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温湿度独立调节技术在夏热冬冷地区的应用研究|技术选用平台

 ABCCJX 2017-05-09

上海现代建筑设计集团上海建筑设计研究院有限公司  

寿炜炜  张伟程  孙斌

温湿度独立调节的空调技术是一种节能空调技术;作者通过研究分析,认为一体式热泵型溶液调试热回收型新风机组+干式风机盘管结合埋地管地源热泵组成的温湿度独立调节的空调技术,应用效果好,节能及节地优势明显,在夏热冬冷地区应用意义很大,通过实例也证实了其研究结论。

目前大型公共建筑中有将近一半的能耗用于空调运行中,寻求一种有助于环境保护和节能效果好的空调系统一直是业内人士共同的目标。

将温湿度独立调节的空调技术应用在潮湿多雨和建筑物密度较大的江南地区,确定了以温湿度独立控制和高温冷水埋管式地源热泵相结合的空调方式在公共建筑中应用的适用性和节能性,提出了应用关键技术要求,为夏热冬冷地区应用该节能技术累积经验和数据,同时也向社会证实了该空调系统在实际使用项目中的实用性。

一、温湿度独立调节空调系统的确定

1、传统空调方式存在的问题

目前用于城市办公建筑空调的排热排湿,通常采用表面冷却器对空气进行冷却和冷凝除湿来实现的,也就是以电或其它能源,通过制冷机获得较低温度的冷水,利用该冷水同时处理空调房间的湿度和温度。该方式往往存在以下问题:

(1)高能耗

为了保证具有较好的除湿效果,夏季空调冷水不得不采用较低的供水温度(7°C左右)。占空调总负荷一半左右的显热负荷,本可采用高温冷水(约16°C)进行处理。现在却需要与除湿处理一起采用7°C左右的低温冷水,造成能量利用品位上的浪费。

(2)难以满足室内热湿比的变化

使用常规空调系统,通过表面冷却器对空气进行冷却和除湿,显热比只能在一定的范围内变化,加上只能控制温度和湿度两个参数中的一个,难以满足建筑物实际需要的热湿比在较大范围内变化的要求。最终或造成能耗增加,或影响居住的舒适性。

(3)室内空气品质问题

冷凝除湿表面冷却器的潮湿表面会成为霉菌、军团菌等危害人体健康的微生物繁殖的场所,会滋生各种病菌,危害人体健康,引发各种“空调病”。同时过滤器积聚的大量灰尘也会成为送风的二次污染源。

2、温湿度独立调节空调系统的选择

温湿度独立调节空调技术的核心是把温度和湿度两个参数的控制由原来常规空调系统的一个处理手段改为由两个处理手段,即通过新风除湿控制室内湿度,高温冷水(16-18°C)降温控制室内温度。该方法能显著提高了室内温湿度的控制精度,使空调系统的综合能效比得到进一步提高,达到节能、舒适、提高空气洁净度的目的。

二、干湿分离空调方式与设备的确定

1、调湿型新风机组的确定

目前,常用的新风除湿方式主要有三种形式:冷凝除湿、固体吸附除湿(转轮除湿)、液体吸湿除温(溶液除湿),新风在h-d图上处理过程如图1所示,各种新风处理万式的比较见表1。

图1 三种不同空气处理方法的h-d图

表1 常用的新风处理方式比较

由图1和表1可知,在这三种方法中,溶液除湿具有很大的优势。同时根据有关产品的资料,热泵式溶液调湿新风机组在江南潮湿地区的除湿能力可以达到16.6g/kg,机组COP达5.0以上,完全能满足夏热冬冷地区的新风处理的需求。

2、调温空调显热处理末端设备形式的确定

目前常用的空调显热处理末端装置主要有四种形式:辐射墙(顶)、辐射吊顶、埋管式辐射地板、干式风机盘管。表2是这四类末端设备的应用特征。

表2常用的空调显热处理末端装置特征

由表2可知,干式风机盘管是一种制冷量范围较大、基本可满足常规建筑需求、运行和控制系统简单、技术可靠、价格相对便宜的显热空调末端装置。当然干式风机盘管的供冷负荷密度较大的原因是有风机辅助换热,因此需要耗费电力,好在直流变速电机技术已经成熟,其耗电功率己降到常规风机盘管的一半以下。

3、高冷水源的确定

对于中小型建筑,为了减少设备投资,简化系统,用于温湿度独立调节空调系统的能源也不希望由另外设置的燃气锅炉或电加热装置等来提供。从热源和热汇的角度考虑,可用于制取高温冷水及热水的设备主要有两种:水源机组和空气源机组,见图2。由图可知,冷却塔冬季通常不具备供热条件;绝大多数夏热冬冷地区不允许抽取地下水,同时,除较大的江河外,地表水一般来说流速都很小,水深也只有3-4m,蓄热和散热能力有限,很难利用。因此,适合提供高温冷水同时可兼作空调热源的只有地埋管地源热泵机组和空气源热泵机组。

图2 高温冷(热)水源的几种方法

显然地埋管地源热泵机组的效率比空气源热泵高得多,它是一种高效、节能、可减少碳排放的设备,可采用与热泵型溶液调湿新风机组联合运行的方法用于江南地区。

采用螺杆式地源热泵机组为空调系统提供高温冷水(16°C)、与常规的7°C冷水相比水温提高了9°C。冷水温度的提高,意味着蒸发温度的提高,通常蒸发温度每提高1°C,机组效率可提高3%左右,因此总的机组效率可提高25%以上。

4、小结

通过以上分析可知,在夏热冬冷地区应用温湿度独立调节空调技术,采用热泵式溶液调湿新风机组和干式风机盘管末端,在使用安全性,节能性上都有优势。

三、干湿分离空调方式与地源热泵集成的优势

1、节能优势

(1)传统空调系统冷热源

传统空调系统的冷热源有两种:空气源热泵机组和水冷冷水机组加燃气热水锅炉。显然后者效率高于前者,这里采用后者作为对照对象。

以一台879kW制冷量的螺杆式制冷机(COP=4.3)为例,并配置相应的冷却塔、水泵进行核算。计算得到夏季制冷系统的SCOP=3.439。

冬季采用效率为90%的燃气热水锅炉和循环水泵,天然气单价为3.2元/m3,热值为35.6MJ/m3,电价为0.91元/(kW·h),计算得到热价为0.37元/(kW·h)。

(2)干湿分离空调方式与地源热泵集成的冷热源

新风处理采用一体式热泵型溶液调湿热回收新风处理机组。该机组技术鉴定证书中标明,夏季制冷工况时其COP (相当于系统SCOP)不小于5;冬季运行COP约为7.0,换算得出热价为0.13元/(kW·h)。

地埋管地源热泵夏季供高温冷水(14°C/19°C)冬季供空调热水(45°C/40°C)。夏季地埋管的进出水温度为30°C/35°C,高温冷水的进出水温度为19°C/14°C时,根据机组技术资料,机组COP为5.99左右。考虑冷水、冷却水循环水泵的能耗后,制冷系统的SCOP=4.283。

地埋管的出水温度研究表明,冬季供暖季时机组出水温度最低约为10.5°C,最高在22°C左右。因此可以认为,冬季平均供水温度在15°C以上。根据机组技术资料,热水出水温为45°C时的平均性能系数可以达到5.30。考虑热水、地源水循环水泵的能耗后,制冷系统的SC0P=4.31。可以计算得出热单价为0.211元/(kW·h)。

由此得到对比结果,见表3。虽然实际运行过程中显热冷负荷不可能全部由地源热泵机组承担,但由表3也可看出,溶液除湿+地源热泵冷热源的节能率达25%以上。

表3 溶液除湿+地源热泵与常规空调冷热源的节能性比较

注:计算办公楼室内夏季显热负荷权重为0.57,新风负荷权重为0.43,冬季室内显热负荷权重为0.43,新风负荷权重为0.57。

2、节地优势

从前面2、3节分析可知,采用地源热泵必须有一定面积的土地用于埋设换热管道。而夏热冬冷地区大都为我国较富饶地区,土地利用率高,很多项目往往因为没有合适的埋管区域而放弃采用地源热泵。采用干湿分离空调方式时,地源热泵只需要承担室内显热负荷,必定会减少用于埋管的土地面积。为了了解能减少的程度,这里以办公建筑为例进行计算。

目前夏热冬冷地区的常规做法往往是依据建筑物冬季全部的计算热负荷和当地的埋管热效应试验数据来确定埋管数量,夏季冷量不足部分由水冷冷水机组提供。而采用热泵型溶液调湿新风机组与地埋管地源热泵相结合的空调冷热源方式时,是依据建筑物冬季室内显热计算热负荷和当地的埋管热效应试验数据来确定埋管数量。

计算中应先按热负荷的要求确定机组规格,然后按该机组夏季工况条件确定冷凝器的散热量,按此散热量确定埋管数量。这里要说明的是,如果直接按冬季取热量确定埋管数量,则会比夏季少很多,只能满足夏季需求量的70%-90%,机组在夏季就不能正常运行。计算过程见表4。

表4 二种空调方法的埋地面积计算

可以看出,在办公建筑中,采用一体式热泵型溶液调湿热回收型新风机组,结合地埋管地源热泵的温湿度独立控制空调系统,地埋管用地面积只有传统地埋管地源热泵+水冷冷水机组的空调系统的一半左右。因此,在用地面积十分紧张的夏热冬冷地区更应推广这一技术,其节地意义重大。

四、应用实例

1、空调系统简介

上海虹桥产业楼由1号楼和2号楼组成,地下1层、地上6层,建筑高度24m。该项目主要功能为地上部分的办公,总建筑面积达2.57万m2,地上建筑面积为 17727m2。其中2号楼立面图见图3。

图3 虹桥产业楼2号楼立面图

经计算,地上办公区域的夏季总冷负荷(含新风)为1753.lkW,其中室内显热负荷为1003.3 kW;冬季总热负荷为989.3kW,其中室内热负荷为423.7kW。冷热源采用热泵式溶液调湿新风机组+地埋管地源热泵+水冷冷水机组。热泵机组按冬季负荷配置,水冷机组按补足夏季冷负荷要求配置。采用冷却塔+水冷冷水机组来保证土壤热平衡。主机主要参数见表5。

表5 主机主要参数

新风系统采用了12台热泵式溶液调湿新风机组,每层1台。机组要求承担新风负荷和室内湿负荷,新风处理到室内状态点的等温线上。

空调水管路为两管制、闭式循环二级泵系统。一、二级循环水泵均采用变流量运行;其中二级循环水系统同时还有混水控温作用,保证空调末端设备夏季供回水温度为16℃/19℃、冬季供回水温度为30℃/27℃。水系统原理见图4。

图4 水系统原理图

2、节能评价

采用DeST软件计算得到建筑全年冷热负荷,采用TRNSYS软件对空调系统部件的控制过程进行仿真,基于计算和仿真结果得到全年逐时空调能耗。同时依据同样的建筑条件,对采用空气源热泵机组作为空调系统冷热源的方案的能耗也进行了计算,计算能耗对照结果见表6。

表6 能耗对照表

由此可见,热泵式溶液除湿新风机组、干式空调末端与地源热泵冷热源集成的空调系统节能效果非常明显,计算节能率达68%。

由于该工程因用户迟迟未能人住,还未能拿到用户的使用实测数据;该工程安装了自动监控智能系统,对冷热源系统与空调设备都进行了实时监控、记录,并具有分析功能。经调试和运行数据表明,冬、夏季室内温湿度调控能力都能达到设计要求。2012年4月通过了“十一五”国家科技支撑计划“可再生能源与建筑集成技术应用示范工程”的验收。

五、结语

在夏热冬冷地区的公共建筑中,采用一体式热泵型溶液调湿热回收型新风机组、干式风机盘管结合地埋管地源热泵技术,节能及节地效果明显,在夏热冬冷地区应用意义较大。

公共建筑中采用温湿度独立调节空调系统时,宜优先选用热泵型溶液调湿热回收型新风机组作为处理新风负荷和湿负荷的手段。

在江南潮湿地区采用温湿度独立调节空调系统时,宜选用干式风机盘管作为显热处理末端设备。显热末端空调设备的高温冷源(兼热源)宜采用地埋管地源热泵机组。

这次笔者所在单位对温湿度独立控制加地源热泵空调系统的实践,投资相对较大,回收期较长。原因是溶液调湿新风机组价格较常规设备高,尤其是采用地埋管地源热泵系统后,地埋管的投资比重很大。随着技术的成熟与应用工程项目的增多,造价一定会不断降低。从设计角度讲,还需要不断总结经验,降低投资,以取得更好的经济与社会效益。

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