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(zhǎng)夏無冬，炎熱潮濕，夏季空調(diào)期歷時(shí)5～6 個(gè)月。常規(guī)風(fēng)機(jī)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(qiáng)制空氣對(duì)流引起人體舒適感差、冷凝盤管表面潮濕滋生細(xì)菌污染室內(nèi)潔凈度等。毛細(xì)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(diǎn)成為近年來節(jié)能建筑領(lǐng)域研發(fā)焦點(diǎn)，然而毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)的凝露問題是其在市場(chǎng)推廣方面的主要障礙[1]。夏季毛細(xì)管內(nèi)通過18～20℃冷凍水僅消除室內(nèi)熱負(fù)荷，為保證冷輻射表面溫度始終高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度防止凝露現(xiàn)象發(fā)生，另需配置新風(fēng)系統(tǒng)消除室內(nèi)濕負(fù)荷，控制室內(nèi)CO2與污染物濃度，建立健康合理的室內(nèi)熱濕環(huán)境。尤其針對(duì)炎熱潮濕南方地區(qū)，優(yōu)化新風(fēng)系統(tǒng)除濕精度及系統(tǒng)耗能愈發(fā)受到重視。

1 夏熱冬暖地區(qū)空調(diào)能耗特點(diǎn)

根據(jù)《民用建筑設(shè)計(jì)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(tái)”五省與香港、澳門兩個(gè)特別行政區(qū)，南部邊陲沿海的一個(gè)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(shí)間短，但太陽能輻射強(qiáng)度大。一月最冷平均溫度在10℃左右，七月最熱平均溫度達(dá)25～35℃，全年中有100～200d日平均溫度大于25℃，室外空氣年平均相對(duì)濕度82%[2]。漫長(zhǎng)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。以典型夏熱冬暖地區(qū)南寧為例，全年氣候平均參數(shù)與空調(diào)能耗分析見表1，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(duì)濕度82%，夏季風(fēng)機(jī)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。

表1 2018 年南寧全年氣候平均參數(shù)與空調(diào)能耗分析表

2 毛細(xì)管網(wǎng)末端系統(tǒng)

與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管對(duì)流式空調(diào)系統(tǒng)相比，毛細(xì)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(xì)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(jī)組的循環(huán)效率大大提升，符合國家節(jié)能減排降耗的號(hào)召。毛細(xì)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(chǎng)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(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)空調(diào)成為未來建筑采暖制冷的主流方式。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，毛細(xì)管網(wǎng)末端系統(tǒng)在市場(chǎng)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(xì)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(diǎn)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

通風(fēng)除濕：通過門窗將室外干燥空氣引入室內(nèi)，同時(shí)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(chǎng)所。

升溫除濕：室外空氣經(jīng)過電加熱器等濕升溫后相對(duì)濕度降低。此除濕方案投資運(yùn)行費(fèi)用低，運(yùn)行簡(jiǎn)單方便，但只適用于對(duì)室內(nèi)溫度要求低的場(chǎng)所。

露點(diǎn)除濕：利用低溫冷源實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的過冷處理，降低至空氣的露點(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)的今天，先冷卻后再熱的方式造成能源的不必要浪費(fèi)等弊端愈發(fā)突出。

轉(zhuǎn)輪除濕：空氣中的水分在吸濕區(qū)被除掉后，鼓風(fēng)機(jī)將干燥后的空氣送入室內(nèi)，吸收了水分的轉(zhuǎn)輪移動(dòng)到再生區(qū)，這時(shí)從逆方向送入的再生用空氣(溫風(fēng))將驅(qū)除水分[4]。此除濕方案可獲得低于6℃的超低露點(diǎn)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(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。

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

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(jìn)行傳熱傳質(zhì)，除濕時(shí)用低溫除濕溶液吸收高溫潮濕空氣中的水分，再生時(shí)將除濕溶液加熱升溫，與低溫干燥的空氣接觸后排出水分[5]。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(fèi)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(dòng)溶液除濕新風(fēng)處理方案

在“溫濕度獨(dú)立控制”設(shè)計(jì)理念下，夏季毛細(xì)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(dá)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[6]。該除濕方案可梯級(jí)利用太陽能、空調(diào)余熱等低品位能源，既低電能耗實(shí)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(dòng)溶液除濕新風(fēng)系統(tǒng)介紹

采用空調(diào)機(jī)組為毛細(xì)管網(wǎng)輻射空調(diào)系統(tǒng)提供18～20℃高溫冷源，同時(shí)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(shí)，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(qiáng)度大的地區(qū)，該除濕系統(tǒng)可配合毛細(xì)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。系統(tǒng)形式如下圖1 所示：在“太陽能+空調(diào)余熱”驅(qū)動(dòng)溶液除濕的毛細(xì)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(jī)組制備冷源經(jīng)分水器分流后送入敷設(shè)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的毛細(xì)管網(wǎng)中，毛細(xì)管網(wǎng)表面通過輻射與對(duì)流的方式與室內(nèi)進(jìn)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(dòng)下途經(jīng)空調(diào)機(jī)組冷凝器、太陽能熱水器兩級(jí)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(jī)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(duì)除濕后的干燥氣體冷卻到室內(nèi)送風(fēng)溫度16℃。

圖1 “太陽能+空調(diào)余熱”驅(qū)動(dòng)溶液除濕的毛細(xì)管網(wǎng)輻射供冷系統(tǒng)原理圖

4.2 除濕系統(tǒng)特點(diǎn)

夏季室內(nèi)毛細(xì)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(yùn)行管理費(fèi)用。

（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。

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

（4）夏季太陽能系統(tǒng)性能受室外環(huán)境影響波動(dòng)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(jí)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)語

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(dòng)溶液除濕的新風(fēng)聯(lián)合毛細(xì)管網(wǎng)輻射供冷系統(tǒng)在低品位能源梯級(jí)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(shì)。與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)相比，其初投資過高，但其運(yùn)行費(fèi)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(jìn)一步降低，在市場(chǎng)上將會(huì)具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力。