【原】1177 基于除湿溶液和疏水微孔膜的地冷空调概要设计

郭子瑞、刘明权参加了本文工作。

地冷空调基础内容请参见冷热平台前面文章。

设计背景

地冷空调设计的主要考虑有两方面：一是通过地板是否有足够的冷量供应；二是如何控制室内湿度。

地板冷量供应方面的主要措施有保证地板有效面积、降低地板表面温度、提高室内空气温度（在保证空气较低湿度时，适当提高室内温度也可有较好的舒适性，且对体弱人群可能更适宜）等。

室内湿度调节的目的有两方面，一是舒适性，二是不在地板表面结露；主要方案有干燥新风置换、冷却除湿、固体干燥剂除湿、除湿溶液除湿等。

基于除湿溶液和疏水微孔膜的室内湿度调控方法在能耗、太阳能利用、室内空气不受染污、除湿溶液不损耗等方面较有特色（疏水微孔膜允许水蒸气通过而除湿溶液不能通过，对室内空气进行除湿和利用室外空气对除湿溶液进行再生时均通过疏水微孔膜把溶液与空气隔开）。

系统流程

基于除湿溶液和疏水微孔膜的地冷空调流程如下图所示。

图中地冷空调工作过程为：制冷单元（压缩机、辅冷凝器、主冷凝器、膨胀阀、蒸发器）制取冷量并通过蒸发器传递给载冷液，同时辅冷凝器排出热量加热除湿溶液；载冷液通过泵送入地板内盘管为室内提供冷量；室内除湿器中除湿溶液通过疏水微孔膜吸收空气中的水蒸气，吸湿后的除湿溶液通过回热器被初步加热，再通过辅冷凝器升温后进入再生器把水分通过疏水微孔膜排出给室外空气，再生后的除湿溶液先通过回热器被初步冷却，再通过预冷器被进一步冷却至适宜温度返回室内除湿器。

概要设计

概要设计的主要工作是确定系统中主要部件的型式和参数。

设室外空气温度35℃，相对湿度50%；室内温度28℃，相对湿度60%；室内冷负荷3700W，地板有效面积80m²。

参考“冷热平台”第1176篇参数估算，取地板与室内的总换热系数为5.8W/(m².K)，则地板温度满足：

3700=5.8*80*(28-T_f)

解得：

T_f =20℃

参考“冷热平台”第1175篇，埋管层当量温度应满足：

3700=1*80*(20-T_mz)/0.08

解得：

T_mz =16.3℃

载冷液温度约：

T_z =14.5℃

蒸发器

设制冷单元中制冷剂采用R32，蒸发器可选用套管式，取制冷剂蒸发温度比载冷液温度低5℃，载冷液与制冷剂传热系数2000W/(m².K)，则蒸发器面积为（初取预冷器冷负荷约400W）：

F_eva=(3700+400)/(2000*5)=0.41m²

压缩机

蒸发器中制冷剂蒸发温度为：

T_re=14.5-5=9.5℃=282.65K

取制冷剂在主冷凝器中的冷凝温度比室外空气温度高10℃，即：

T_rh=35+10=45℃=318.15K

制冷单元制冷系数约为：

COP_R=0.5*282.65/(318.15-282.65)=4.0

压缩机可选转子式，功率为：

P_com=4100/4=1025W

主冷凝器

主冷凝器热负荷：

Q_con1=4100+1025=5125W

主冷凝器可采用翅片管式，空气与制冷剂传热系数取30 W/(m².K)，则主冷凝器面积为：

F_con1=5125/(30*10)=17.1m²

辅冷凝器

室内空气中水蒸气分压力为：

p_awi=3780*0.6=2268Pa

对应的露点温度为19.5℃，低于地板表面温度，不会在地板表面结露。

除湿溶液可采用质量分数45%的LiBr溶液，为保证除湿溶液对室内空气的吸湿能力，除湿溶液在除湿器内的温度应低于33℃。

室外空气中水蒸气分压力为：

p_awo=5624*0.5=2812Pa

为保证除湿溶液中水分能排入室外空气，除湿溶液在再生器内的温度应高于40℃。

制冷单元中制冷剂流量约为：

m_r=4100/(h_eo-h_co)

=4100/(517-287)=17.83g/s

压缩机排气焓约为：

h_ci=517+1025/17.83=574kJ/kg

压缩机排气温度约为：

T_ci=T_cv+(h_ci-h_cv)/C_pcv

=45+(574-510)/2.24=74℃

除湿溶液流量取：

m_s=17.83*2.24/2.3=17.36g/s

设辅冷凝器采用套管式，除湿溶液进辅冷凝器温度为47℃，出辅冷凝器温度65℃，则辅冷凝器热负荷约为：

Q_ac=17.36*2.3*(65-47)=719W

除湿溶液在辅冷凝器中平均温度为：

(47+65)/2=56℃

制冷剂在辅冷凝器中平均温度约：

(56+74)/2=65℃

取辅冷凝器中制冷剂与除湿溶液的传热系数为180W/(m².K)，则所需的辅冷凝器面积约为：

F_ac=719/(180*(65-56))=0.44m²

再生器

设除湿溶液进再生器温度65℃，出再生器温度50℃，则在再生器内放热量约：

Q_sz=17.36*2.3*(65-50)=599W

设再生器采用中空纤维聚丙烯疏水膜，膜孔直径0.4um，膜厚0.2mm，膜孔隙率70%，工作温度约45℃，空气与膜表面传质系数为0.055m/s，换热系数50W/(m².K)，则水蒸气穿膜的努森扩散质阻约为：

R_k=1.4*0.0002*(2*3.14*0.018*8.3*318)^0.5/(18*0.7*0.2*10^-6)

=1919(m2.s.Pa)/g

水蒸气穿膜的分子扩散质阻约为：

R_m=1.4*0.0002*8.3*318*(101325-3600)/(101325*18*0.7*2.92*10^-5)

=2009(m2.s.Pa)/g

水蒸气从膜表面向空气中的扩散质阻约为：

R_c=8.3*318/(18*0.055)

=2666(m2.s.Pa)/g

50℃时除湿溶液表面水蒸气压力约5000Pa，65℃时除湿溶液表面水蒸气压力约10500Pa，除湿溶液侧水蒸气平均压力约：

(5000+10500)/2=7750Pa

单位面积膜的除湿溶液再生速率约为：
(7750-2812)/(1919+2009+2666)=0.75g/(m².s)

单位面积膜的有效耗热量约为：

0.75*2600=1947W

单位面积膜的无效耗热量约为：

50*1*(0.5*(65+50)-35)=875W

再生器所需膜面积约：

599/(1947+875)=0.21m²

再生器对除湿溶液中水分的排出速率约为：

0.75*0.21=0.157g/s=0.56kg/h

回热器

回热器采用套管式，出再生器浓溶液进回热器温度50℃，出回热器36℃，平均温度43℃；出除湿器稀溶液进回热器33℃，出回热器47℃，平均温度40℃。

回热器热负荷：

Q_ex=17.36*2.3*(50-36)=559W

取回热器内冷热溶液传热系数2000W/(m².K)，则所需回热器面积约：

F_ex=559/(2000*(43-40))=0.093m²

预冷器

预冷器采用套管式，进预冷器溶液温度36℃，出预冷器溶液温度23℃，平均温度29.5℃；冷负荷约为：

Q_pc=17.36*2.3*(36-23)=519W

取预冷器中除湿溶液与载冷液之间的传热系数为2000W/(m².K)，则所需预冷器面积约：

F_pc=519/(2000*(29.5-14.5))=0.017m²

除湿器

除湿溶液潮除湿器温度23℃，出除湿器温度33℃，除湿溶液在除湿器内吸热量约：

Q_sc=17.36*2.3*(33-23)=399W

近似取除湿器中除湿溶液从空气中吸收水蒸气的三个质阻系数与再生器中相近。

23℃时除湿溶液表面水蒸气压力约1150Pa；33℃时约2000Pa，则平均水蒸气压力约1575Pa。

单位面积膜的除湿溶液吸湿速率约为：
(2268-1575)/(1919+2009+2666)=0.105g/(m².s)

单位面积膜的水蒸气吸收放热量约为：

0.105*2600=273W

单位面积膜的从室内空气中吸热量约为：

50*1*(28-0.5*(23+33))=0W

除湿器所需膜面积约：

399/(273+0)=1.46m²

除湿器对室内空气中水分的吸收速率约为：

0.105*1.46=0.153g/s=0.55kg/h

与再生器中除湿溶液中水分的排出速率基本相同。

说明

（1）前面概算过程是根据给定室内外空气参数所需制冷量直接概算制冷单元等部件，实际应用中室外空气参数、室内空气参数均可能不同于给定值，因此各部件参数取值应留出足够裕量。

（2）上述地冷空调系统在很多方面还可进行优化以获得更好的性能（制冷系数、能耗、除湿能力等），如制冷单元制冷剂类型及运行参数（压缩机排气温度等）、除湿溶液类型（LiCl、CaCl2等）、除湿溶液运行参数（如流量、关键点温度等）。

美图欣赏