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固体吸附式除湿地板辐射降温空调系统

2010/06/07

 浏览次数:320 日期:2010年6月7日 13:16

 
固体吸附式除湿地板辐射降温空调系统
 
一、项目目的意义和必要性
随着人民生活水平的提高,建筑业尤其是公共建筑及其设施在数量、档次上都在提高。建筑用能的扩大,与矿物燃料的储量下降,以及环境保护的紧迫,成为人类急待解决的问题。
依靠科学技术寻找节能途径,并努力开发可再生清洁能源应该是解决问题的重要途径。
建筑用能占全国能耗的27%以上,而采暖、空调用能占据了建筑用能的50%以上,尤其是大中型公用建筑。
江亿院士等在《中国建筑节能年度发展研究报告2007》【1】中详细论述了建筑空调系统采用除湿与除余热分别处理的空调系统的优势,它较之传统的热湿合一处理的系统,可以省能30%左右,并且这种系统能提供更高品质的室内环境。
但是,此前,以太阳能为独立除湿的工程实践尚属少见。而太阳辐照强度恰与空调负荷大小同步。因此利用太阳能处理新风负荷是十分合理,值得重视的。本项目是以一项吸附除湿的发明专利为基点在一座460m²的太阳能地板采暖的办公建筑上,安装太阳能吸附除湿降温新风系统,并利用其原有作为采暖辅助热源的空气源热泵完成了地板辐射供冷从而实现热、湿独立处理的空调系统。以此为示范,推广应用于其他适用的公共建筑,其热源也可以是串级利用的热力网热水、工业废热、地热源;其冷源也可以是土壤源、井水源、或空气源热泵。
根据本示范项目实测,与传统的风道混合送风的中央空调比,可节能30%以上。
二、项目所属领域国内外研究开发现状和发展趋势
本项目属新能源、可再生能源领域。
早在二十世纪80年代,清华大学空调教研组成员就倡导“温湿度独立调控的空调系统是节能的途径”。1999年陈君燕、薛殿华教授在《太阳能》杂志上进一步向社会论证了这一观点【2】,但在实践过程中使用转轮除湿机,所需热源温度很高,转轮动力耗电过大,未能推广。
二十一世纪初,江亿等开发出“溶液除湿新风处理机组”,并在多处进行了温湿度独立控制空调工程实践。证明了前述的节能效果。业内专家称之为“暖通技术的一次革命”【3】。
但是,迄今为止,除湿系统都未曾利用太阳能,原因是其能商业化的除湿机热驱动的温度要求过高(≥83℃),即使太阳能集热系统能满足,但效率很低。利用<70℃的低温太阳能的热源是有待进一步解决且具有重大价值的技术问题。
【4】介绍来国内外地板供冷的发展和现状。20世纪50年代,已有人提出地板供冷的设想,但真正进行系统的研究和付诸实施是在80年代以后,法国在90年代安装来15000m²,近年来国内也开始研究地板供冷,如国际风尚公寓等,除了因为地板供冷具有与辐射辐射供暖共用一体的优点外,它还具有舒适性强、温度分布均匀、节能等优点。在配合新风除湿换气的条件下,地面不会结露,又提高了空气品质,人们担心冷面朝上的地板对流换热较弱,但由于人体与地板之间的辐射换热的角系数大于天花板,所以,它的辐射供冷量比天花板供冷要大。人们的另一给担心也被实践研究打破,即“脚下凉,头顶热”造成不舒适,甚至有碍健康,事实是,在有新风独立除湿的条件下负担消除房间显热负荷的地板,表面温度可以≥20℃,对于穿鞋的人体并不意外,经测试在地面上20—40cm 向上温度就接近室温,其次,如果有除湿后的新风和排风在人体上不扰动,形成微风扰动,较之从2—3m/s吹出的冷气流要更舒适更有利于健康。
三、项目工作原理、技术路线、解决的关键技术、特色、优势及创新点
空调系统的任务是消除房间余热、余湿和创造合格的空气品质。当消除占60%左右以上的余热后,除湿和改善空气品质都可以用处理新风解决。这是温湿度独立控制的缘由之一。又由于不同气候的温湿度及室内产生热、湿量的变化,(如干热天,和阴雨天,以及会场人员聚集或地下商城等不同环境)除湿与降温等需求不同,是温湿度独立控制的缘由之二。
此外,当房间内余湿消除后,可以改变传统空调使用送风降温的末端装置,代之以辐射供冷,它不再结露,却有着静音和温度均匀的环境舒适感。而且,可以和冬季供暖的末端装置合二为一,减少装修和初投资费用。
本项目从上述原理出发,以“一种固体吸附除湿装置”代替前述各除湿装置,处理新风。它的优点是吸附剂的再生温度最低65℃,装置简单且成本低廉,经多年实践研究获得了优化参数,及成功的工艺操作,制成的产品样机,经过人工气候室模拟试验,证明了其优良的特性,后安装在示范工程。利用太阳能热水系统、风冷热泵高温冷水系统及小型蒸发器实现新风除湿降温与地板供冷相结合,完成夏季空调。吸附式除湿机成对安装,向室内送新风。太阳能热水通过除湿机,使之再生,而后,热泵冷却水通入除湿机,使之具有吸附能力。在风机的作用下,室外新风经过除湿机被干燥冷却,送入房间下部。同时热泵的高温冷却水通入地盘管,实现地板辐射供冷。此时,地板负担去除显热负荷,新风负担去除潜热和部分显热负荷。阴天时,由于空调负荷也小,或者气温较低,利用小蒸发器处理新风即可满足要求。
四、示范项目测试结果分析
清华阳光太阳能采暖空调项目概况
1、 清华阳光阳坊办公楼的一层的展厅,门厅和作为办公用房的二层多功能厅,采用太阳能-地板采暖系统。采暖面积640平米,其中展厅、多功能厅建筑面积一共460平米。地板下敷设外径17mm的PX-B地埋水管向室内散热。太阳能U形管集热面积160平米,安装在办公楼的屋顶,集热器与通过板换加热1.5T的储热水箱,为采暖提供热量,另外设300L的36kW电锅炉作为辅助热源(08年改为15HP空气源热泵为辅助热源【5】)。太阳能集热面积与采暖面积之比为1:4。
2、 《热泵辅助的太阳能除湿新风处理系统+地板冷辐射空调系统》,由清华阳光原有的太阳能地板采暖系统,采用清华大学李元哲教授独创的干燥床除湿降温新风处理系统,将夏季太阳能用于空调除湿设备的再生,在冬季太阳能地板采暖的同时,为夏季太阳能在空调中的应用提供新的有效途径。
3、 本系统主要由5部分组成,包括1、太阳能集热系统。2、高温热泵辅助热源系统。3、干燥床除湿降温新风换气系统。4、地板冷辐射空调系统。5空气源高温冷水热泵制冷系统。
主要设备原有设备包括160m2的U型管太阳能集热系统, 1.5T储热水箱,办公楼的首层展厅和二层多功能厅的地埋管系统。新增加设备包括12HP冷热联供高温热泵,15HP高温冷水空气源热泵,4台风量1100m3/h的新型固体吸附式干燥床。及循环泵、冷水水箱等附属设备及控制和数据采集设备。
4、热泵辅助的太阳能除湿新风处理系统+地板冷辐射空调系统的控制,根据露点温度控制地板冷辐射系统的供水温度,定时段控制干燥床再生与吸附交替运行。太阳能集热温差控制集热系统运行,储热水箱温度可控制辅助热源的高温热水水环热泵运行。
 
5调试运行:7月3日,系统进行试运行。至今运行到现在。
下面以7月7日小暑,及7月14日(入伏第二天)的运行结果为例。
7月7日 14:30
室外温度35℃,相对湿度55%,含湿量d=19.6g/kg,焓h=85.5kJ/kg
送风温度22~23℃,相对湿度36~40%,含湿量d=6.5g/kg,焓h=38.8kJ/kg
温差⊿t=13℃
含湿量差⊿d=13.1g/kg
焓差⊿h=46.7kJ/kg
新风送风量L=2160m³/h=2678.4kg/h
除湿量W=2678.4×0.013=34.82kg/h
除湿负荷Q1=r·W=2500kJ/kg×34.82kg/h=87048kJ/h=24.18kwh
显热负荷Q2=cp·⊿t·L=1.005×13×2678.4kg/h=9.72kwh
新风负荷Q=L×⊿h=2678.4kg/h×46.7kJ/kg=33.9kwh
送新风时间,上午9:30~16:30,共7小时,13:30以前的冷量约为其后的80%,总计新风供冷量为3.5×33.9kwh×0.8+3.5×33.9kwh=214.2kwh
太阳能循环泵0.9+0.41=1.31kw
干燥床循环泵0.41+0.41=0.82kw
干燥床风机0.15+0.15=0.3kw,蒸发器1.1kw
地板表面平均温度21.5,周围表面温度28℃,二楼显热负荷7.5×(28-21.50)=48.75w/m²,
展厅31w/m²
地板供冷负荷Qd=(31+48.75)×230=18.28kwh,
由于风冷热泵同时供除湿机和地板的冷水,需从热泵机组耗电量中
扣除地板供冷的电量4.81kw,除湿机耗电量3.21kw,
除湿机一天总耗电6.41kw×7=44.87kwh ,
 
干燥床COP=214.2÷44.87=4.77
 
空调系统的总供冷量为214.4+18.28×7=342.4kwh
平均冷负荷106w/m²
总输入电量=44.87+37.03=81.9kwh
空调系统能效比COP=342.4kwh÷81.9kwh=4.18
 
太阳能日辐照10MJ/m², 太阳能夏季使用的集热面积66m²。集热效率50%。
太阳能日得热量330MJ
室内温度26~27℃,相对湿度60%,地板表面温度21.5~22.5℃,人体感觉凉爽舒适。
 
四、对于太阳辐照量更大,但相对湿度不很 高的二类天气,如09年7月14日,入伏的第二天,晴天日照好,太阳能日辐照16MJ/m², 太阳能集热面积76m²。集热效率50%。
太阳能日得热量570MJ。最高室外温度34℃,湿球温度24℃,综合外温高。再进行分析,该天斜面日照16MJ/m²,太阳能热水温度高达80℃,冷水温度仍为13℃左右,室内显冷量二楼为53w/m²,一层31w/m²,共85 w/m²,室外空气含湿量d=14.8g/kg,焓h=72.12kJ/kg
送风温度22.7℃,相对湿度46%,含湿量d=7.9g/kg,焓h=42.9kJ/kg
温差⊿t=11.3℃
单位除湿量⊿d=6.9g/kg
焓差⊿h=29.22kJ/kg
新风送风量L=2160m³/h=2678.4kg/h
总除湿量W=18.48kg/h
除湿负荷Q1=2500kJ/kg×18.48kg/h=46202kJ/h=12.83kw
除显热量Q2=1.005×11.3×2678kg/h=30412.7kJ/h=8.45kwh
新风负荷Q=L×⊿h=2579.2kg/h×29.22kJ/kg=20.93kw
除湿机总负荷21.27kw
7小时总计新风供冷量为3.5×21.27kwh×0.8+3.5×21.27kwh=134kwh
 
输入电量
15HP机单机开启3.5小时,双机开启2.5小时,总电量51kwh,
地板供冷负荷Qd=85×230=19.55kwh,
地板供冷量19.55kwh×7=136.85kwh,
由于风冷热泵同时供除湿机和地板的冷水,需从热泵机组耗电量中
扣除地板供冷的电量6.07kw,7小时共耗电42.5kwh
地板供冷COP=19.55÷6.07=3.22
除湿机总耗电51kwh-42.5kwh+22.4=30.9kwh ,
 
 
 
除湿机COP=134.1÷30.9=4.33
空调系统的供冷量134kwh+136.85kwh=271kwh
系统总耗电量=30.9+42.5=73.4kwh
系统COP=271kwh÷73.4kwh=3.69
 
由上述可知,当太阳辐照较大时,空气的相对湿度较小,所以除湿机除湿总量也小。而太阳辐照较大时,热水水箱中热水温度超过65℃,可全天提供空调除湿。在此条件下,本项目所用固体吸附除湿的能效比是4.33~4.77,平均为4.5左右,与单纯的制冷除湿COP相比,节电40%。而该新风除湿机与地板辐射供冷的系统能效比为3.69~4.18,平均3.9,对比传统的水冷冷水机空调系统的系统能效比2.72,节电44%。
五、不同运行模式的耗电量:
由Dest气象数据库获得北京地区夏季气象数据,按其特点分析,夏季冷负荷60%以上天数有97天。即从6月中旬至9月中下旬占空调负荷的绝大部分。该种天气又可大致分为两类:
1、水平面日辐射度≥10MJ/m2且最高气温≥32℃的天气,统计表明,其空气湿度均大于15g/kg。这种天气又分闷热和高温高湿两种。其数量共计53天左右。称之为I类。
分析I类天气中即高温、高湿天。以09年7月7日小暑天为例。该日斜面日照是10mj/m²,最高气温35℃相对湿度55%属闷热型。地板辐射供显冷量为平均42W+对流供冷量12W=54W/m²(二楼),一楼为31W。一、二楼总计显冷量为85w/m²,建筑面积460m²,总显冷量为19.55kw。其新风量为2160m³/h,室外新风状态为35℃,55%-60%,绝对湿量d为21.5g/kg,送风状态为22℃,36%,d=9.5g/kg,除潜热量为20.2kw,除湿热量为2016m³×1.24×0.31×13℃=10kw。总计28.5kw。由于13点以前室外温湿度是13点以后的80%,所以将上午9点30分至下午16点30分共7小时的总计新风供冷量以80%计,即3.5×28×80%=179.5kwh。根据记录用电量为:太阳能水泵0.9kw,供除湿机热水泵15HP为8kw,冷水泵0.4kw,地板0.45kw,在送风口加装了1.5HP机的蒸发器用电1.1kw,风冷热泵8kw(同时供地板冷水)。
由于风冷热泵同时供除湿机和地板,故需将其各自用电量分离,即扣除其中供地板的冷量是0.085kw/m²×230/3.8=5.14kw,剩余8-5.14=2.86kw是供除湿机的。则输入除湿机的总功率为0.9+0.4+0.4+1.1+2.86=5.86kw。除湿机的能耗比为179kwh/(5.86×7)=4.36。空调系统的总供冷量为(25.6kw+13.3kw)×7=274.4kwh。总输入功率为(8kw+0.9kw+0.4kw+0.4kw+1.1kw+0.45kw)+(地板水泵为0.45kw)=11.25kw.该空调系统的能耗比为274.4kwh/(11.25×7)=3.4
对于太阳辐照量更大,但相对湿度不很高的Ⅱ类天气,如09年7月14日,入伏第二天,最高外气温34℃,湿球温度24℃再进行分析。该天日照很强,太阳能热水温度高达80℃,供冷水温度仍为13℃左右,室内显湿量二楼仍为53w/m²,一楼31w/m²,共85w/m²,总显冷负荷同前述。室外新风含湿量为15.2g/kg,送风为22℃40%。含湿量为8.2g/kg,单位除湿量为6.5-7.0g/k,总除潜热量为20.8kw。又如7月14日,斜面辐照量为16mj/m²,气温最高34℃,相对湿度45%,是高温型,太阳能热水温度达70℃以上,冷水供应温度仍为13℃,室内显热负荷仍为85w/m².总计19.55kw。7小时总显热负荷为136.85kwh。新风在进风34℃,45%的室外状态下,处理到送风22℃,50%,其绝对除湿量为15.2g/kg-8.5g/kg=7g/kg,总除湿量为18.7kg,除潜热量为11.55kw,除显热量为9.2kw,除潜热、显热总计11.5+9.2=20.7kw,7小时总计(20.7×0.8+20.7)×3.5=130.4kwh同时,地板供冷量基本同前为19.55kw×7=136.85kwh。耗电量基本同前,即15HP机单机开启3.5小时,双机开启2.5小时,则为8.5kw×6=51kwh。而51kwh中为地板供冷的电量是5.14kw×6=30.84kwh。为除湿机供电为51kwh-30.84kwh=20.6kwh,加上水泵等共计36.96kwh。则除湿机的能效比为130.4kwh/36.96kwh=3.62而本空调系统的供冷量为130.4+136.85=287.25,耗电量为51kw+(0.9+0.8+0.45+1.1)×6=70.5kwh。能效比为3.79.
 
2、水平日辐照量<10MJ/m²。日最高气温<32℃,湿度<15g/kg称之为Ⅱ类,共34天左右。
对于Ⅱ类天气,即斜面日辐照量<10MJ/m²,干球温度<32℃这类天气,气温不高,但有时湿度大,如09年中伏,7月24日起的阴雨天。
在这种天气下,运行的模式是开小蒸发器(1.5HP)送入新风为主,开15HP机单压机向地板通冷水为次。
由于这时显冷负荷较小,所以,地板供冷在上午基本不开,则室内基本维持25-26℃,60%左右。负荷量很小,暂不讨论。
六、太阳能除湿、地板供冷空调系统的效益分析
按【1】的调查统计,北京地区现有公建夏季平均用电量为30w/m²,共150天,其中60%以上的负荷耗电量应≥39w/m²,占97天,每天10小时,总耗电大约是37.83kwh,如将本项目的空调系统推广10万m²,可节电378×105×0.44=1660万度电;节煤折合标煤43474吨。减排CO211.4万吨,SO2369.5吨,NOx322吨,每m²建筑年节省运行费37.8元。
 
 
 
【1】《中国建筑节能年度发展研究报告2007》
【2】陈君燕、薛殿华,“复合干燥剂冷却系统”《太阳能》1997.No.7
【3】《供热制冷》编辑部特刊策划,2008.No.7
【4】·《低温辐射供暖与辐射供冷》机械工业出版社。出版日期:2004年01月
【5】《太阳能采暖建筑的分析与思考》李元哲等《太阳能学报》2009.No.18

 

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