1 引言
湿度的独立控制是建筑空调领域的一项重要课题。采用湿度的独立控制不仅可避免采用表冷器除湿所造成的巨大的能源浪费，提高制冷机运行效率，而且一些新型替代性制冷技术如冷吊顶、相变蓄冷、和天然冷却技术如深井水回灌取冷等就更易于在工程实际中得到推广, 所带来的节能、环保方面的意义是非常深远的。空调能耗占到国民经济总能耗的1/3以上，而在华南地区亚热带气候环境下，新风带来的潜热负荷可以占到空调总负荷的20％－40％， 因此开发节能的新风独立除湿系统是建筑节能领域的一项重大课题。
将排湿和排除污染物的任务与排热的要求分别处理，即通过送入清洁、干燥的空气解决除湿、排除污染的要求，而余热则可采用辐射或对流方式单独处理，这应该是未来综合解决热湿环境和空气质量的空调系统应考虑的方式[1-2]。人体产湿量在200g/(h人)左右，如果室内要求的湿度为12g/kg，送风湿度差4-5g/kg，送风湿度为7-8g/kg，露点为9-10.5°C，则每个人需要的送风量为40-50kg/h，即33-42m3/人，这恰与排除一个人所产生的CO2量所要求的新风量相同，这样的新风量也足 以满足排除人体产生的其它污染物的要求。如果送风温差为5-6°C，这些风量又恰好可排除人体发出的显热。
本文提出四种独立除湿系统，它们分别是：系统A，机械制冷＋热泵；系统B，机械制冷＋显热回收；系统C，机械制冷＋膜法全热回收；系统D，转轮除湿＋热泵系统。通过在华南气候参数下的逐时模拟，分析了四种系统的能耗。
2 系统描述
考虑四种独立新风系统，分别是系统A，机械制冷＋热泵；系统B，机械制冷＋显热回收；系统C，机械制冷＋膜法全热回收；系统D，转轮除湿＋热泵系统。这些系统的组成以及所对应的焓湿图分别如图1-图4所示。
系统A是先用排风流过热泵冷凝器，以利于提高热泵效率，新风通过蒸发器冷却除湿，然后通过冷凝器升温供给室内。冷凝温度可运行在45°C，而蒸发温度为15°C，可以获得较好的节能品质。系统B是采用冷水盘管来冷却除湿，除湿后的冷空气通过一显热交换器与新风进行热交换，在提高供风温度的同时对新风进行预冷。系统C采用了基于高分子膜的全热换热器，首先在排风和新风间实现显热和潜热的回收，然后新风再送去冷却除湿。系统D采用了除湿转轮实现新风的除湿，由于转轮需要再生，需要设置一个电加热器。这种方式的问题是送风和排风之间通过转轮间隙而发生短路，从而导致交叉污染。
(a) (b)
图1 机械制冷＋热泵新风系统的系统图(a)和焓湿图(b).
(a) (b)
图2 机械制冷＋显热回收新风系统的系统图(a)和焓湿图(b)
3 模拟方法
蒸发盘管
蒸发盘管的性能由冷却效率决定
eEva=[TA-TB]/[ TA-TEva] (1)
其中 T 是温度(K), 下标A, B, 和Eva 分别对应A, B 点和蒸发器蒸发温度。模拟时假定蒸发器的效率是0.90。蒸发器空气出口B点 的湿度由下式决定
fB=0.95 (2)
转轮
应用转轮的目的是将空气除湿，使空气的状态由B转变到C。在除湿过程中，伴随着湿度的减小，空气的温度上升。转轮的工作状态可以通过下面的Jurinak 模型来描述 [3]
(a) (a)
(b)
图3 机械制冷＋膜法全热回收新风系统的系统图(a)和焓湿图(b).
(b)
图4 转轮除湿＋热泵新风系统的系统图(a)和焓湿图(b).
(3)
(4)
(5)
(6)
其中下标“s”和 “e” 分别代表 “供风” 和 “排风”；而“i” 和 “o” 分别代表“入口” 和“出口”。效率 hf1 和hf2 由生产厂家根据转轮的材料和结构参数决定。
新风供风速度按每人每小时 45kg 提供。除湿转轮的参数设定为：除湿剂质量2.5kg； 蜂窝状流道厚度0.2mm； 吸附剂有效质量比0.7；转轮厚度0.2m；转速0.5rpm。转轮性能系数hf1=0.29；hf2=0.85。
显热换热器
采用传统换热器分析中的效率法，并假定冷热流体的热容相同，则D点的温度由下式决定：
其中 eSen 是显热交换器的效率，可以由传热单元数法确定。在实际模拟时，可以假定换热效率为一衡定值0.90。
蒸发冷却器
为了有效利用排风侧的空气干度，利用一个蒸发冷却器来冷却排风的温度，然后让它流过显热交换器实现热量回收。采用的蒸发冷却器装有刚性结构化填料，冷水在填料表面形成薄膜向下流动，待冷却空气流过填料时，水分蒸发将空气温度降低。商品化的蒸发冷却器的效率由下式表达
其中 TE 是进入空气的干球温度，而TEwb 是入口空气的湿球温度； TE1 出口空气的干球温度。
因此E1点的温度
(9)
饱和效率eC 通常在0.7-0.9 的范围之内。
加热盘管
空气的加热在冷凝器或电加热器中进行，如果空气在冷凝器中加热，则加热效率可以表示为
eCon=[TG-TF]/[ TF-TCon] (10)
其中T 是温度 (K)，下标G, F, 和Con 表示点 G, F 和冷凝器。通常假定加热效率为0.85。 如果采用电加热器，则电加热的功率
其中 qEle1 是电功率(kW),
热泵/制冷系统
在新风系统中，冷却盘管是同时作为热泵的蒸发器使用的，而加热盘管是作为热泵的冷凝器。热泵系统的效率随着运行条件的不同而有差异，它可以由下式表达
(12)
其中qCon 是冷凝器散发的热量(kW), qEle2 是压缩机消耗的功率(kW)。
膜式全热换热器
系统C采用了基于膜的全热换热器，它的热交换效率由二个效率决定：显热交换效率 (eS) 和潜热交换效率(eL)。出口空气的温度和湿度由下式决定：
按照笔者以前的分析[4]，采用所开发的基于膜的全热换热器，显热效率和潜热效率分别等于0.8 和 0.7.
空调工程中的风机和泵所消耗的功率是非常惊人的，他们的功耗由下式近似
Fan (pump) power=VaDp/(3600hf) (W) (15)
其中 Va 是空气（水）的体积流量 (m3/h)，Dp 是总压降(Pa)，hf 是泵或风机的效率。
模拟过程以广州地区为背景，送风时间为9:00 到18:00。 为了将所有能耗的形式归纳起来进行比较，将所有电耗乘以系数 3.3转化为一次能源。
4 结果与讨论
热泵（制冷系统）的性能同环境状况密不可分，图5是逐时模拟出的全年性能系数，可以看出制冷系统全年的性能变化。为了比较各种方案，将各种系统在广州气候条件下全年消耗的一次能源画在图6中，可以看出，在四种系统中，系统C即机械制冷＋膜法全热回收全年消耗的能源最小，但总的说来，由于四种系统都采取了节能措施，所以四种系统的能耗基本在一个数量级。
图7显示了系统C在全年不同月份的人均除湿能耗，在华南亚热带热湿气候环境下，几乎全年都需要除湿，月除湿能耗值在1.5e5 kJ 到5.3e5 kJ 之间。能耗最小的月份是一月，而能耗最多的月份是八月。
图5 热泵系统的性能系数变化
图6 不同系统人均全年除湿能耗
图7 不同系统不同月份的人均除湿能耗
5 结论
为了满足独立除湿系统开发的需要，本文评估了四种系统的全年能耗，结果表明，所提出的四种系统由于采用了能量回收措施，于传统无能量回收措施的除湿方案相比，可以节能29-42%。 机械除湿加膜全热回收系统的全年能耗最小，其值为4.4e6 kJ 每人。
参考文献：
[1] 江亿. 暖通空调, 2003, 33: 4-7.
[2] Niu JL, Zhang LZ, Zuo HG. Energy and Buildings, 2002, 34(5): 487-495.
[3] Zhang LZ, Niu JL. Applied Thermal Engineering, 2002, 22(12): 1347-1367.
[4] Niu JL, Zhang LZ. Journal of membrane science, 2001, 189(2): 179-191.
本项目由国家自然科学基金资助 （50306005） 作者：张立志
