/㎡，太阳能集热器的效率为0.632，所以，太阳能集热器的发热量为19.1KW，转轮除湿机承担的负荷为13.9KW，耗电量为2.1度。显热回收器与全热回收器可节约3.75度电能，太阳能集热器可节约1.85度电能，所以太阳能转轮除湿空调系统共可节约3.5度电能，而洛阳市的生活用电电价为0.56元/度，则系统每年可省17169.6元。
太阳能集热板的发热量为600W/㎡，所以得需要31.8㎡的太阳能集热板，才能满足要求。市场上太阳能集热板的价格为300——400元/㎡，则太阳能集热器的造价为12720元。
经比较，采用太阳能转轮除湿空调系统不到一年就可回收成本，既能精确的改善室内空气品质，又能达到节能的目的。

（3）计算举例
以洛阳市为例，新风干球温度tg为35.9℃，焓值h为87.7KJ/kg,室内设计温度tg'为26℃，相对湿度为50%，焓值h'为53.33KJ/Kg,室内冷负荷Q为17.5KW.,湿负荷W为1.52g/s，室内人数n为50人，新风量标准取Mn为30m³/（h.人），人体每小时散失量g为109g/h，转轮除湿机能源再生温度tR=65.8℃，设转轮式全热回收器效率为60%，则

表1
W: 干球温度tg=35.9℃，焓值h=87.7kj/kg
h=1.01tg+(2501+1.85tg)*0.001*d
=1.01*35.9+(2501+1.85*35.9)*0.001*d
=87.7 kj/kg →d=20.04g/kg
由h-d图查得：(湿)ts=27.5℃,（露）tL=24.87℃
N：干球温度tg=26℃，焓值h′=53.33 kj/kg
h=1.01tg′+(2501+1.85tg′)*0.001*d′
=1.01*26+(2501+1.85*26)*0.001*d′
=53.33 kj/kg →d′=10.62g/kg
查h-d图得ts′=18.7℃ tL′=14.8℃
W1：全热回收器效率η=60%
由公式η=(x1-x2)/(x1-x3)*100%=60%
tg-tg1/tg-tg'=35.9-tg1/35.9-26=0.6 →tg1=29.96℃
d-d1/d-d'=20.04-d1/20.04-10.62=0.6 →d1=14.4g/kg
h-h1/h-h'=87.7-h1/87.7-53.33=0.6 →h1=67.08 kj/kg
查h-d图：ts1=22.62℃,tL1=19.54℃
W2:因W1到W2过程为等焓减湿过程。
所以h2=h1=67.08 kj/kg,ts2=ts1=22.62℃
根据式子△d=dn-dw0=g/ρ*Mn=109/1.2*30=3.03g/kg
所以d2=d0=d′-3.03=10.62-3.03=7.59g/kg
h2=1.01tg2+(2501+1.85tg2)*0.001*d2
tg2=46.97℃
查h-d图：tL2=9.79℃
△d=dN-dw0 g/ρ*Mn式中，
dN,dw0—分别为室内设计和新风送风空气含湿量g/kg
g—人体每小时散湿量，g/h
ρ—新风密度，kg/m3
Mn—满足人体卫生要求的新风量标准，m3/（h*人）
tL3=tL2=9.79℃
W3：d3=d2=7.59g/kg，
由式η=(x1-x2)/(x1-x3)*100%=60%得：
tg2-tg3/tg2-tg=46.97-tg3/46.97-35.9=0.6→tg3=40.33℃
所以：h3=1.01*40.33+(2501+1.85*26)*0.001*7.59 =60 kj/kg
查h-d图：tL3=20.9℃
O:tg0=tg′=26℃,d0=d3=7.59g/kg,tL0=tL3=9.79℃
所以
h0=1.01*26+(2501+1.85*26)*0.001*7.59=45.61 kj/kg
查h-d图：ts0=16.23℃
N′: 由式η=(x1-x2)/(x1-x3)*100%=60%得：
tg'- tgN'/tg'-tg=26- tgN'/26-35.9=0.6 →tgN'=31.94℃
d'-dN'/d'-d=10.62-dN'/10.62-20.04=0.6 →dN'=16.27g/kg
h'-hN'/h'-h=53.33-hN'/53.33-87.7=0.6 →hN′=73.95 kj/kg
查h-d图：tLN′=22℃,tsN′=24.8℃
W4：d4=d=20.04g/kg,tL4=24.87℃
由式η=(x1-x2)/(x1-x3)*100%知
tg-tg4/tg-tg2=35.9-tg4/35.9-46.97=0.6 →tg4=42.54℃
所以:
h4=1.01*42.54+(2501+1.85*42.54)*0.001*20.04=94.8 kj/kg
查h-d图：ts4=29℃
若全用太阳能来加热空气，则无W5状态点，
W6：d6=d4=20.04g/kg，tL6=tL4=24.87℃，tg6=tR=65.8℃
（转轮除湿机再生温度tR=65.8℃）
h6=1.01*65.8+(2501+1.85*65.8)*0.001*20.04=119.02 kj/kg
查h-d图：ts6=33.8℃
W7：因d2-d1=d6-d7
所以:
d7=d6-（d2-d1）=20.04-（7.59-14.4）=26.85g/kg，
h7=h6=119.02 kj/kg，ts7=ts6=33.8℃
由h7=1.01*tg7+（2501+1.85*tg7）*0.001*26.85 →tg7=48.79℃
查h-d图：tL7=29.8℃

转轮除湿复合式空调系统表冷器所承担的总冷负荷：
Qb=G(h3-hO)+Q=1500*1.2*(60-45.61)/3600+17.5=24.7KW
转轮除湿复合式空调系统表冷器消耗的电能：
Wb=Qb/COP＇=24.7/6.52=3.79KW
太阳能集热器承担的显热负荷：
Qk=G*(h6-h4)=1500*1.2*(119.02-94.8)=12.1KW

常规空调系统冷水机组承担的室内冷负荷：
Q=17.5KW
常规空调系统冷水机组承担的新风冷负荷：
Qw=G(h-h＇)＝1500*1.2*(87.7-53.33)/3600=17.19KW
常规空调系统冷水机组承担的总冷负荷：
Q＇=Q+Qw=17.5+17.19=34.69KW
常规空调系统冷水机组消耗的电能：
W＇=Q＇/COP=34.69/4.6=7.54KW

4、 系统优化
现有转轮除湿空调系统的不足：
（1） 再生能耗是国内外产品的共同缺点；
（2） 转轮材质反映出国内外产品水平上的差距；
（3）国产转轮除湿机目前都使用纸制氯化锂吸湿轮。
这种转轮是采用涂覆有吸湿剂和保护剂的石棉或玻璃纤维纸，经压瓦楞后与平板纸间隔卷绕成多孔道轮状载体。吸湿剂则采用氯化锂、氯化锰共晶体；精制聚合铝用作保护加强剂。这种纸制吸湿转轮的弱点在于：a、载体强度低、刚性差、湿强度更差，易变形损坏，使用寿命短。b、耐热性差，再生温度一般不超过135摄氏度。c、氯化锂吸水后对金属具有强腐蚀性，除湿机构件易锈蚀损坏，加上转轮自身强度差，所以氯化锂转轮除湿机工作寿命较短。d、转轮脱落的石棉或玻璃纤维粉尘对人体健康会构成不同程度的危害。

改善措施：
针对现有转轮除湿空调的缺点以及本系统的不足，我们提出以下改进：
（1）转轮除湿机尽可能使用固体硅胶除湿，这样可使除湿效率提高，同时增长除湿机的使用寿命，并且对人体健康的危害也减小很多；
（2）在冬季或天气状况不佳时，太阳能集热器可能提供不到足够温度使转轮除湿机的能源再生，因此我们在太阳能加热器段后边加进了电加热段，这样就保证了系统在不同环境下的正常工作；
（3）合理的选择设备、改造和调试系统，使得系统效率提高，减少能耗损失。

参考文献：
（1） 国标 GB/T19141---2003 家用太阳热水系统技术条件
（2） 江 亿 刘晓华 ，温湿度独立控制空调系统，中国建筑工业出版社， 2006.1
（3） 薛志峰 ，公共建筑节能 ，中国建筑工业出版社， 2007.11
（4） 张立志 ，除湿技术 ， 化学工业出版社， 2005.2
（5）周西文 王 雨 马爱华.，转轮除湿/冷辐射吊顶空调系统及其研究进展[J].， 制冷与空调(四川), 2008,22(3):87-91
（6）左远志 丁 静， 太阳能驱动除湿转轮辅助中央空调系统的设计[J].，节能技术, 2005,23(1):50-53
（7）陈沛霖. 论间接蒸发冷却技术在我国的应用前景[J]. 暖通空调, 1998,18(2):24-29.