摘要：為了解決提高室內(nèi)空氣品質(zhì)與降低新風(fēng)處理能耗的矛盾，提出了由溶液全熱回收裝置和帶板式換熱器的單級噴淋模塊組成的溶液全熱回收型新風(fēng)機(jī)。采用全熱回收裝置，明顯降低了新風(fēng)處理能耗；利用板式換熱器調(diào)節(jié)溶液的溫度，有效的改善了溶液的除濕或加濕能力。通過北京市全年逐時性能模擬分析，以及與常規(guī)新風(fēng)機(jī)和其它兩種不同形式的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗的比較，進(jìn)一步證實了該新風(fēng)機(jī)具有明顯的節(jié)能效果。溶液具有殺菌、除塵作用，能夠避免新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的交叉污染；而且新風(fēng)處理能耗的降低，為新風(fēng)量的增加提供了條件，能夠進(jìn)一步提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：除濕溶液 全熱回收 室內(nèi)空氣品質(zhì) 節(jié)能 運(yùn)行費用

1 簡介

    在空調(diào)領(lǐng)域中，除了熱濕環(huán)境外，室內(nèi)空氣品質(zhì)也受到越來越多的關(guān)注^[1-2]。室外新風(fēng)在排除室內(nèi)CO₂和VOC以及稀釋室內(nèi)可能存在的病菌方面，明顯優(yōu)于室內(nèi)回風(fēng)。但考慮到新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗，使得增加新風(fēng)量受到制約。采用全熱回收方法是降低新風(fēng)處理能耗的有效方法，但轉(zhuǎn)輪式、板翅式等全熱回收裝置不能避免新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的交叉污染。為了解決提高室內(nèi)空氣品質(zhì)與降低新風(fēng)處理能耗的矛盾，提出了溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)，該形式的新風(fēng)機(jī)有較高的全熱回收效率，而且溶液具有殺菌除塵作用^[2-3]，能夠避免新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的交叉污染。

    以溶液為循環(huán)介質(zhì)的熱回收型新風(fēng)機(jī)可以有多種方式：文獻(xiàn)[4]提出了由溶液全熱回收器和一個小容量的制冷循環(huán)組成的電能驅(qū)動的新風(fēng)機(jī)，夏季，制冷循環(huán)中蒸發(fā)器的制冷量用于冷卻溶液以增強(qiáng)其除濕能力，冷凝器的排熱量用于溶液的濃縮再生；冬季運(yùn)行時，可采用四通閥實現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器的相互轉(zhuǎn)換，使冷機(jī)工作在熱泵工況下，新風(fēng)被加熱加濕。文獻(xiàn)[5]提出了由90ºC熱水驅(qū)動的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)，夏季，通過板式換熱器回收室內(nèi)排風(fēng)蒸發(fā)冷卻的冷量來冷卻溶液增強(qiáng)其除濕能力，除濕后的新風(fēng)由15~18ºC冷水進(jìn)一步降溫冷卻后送入室內(nèi)；冬季，通過新風(fēng)機(jī)工況的轉(zhuǎn)換，可以使其按照全熱回收模式運(yùn)行，加濕后的新風(fēng)再由高溫?zé)崴M(jìn)一步加熱后送入室內(nèi)。本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)是由溶液全熱回收裝置和帶板式換熱器調(diào)溫的單級噴淋模塊組成，以熱水作為主要的驅(qū)動源，夏季，15~18ºC的冷水用于調(diào)節(jié)進(jìn)入單級噴淋模塊的溶液溫度，增強(qiáng)其除濕能力，與文獻(xiàn)[5]相比循環(huán)溶液的濃度降低，可以使用60ºC熱水即可滿足溶液再生要求；冬季，40~50ºC的熱水用于調(diào)節(jié)進(jìn)入單級噴淋模塊的溶液溫度，以增強(qiáng)其加濕能力。

    本文介紹了該新型溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的工作原理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全年運(yùn)行能耗的分析，并與常規(guī)新風(fēng)機(jī)、文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行能耗的比較。

2 新風(fēng)機(jī)的工作原理

    新風(fēng)機(jī)的工作原理參見圖1，布水閥關(guān)閉，溶液閥打開。該新風(fēng)機(jī)由兩部分組成：虛線左邊是以溶液為循環(huán)介質(zhì)的溶液式全熱回收裝置^[4]（圖中共有三級），虛線右邊是單級噴淋模塊。室外新風(fēng)首先經(jīng)過全熱回收裝置，回收室內(nèi)排風(fēng)的能量后，再經(jīng)過單級噴淋模塊進(jìn)一步處理后送入空調(diào)房間。夏季，為了增強(qiáng)溶液除濕的能力，在溶液進(jìn)入單級噴淋裝置前，由冷凍水實現(xiàn)溶液的降溫處理過程。由于除濕任務(wù)是由溶液系統(tǒng)承擔(dān)的，因此冷凍水的水溫高于常規(guī)冷凝除濕的水溫要求，制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度和性能系數(shù)均明顯增大。流出新風(fēng)機(jī)的溶液濃度降低，需要濃縮再生才能重新使用。圖1所示新風(fēng)機(jī)使用60ºC的熱水作為溶液的再生熱源，再生器的結(jié)構(gòu)與噴淋模塊類似，參見圖2。系統(tǒng)中設(shè)有溶液回?zé)崞骱涂諝饣責(zé)崞?，分別預(yù)熱進(jìn)入再生器的稀溶液和再生空氣，減少系統(tǒng)的能耗。建筑中可以采用集中再生的方法，將各個新風(fēng)機(jī)流出的稀溶液統(tǒng)一進(jìn)入圖2所示的再生器中，實現(xiàn)溶液的集中濃縮再生。新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)在新風(fēng)機(jī)中的狀態(tài)變化參見圖3a(狀態(tài)編號見圖1)，進(jìn)入單級噴淋模塊板式換熱器的冷水溫度為16ºC。其中a₁是新風(fēng)狀態(tài)，a₅是送風(fēng)狀態(tài)，R₁是室內(nèi)狀態(tài)，R₄是排風(fēng)狀態(tài)。a₁~a₂~a₃~a₄是新風(fēng)在溶液全熱回收器中的狀態(tài)變化過程，a₄~a₅是經(jīng)過單級噴淋模塊的狀態(tài)變化；R₁~R₄是排風(fēng)在溶液全熱回收器的狀態(tài)變化情況。

圖1 新風(fēng)機(jī)

    冬季，再生器停止運(yùn)行，溶液僅在各自的新風(fēng)機(jī)中實現(xiàn)循環(huán)流動，如圖1所示，其中補(bǔ)水閥打開，溶液閥關(guān)閉。圖1中虛線的左側(cè)仍然是溶液式全熱回收裝置，虛線右側(cè)是單級噴淋模塊。溶液在進(jìn)入單級噴淋模塊之前，先經(jīng)過板式換熱器由熱水加熱，從而增強(qiáng)其加濕能力。由于溶液的表面蒸汽壓高于被處理新風(fēng)的水蒸汽分壓力，溶液中不斷有水分進(jìn)入空氣中，系統(tǒng)中設(shè)有補(bǔ)水裝置，以維持單級噴淋模塊中溶液的濃度。室外新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)在新風(fēng)機(jī)中的狀態(tài)變化過程參見圖3b，狀態(tài)編號參見圖1，進(jìn)入單級噴淋模塊板式換熱器的熱水溫度為40ºC。

3 新風(fēng)機(jī)性能的評價方法

3.1 夏季

    新風(fēng)機(jī)所消耗的能量包括兩部分，一是制冷機(jī)制備冷凍水所消耗的電量E_air，二是溶液濃縮再生所需要投入的加熱量Q_hot。新風(fēng)機(jī)的性能，可以用電性能系數(shù)ECOP和熱性能系數(shù)TCOP來描述^[6]，兩系數(shù)的定義如下：

　　　　 (1)

　　　　(2)

其中，Q_air為新風(fēng)獲得的冷量，其計算方法見式(3)，h_w和h_send分別為新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的焓值。ECOP可以改寫為式(4)的形式，其中r為新風(fēng)機(jī)中冷水提供冷量與新風(fēng)獲得冷量的比值，COP_R為制冷機(jī)的性能系數(shù)。

　　　　(3)

　　　　(4)

3.2 冬季

新風(fēng)機(jī)所消耗的能量是：熱水加熱溶液所需投入的熱量Q_hot。新風(fēng)機(jī)的性能，用熱性能系數(shù)TCOP來描述，具體表達(dá)形式如式(5)所示。

　　　　(5)

a. 夏季 　　　　b. 冬季
圖3 空氣的狀態(tài)變化過程

4 新風(fēng)機(jī)的性能分析

4.1 夏季

    圖4是在北京市氣象參數(shù)下溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的性能，室內(nèi)的溫度為26.0ºC、相對濕度為50%。圖4a反映了溶液全熱回收裝置的效果，該熱回收裝置的全熱回收效率在70~80%范圍內(nèi)，整個夏季的平均熱回收效率為74.3%。室外的溫度越高濕度越大，即新風(fēng)與室內(nèi)排風(fēng)狀態(tài)的焓差越大，熱回收的效率越高。全熱回收裝置的采用，有效的回收了室內(nèi)排風(fēng)的能量，從而大幅度降低了新風(fēng)處理能耗。圖4b是新風(fēng)機(jī)的電性能系數(shù)ECOP的變化情況，供冷季的平均值為9.4，明顯高于常規(guī)電動制冷機(jī)的性能系數(shù)。ECOP受新風(fēng)含濕量的影響顯著，而受新風(fēng)相對濕度的影響不如前者顯著。圖4c是新風(fēng)機(jī)的熱性能系數(shù)TCOP隨室外新風(fēng)狀態(tài)的變化情況，TCOP的平均值為3.0。當(dāng)式(2)新風(fēng)獲得的冷量中不計入由全熱回收裝置回收的能量時，新風(fēng)機(jī)TCOP的平均值為1.7，明顯高于文獻(xiàn)[5]中由熱水驅(qū)動的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的性能系數(shù)。

a. 全熱回收效率

b. 電性能系數(shù)

c. 熱性能系數(shù)
圖4 新風(fēng)機(jī)夏季性能分析

4.2 冬季

    新風(fēng)機(jī)中溶液熱回收裝置的全熱回收效率如圖5a所示，平均全熱回收效率為66.7%。新風(fēng)機(jī)的熱性能系數(shù)TCOP隨新風(fēng)狀態(tài)的變化關(guān)系參見圖5b。當(dāng)相對濕度不變時，TCOP隨新風(fēng)溫度的升高而降低。TCOP在1.5~2.5范圍內(nèi)變化，平均值為2.2。如果直接采用熱網(wǎng)熱水供熱（僅去除顯熱負(fù)荷），則熱性能系數(shù)僅為1。所以，新風(fēng)機(jī)的性能明顯優(yōu)于直接用熱網(wǎng)供熱的情況。

a. 全熱回收效率

b. 熱性能系數(shù)
圖5 新風(fēng)機(jī)冬季性能分析

5 與其它新風(fēng)機(jī)的比較

    本文提出的新風(fēng)機(jī)消耗熱能和電能兩種能源，為了更好的與其它形式的新風(fēng)機(jī)進(jìn)行比較，采用運(yùn)行費用作為評價指標(biāo)，分別給出各種不同形式新風(fēng)機(jī)運(yùn)行費用的比值。

5.1 常規(guī)新風(fēng)機(jī)

     圖6中縱坐標(biāo)R_Z是本文提出的新風(fēng)機(jī)與常規(guī)新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行費用之比，橫坐標(biāo)R_J是電價與熱價之比。常規(guī)新風(fēng)機(jī)是指：夏季中，電動制冷機(jī)制備出7ºC冷水去除新風(fēng)的潛熱負(fù)荷和顯熱負(fù)荷（不計入再熱的能耗）；冬季中，來自市政熱網(wǎng)的熱水承擔(dān)顯熱負(fù)荷，電動加濕器承擔(dān)潛熱負(fù)荷。北京市能源價格大致是：電價0.8元/kWh，熱價30~50元/GJ，因此R_J為7.4~4.4。當(dāng)熱價為50元/GJ，即R_J為4.4時，溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費用分別為常規(guī)新風(fēng)機(jī)的25%和75%。當(dāng)熱價為30元/GJ，即R_J為7.4時，溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費用分別為常規(guī)新風(fēng)機(jī)的18%和62%。

圖6 與常規(guī)新風(fēng)機(jī)比較

5.2 電能驅(qū)動的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)

與文獻(xiàn)[4]提出的電能驅(qū)動的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)相比，可以得到如下結(jié)果：當(dāng)熱價為50元/GJ，即R_J為4.4時，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費用分別為文獻(xiàn)[4]電力驅(qū)動的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的51%和99%；當(dāng)熱價為30元/GJ，即R_J為7.4時，本文提出的新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費用分別為文獻(xiàn)[4]新風(fēng)機(jī)的31%和83%。

圖7 與電力驅(qū)動溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)比較

5.3 熱水驅(qū)動的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)

    與文獻(xiàn)[5]提出的熱水驅(qū)動的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)相比，本文提出的新風(fēng)機(jī)可以調(diào)節(jié)進(jìn)入單級噴淋模塊的溶液溫度，從而可以方便的調(diào)節(jié)溶液的加濕或除濕能力，利用60ºC的熱水即可滿足溶液的濃縮再生要求；而且再生耗熱量明顯降低。圖8是在電價為0.8元/kWh，90ºC熱水價格為50元/GJ的情況下，得到的運(yùn)行費用比隨著60ºC熱水價格的變化情況。當(dāng)60ºC熱水價格仍為50元/GJ時，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費用分別為文獻(xiàn)[5]熱水驅(qū)動的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的91%和71%。當(dāng)60ºC熱水價格為30元/GJ時，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費用分別為文獻(xiàn)[5]新風(fēng)機(jī)的54%和59%。

5.4 比較結(jié)果匯總

    四種不同類型新風(fēng)機(jī)運(yùn)行費用的比較結(jié)果參見表1，其中本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行費用作為單位1，其它三種新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行費用均表示為單位1的倍數(shù)關(guān)系?？梢钥闯觯罕疚奶岢龅男滦蜔峄厥招嘛L(fēng)機(jī)具有明顯的節(jié)能效果。

注： * 表示60ºC和90ºC熱水價格均為50元/GJ；

** 表示60ºC和90ºC熱水價格分別為30元/GJ和50元/GJ。

6 結(jié)論

    本文基于鹽溶液的吸濕、放濕特性，提出了由溶液全熱回收裝置和帶板式換熱器的單級噴淋模塊組成的新風(fēng)機(jī)。該新風(fēng)機(jī)具有以下特點：

a) 采用以溶液為循環(huán)媒介的全熱回收裝置，熱回收效率高，能夠充分回收室內(nèi)排風(fēng)的能量，有效的降低新風(fēng)處理能耗。

b) 在單級噴淋模塊中，采用板式換熱器調(diào)節(jié)進(jìn)入噴淋模塊的溶液溫度，改善了溶液的調(diào)濕性能。夏季，15~18ºC的冷水進(jìn)入板式換熱器冷卻溶液用以增強(qiáng)其除濕能力，因此使用低濃度的溶液即可滿足送風(fēng)參數(shù)的要求，從而有效的降低了溶液再生的溫度要求，使用60ºC的熱水即可滿足再生要求，這為太陽能、工業(yè)廢熱等能源的使用提供了條件。與此同時，冷凍水的供水溫度提高，制冷機(jī)的性能系數(shù)也明顯增加。冬季，40~50ºC的熱水進(jìn)入板式換熱器加熱溶液，從而有效的提高了溶液的加濕能力。

c) 全年逐時能耗分析的結(jié)果表明：夏季，平均全熱回收效率為74.3%，新風(fēng)機(jī)的平均電性能系數(shù)和熱性能系數(shù)分別為9.4和3.0；冬季，平均全熱回收效率為66.7%，新風(fēng)機(jī)的平均熱性能系數(shù)為2.2。

d) 節(jié)能效果明顯。在北京氣象條件下，當(dāng)電價為0.8元/kWh，熱價為50元/GJ時，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費用分別為常規(guī)新風(fēng)機(jī)的25%和75%、為文獻(xiàn)[4]電力驅(qū)動的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的51%和99%、為文獻(xiàn)[5]熱水驅(qū)動溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的91%和71%。當(dāng)60ºC熱水的價格為30元/GJ時，本文提出的溶液熱回收型新風(fēng)機(jī)的冬、夏運(yùn)行費用分別為常規(guī)新風(fēng)機(jī)的18%和62%、為文獻(xiàn)[4]新風(fēng)機(jī)的31%和83%、為文獻(xiàn)[5]新風(fēng)機(jī)的54%和59%。

e) 鹽溶液具有殺菌、除塵作用，能夠避免新風(fēng)和室內(nèi)排風(fēng)的交叉污染。由于溶液完成新風(fēng)的除濕任務(wù)，冷凍水的溫度可以提高至15~18ºC，系統(tǒng)中沒有冷凝水的表面，也消除了室內(nèi)一大污染源。新風(fēng)處理能耗的降低，為新風(fēng)量的增加提供了條件，能夠進(jìn)一步提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 江億. 暖通空調(diào), 2003, 33 (3) 特輯：4~7

[2] D.G.Waugaman, A.Kini, C.F.Kettleborough. Journal of Energy Resources Technology, 1993, 115 (1)：1~8

[3] 鈴木謙一郎,大矢信男. 除濕設(shè)計. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1983

[4] Zhen Li, Xiaohua Liu, Yi Jiang, et al. Proceedings of the 4th International Symposium on HVAC, Beijing, China, 2003：1050~1062

[5] Xiaoyang Chen, Yi Jiang, Zhen Li, at al. Proceedings of the 4th International Symposium on HVAC, Beijing, China, 2003： 2003：1042~1049

Y.J.Dai, R.Z.Wang, H.F.Zhang, et al. Applied Thermal Engineering, 2001, 21：1185~1202