夏熱冬暖地區(qū)毛細管網(wǎng)供冷系統(tǒng)的新風(fēng)除濕方案探討

劉雪婷

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽110168）

我國南部夏熱冬暖地區(qū)具有顯著亞熱帶季風(fēng)氣候，全年長夏無冬，炎熱潮濕，夏季空調(diào)期歷時5～6 個月。常規(guī)風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)具有如下缺陷：高耗電量造成城市電網(wǎng)緊張、強制空氣對流引起人體舒適感差、冷凝盤管表面潮濕滋生細菌污染室內(nèi)潔凈度等。毛細管網(wǎng)輻射供冷系統(tǒng)因其高效節(jié)能環(huán)保、舒適健康衛(wèi)生等特點成為近年來節(jié)能建筑領(lǐng)域研發(fā)焦點，然而毛細管網(wǎng)輻射系統(tǒng)的凝露問題是其在市場推廣方面的主要障礙[1]。

1 夏熱冬暖地區(qū)空調(diào)能耗特點

根據(jù)《民用建筑設(shè)計通則2019 版》規(guī)定，夏熱冬暖地區(qū)是位于秦嶺淮河一線以南，橫跨“粵、瓊、閩、滇、臺”五省與香港、澳門兩個特別行政區(qū)，南部邊陲沿海的一個建筑熱工分區(qū)。該地區(qū)具有顯著的亞熱帶季風(fēng)氣候，太陽高度較大，日照時間短，但太陽能輻射強度大。一月最冷平均溫度在10℃左右，七月最熱平均溫度達25℃～35℃，全年中有100～200 天日平均溫度大于25℃，室外空氣年平均相對濕度82%[2]。漫長炎熱潮濕期間，空調(diào)成為了人們創(chuàng)建良好居住熱濕環(huán)境的必要選擇。南寧市最冷月平均溫度12℃，最熱月平均溫度32℃，全年平均相對濕度82%，夏季風(fēng)機盤管加新風(fēng)制冷能耗占全年空調(diào)采暖能耗的80%，而其中消除室內(nèi)潛熱的新風(fēng)系統(tǒng)能耗占全年空調(diào)采暖能耗的32%。由此可見建立新型低能耗新風(fēng)系統(tǒng)是降低暖通空調(diào)能耗重要途徑。

2 毛細管網(wǎng)末端系統(tǒng)

與傳統(tǒng)風(fēng)機盤管對流式空調(diào)系統(tǒng)相比，毛細管網(wǎng)末端中充滿了具有高效傳熱功能的介質(zhì)- 水，水的傳熱速率是空氣的1000 倍。夏季毛細管網(wǎng)輻射供冷工況下，供水水溫只需18℃，就能滿足室內(nèi)舒適性溫度要求，為直接利用自然能源、廢熱創(chuàng)造條件，使空調(diào)機組的循環(huán)效率大大提升，符合國家節(jié)能減排降耗的號召。毛細管網(wǎng)末端系統(tǒng)以輻射面積大、傳熱速度快、傳熱效率高、室內(nèi)溫度場分布均勻、垂直方向空氣梯度差值小、柔和輻射冷量等優(yōu)點，有望取代傳統(tǒng)空調(diào)的成為未來建筑采暖制冷的主流方式。作為一項新興技術(shù)，毛細管網(wǎng)末端系統(tǒng)在市場推廣方面主要受制于冷輻射表面凝露現(xiàn)象。而新風(fēng)除濕置換通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合毛細管網(wǎng)輻射供冷可以有效避免此類現(xiàn)象發(fā)生，控制室內(nèi)濕度確保冷輻射表面溫度始終高于空氣露點溫度，打造符合綠色要求的仿自然通風(fēng)環(huán)境。

3 六種常見除濕方案

3.1 通風(fēng)除濕：通過門窗將室外干燥空氣引入室內(nèi)，同時排除室內(nèi)潮濕空氣，以置換、混合等方式降低室內(nèi)濕度[3]。此除濕方案不需任何設(shè)備，只需要保證室外空氣干燥，但其主要缺陷是除濕效果不理想，只適用于室內(nèi)熱濕環(huán)境要求低的場所。

3.2 升溫除濕：室外空氣經(jīng)過電加熱器等濕升溫后相對濕度降低。此除濕方案投資運行費用低，運行簡單方便，但只適用于對室內(nèi)溫度要求低的場所。

3.3 露點除濕：利用低溫冷源實現(xiàn)對空氣的過冷處理，降低至空氣的露點溫度以下，濕空氣中水分子冷凝，減少空氣含濕量，再將空氣等濕加熱至送風(fēng)狀態(tài)點處后送入空調(diào)房間。此除濕方案使用率最高、技術(shù)最嫻熟，但在空調(diào)能耗日益增長的今天，先冷卻后再熱的方式造成能源的不必要浪費等弊端愈發(fā)突出。

3.4 轉(zhuǎn)輪除濕：空氣中的水分在吸濕區(qū)被除掉后，鼓風(fēng)機將干燥后的空氣送入室內(nèi)，吸收了水分的轉(zhuǎn)輪移動到再生區(qū)，這時從逆方向送入的再生用空氣(溫風(fēng))將驅(qū)除水分。此除濕方案可獲得低于6℃的超低露點干燥空氣，但國內(nèi)轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)發(fā)展還尚不成熟，國內(nèi)市場產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。

3.5 膜法除濕：以膜兩側(cè)水蒸氣分壓力差為驅(qū)動力，利用膜材料對水蒸氣的選擇滲透性，使水蒸氣與其他氣體分離，達到氣體除濕目的。此方案具有許多優(yōu)點，如除濕過程連續(xù)進行、內(nèi)部無需閥門切換、系統(tǒng)內(nèi)部無腐蝕性利于維護。但其除濕膜還存在除濕效率低、成本高等缺陷。

3.6 溶液除濕：利用空氣的水蒸氣分壓力與除濕溶液表面的飽和蒸汽壓力之差進行傳熱傳質(zhì)，除濕時用低溫除濕溶液吸收高溫潮濕空氣中的水分，再生時將除濕溶液加熱升溫，與低溫干燥的空氣接觸后排出水分。此方案除濕效果好兼有殺菌消毒功能，但設(shè)備比較復(fù)雜，初投資費用較高，溶液除濕與再生過程需要大量冷源預(yù)冷和熱源再生。

4“太陽能+空調(diào)余熱”驅(qū)動溶液除濕新風(fēng)處理方案

在“溫濕度獨立控制”設(shè)計理念下，夏季毛細管輻射供冷輔以置換新風(fēng)的溶液除濕系統(tǒng)，供水水溫只需18℃即能達到室內(nèi)舒適溫度26℃±2℃要求。其中溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)主要能耗包括除濕預(yù)冷能耗與溶液再生能耗，氯化鋰除濕溶液的再生溫度在60～80℃左右。該除濕方案可梯級利用太陽能、空調(diào)余熱等低品位能源，既低電能耗實現(xiàn)除濕溶液再生，又減少礦物燃料的使用及其所造成的環(huán)境污染。

4.1“太陽能+空調(diào)余熱”驅(qū)動溶液除濕新風(fēng)系統(tǒng)介紹

采用空調(diào)機組為毛細管網(wǎng)輻射空調(diào)系統(tǒng)提供18～20℃高溫冷源，同時配套利用太陽能與空調(diào)室外冷凝余熱為溶液除濕新風(fēng)系統(tǒng)中的溶液再生提供熱量，在提高能量利用率的同時，充分利用清潔可再生能源太陽能。尤其在夏熱冬暖、潮濕多雨、太陽能輻射強度大的地區(qū)，該除濕系統(tǒng)可配合毛細管網(wǎng)輻射供冷系統(tǒng)為空調(diào)房間提供干燥清潔的新風(fēng)用于排除室內(nèi)余濕，系統(tǒng)利用率高，投資回收期短。在“太陽能+空調(diào)余熱”驅(qū)動溶液除濕的毛細管網(wǎng)輻射供冷系統(tǒng)中分為溫度控制與濕度控制兩大部分。其中溫度控制系統(tǒng)：由室外空調(diào)機組制備冷源經(jīng)分水器分流后送入敷設(shè)在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)的毛細管網(wǎng)中，毛細管網(wǎng)表面通過輻射與對流的方式與室內(nèi)進行熱量交換，輻射換熱量占50%以上。其中濕度控制系統(tǒng)由除濕器、稀溶液槽、溶液泵、太陽能熱水器（內(nèi)含蓄熱水箱、換熱器、電加熱器等設(shè)備裝置）、再生器、濃溶液槽、板式換熱器、氣體冷卻器、分水器、集水器等部件組成。新風(fēng)在除濕器噴淋室內(nèi)經(jīng)氯化鋰濃溶液除濕后，通過氣體冷凝器降溫送入空調(diào)房間置換通風(fēng)。而完成除濕過程后的濃溶液變成稀溶液，稀溶液在溶液泵驅(qū)動下途經(jīng)空調(diào)機組冷凝器、太陽能熱水器兩級再生能源加熱后送至溶液再生器與室內(nèi)回風(fēng)充分接觸完成濃溶液再生。新風(fēng)除濕過程中，空調(diào)機組制備的18～20℃高溫冷源經(jīng)分水器送至內(nèi)冷型除濕器消除除濕過程中產(chǎn)生的熱量，送至預(yù)冷換熱器為再生濃溶液提供冷源，送至氣體冷卻器對除濕后的干燥氣體冷卻到室內(nèi)送風(fēng)溫度16℃。

4.2 除濕系統(tǒng)特點

4.2.1 夏季室內(nèi)毛細管網(wǎng)顯熱末端與溶液除濕新風(fēng)系統(tǒng)共用一套高溫冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，不需另設(shè)其他冷源設(shè)備，節(jié)省初投資及運行管理費用。

4.2.2 除濕系統(tǒng)中有效利用清潔可再生能源太陽能作為溶液再生能源，采用氯化鋰溶液為除濕溶液，具有殺菌、去塵、清潔、環(huán)保等特性。

4.2.3 除濕鹽溶液以化學(xué)能的形式儲存能量，溶液的蓄能強度是傳統(tǒng)冰蓄冷強度的3～5 倍。而且鹽溶液儲藏設(shè)備在沒有任何保溫措施的情況下，也不會發(fā)生能量耗散的現(xiàn)象。在夏季潮濕多雨、新風(fēng)除濕負荷過大時，鹽溶液可以釋放能量用于新風(fēng)除濕以減弱對再生能源的過度需求，降低系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計容量等。

4.2.4 夏季太陽能系統(tǒng)性能受室外環(huán)境影響波動比較大，有間歇性和不穩(wěn)定性等缺陷。為了輔助太陽能溶液除濕，熱回收空調(diào)冷凝余熱用于除濕溶液再生過程的第一級再熱，不但提高了能源利用率，而且使空調(diào)系統(tǒng)的室外冷凝溫度有效降低，大幅度提高制冷循環(huán)效率。

5 結(jié)論

基于夏熱冬暖地區(qū)的氣候條件與自然資源，“太陽能+空調(diào)余熱”驅(qū)動溶液除濕的新風(fēng)聯(lián)合毛細管網(wǎng)輻射供冷系統(tǒng)在低品位能源梯級利用、“削峰填谷”的蓄能性、高效節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域有著顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)風(fēng)機盤管加新風(fēng)相比，其初投資過高，但其運行費用大幅度降低，投資回收期較短，若具有完善生產(chǎn)規(guī)模，初投資將進一步降低，在市場上將會具有更大的競爭力。