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空调除湿设计中再热量分析及其冷凝热的利用

时间:2020-6-4 10:04:02|点击:

对于湿负荷较大和热湿比较小的工程,通常采用一次回风系统,如工程的相对湿度有要求,在其夏季空气处理过程中,往往需要采用再热器来加热经冷却减湿后的空气,使处理的空气达到要求的送风状态,从而保证空调区域的相对湿度在要求的范围内。空调再热量的计算通常是在设计工况确定的,首先确定空调房间的余热Q、余湿W,计算热湿比ε=Q/W,然后根据送风温差确定工程内的送风状态点S,如图1所示,据此可以确定空气处理设备的再热量:

 

Qz=G×(S-iL)/3600kW

1)式中:

 

G——送风量kg/h

 

iS——要求送风状态的焓值kJ/kg干空气

 

iL——空气经表冷器后的焓值kJ/kg干空气

 

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1一次回风夏季处理示意图

 

显然,对于余热较小的工程,其热湿比ε较小,要求的送风状态的焓值iS比较大,要求的再热量Qz2就大。


然而,按上面方法计算出来的再热量,在实际运行中往往偏小,造成房间内相对湿度值大于设计值,究其原因,主要是以上设计中工程余热Q的计算是按夏季最不利工况(除去不保证时间)确定的,工程内大部分时间的实际余热值比设计值小得多,其热湿比ε也较设计工况要小,因此,在余热较小时,实际需要的再热量大于(1)式的计算值。

 

2除湿最不利工况的确定

 

显然计算再热量的最不利情况不是工程内余热Q最大的设计工况,而是余热相对较小的过渡季节。工程余热Q=Q人+Q设+Q围,显然,受季节影响较大的是围护结构得热形成得热负荷Q围,下面分别对于地面工程和地下工程的Q围情况进行分析。

 

地面工程

 

地面围护结构的得热包括外墙和屋顶传热得热和窗户的日射得热,在春夏之交的过渡季节特别是在梅雨季节,由于室外温度不是太高,加上梅雨季节日射长期不足,因此Q围显然比设计工况要小,加上梅雨季节室外空气含湿量比较高,通过渗透形成的湿负荷比较大,因此,此时的应是最不利工况,为了满足室内湿度的要求,余热的不足应由再热来补充,显然,再热量的设计应根据此时房间的余热计算。

 

地下建筑

 

对于浅埋地下建筑,围护结构热负荷Q围的计算主要依据是围护结构的温度,分别从顶部、底部和侧墙进行传热计算[1],但其基本思想是夏季壁面温度最高,从而确保工程制冷设备的容量。尽管地下建筑围护结构Q围受外界气温和日射瞬时变化的影响很小,但地下建筑的维护结构的温度在一年中按周期性变化,可按(2)式进行传热计算,地面以下的温度场为:

 

2)

 

式中:

 

——地层材料的导温系数

 

x——距地表面深度

 

Aw——表面温度年周期性波动振幅(℃)τ——时间(h)

 

Z——温度年波动周期(h)

 

由(2)式可知,半无限大物体内任意平面x处,它的温度随时间的变化与表面x=0处的温度变化规律相类似,都是周期相同的余弦函数规律,任意平面x处温度简谐波的振幅为:


3)

 

距地面x处的温度波比表面要落后一个相角,延迟时间为:

 

4)

 

由此可知,对于地下建筑,自然情况下围护结构温度波动幅度较小,并有时间延迟,对于平均埋深约5米的地下建筑,其温度波幅仅为地面的1/5左右,并且温度波延迟约3个月,使得工程在春夏之交的季节,围护结构温度仍处于一个较低的水平。

 

对于常年使用的地下商业建筑,由于存在围护结构与工程内空气的相互作用,其温度与自然情况有所不同。大致可分为以下几种情况,冬季采暖和冬季不采暖。

 

南方地区工程,冬季通常不采暖,其围护结构冬季放出热量,用来加热工程内的空气,工程围护结构温度低于自然情况的温度;到室外气温升高,和工程内人员及设备发热量共同作用于使工程内的温度高于围护结构温度时,围护结构吸取热量,工程围护结构温度高于自然状态下的温度,图2为某工程围护结构温度全年变化的示意图。显然,工程内的发热量愈大,冬季围护结构加热空气消耗的热量比较少,并且工程内空气加热围护结构的时间愈长,围护结构的总体温度愈高,但温度波的衰减和延时的趋势仍然比较明显,通常对于冬季不采暖的地下建筑,其维护结构温度在过渡季节(春夏之交)比设计工况(最大值)低2~4℃,此时的余热小于设计工况,因此,系统的再热量应按此时来设计方能满足除湿要求。

 

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2某工程围护结构温度全年变化的示意图

 

3再热量的获取

对于冬季采暖的地下建筑,其围护结构温度在一年绝大部分时间被加热,因此,其温度总体水平高于自然状况下的总体水平,且波动幅度比较小。并且这类工程通常地处比较干燥的北方,除湿问题并不突出。因此,系统再热量的计算主要是南方地区的地下建筑面临的设计问题。

 

 

然而,实际工程中,由于空气处理中的再热将抵消一部分冷量,产生再热负荷。空气再热处理不仅使冷负荷增大,同时还需增加加热量,尤其对于余热较小的工程,再热量比较大,通常设计人员无法心理无法接受,因而,诸多工程去掉再热段,采用最大温差送风(露点送风)。这样,牺牲了工程的质量指标,使工程相对湿度难以满足设计要求,尤其在春夏之交,工程内的湿度非常大,特别是小余热工程,以致影响工程的使用。如某地下家具商场,采用直接蒸发式空调器进行空气处理,并采用露点送风,工程内相对湿度经常超过80%,梅雨季节,工程内异常潮湿,地板有少量凝结水,并且风口有结露现象,此时空调效果很差,用户无所适从,影响工程的正常使用。

 

因此,从空气处理原理可知,要确保工程内的湿度不致过高,再热是无法省略的,但对于余热较小的地下工程,其再热量是非常可观的,表2表示热湿比ε和再热量之间的关系(送风量为100kg/h,工程的相对湿度为70±5%,温度为26℃,工程散湿量为18kg/h)。

 

2热湿比ε和最小再热量的关系

 

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显然,工程余热量Q愈小,ε就愈小,要求的再热量Qz就越大,如采用电热,这既增加了运行能耗,又增加了设备容量,显然难以推广使用。有人提出利用回风热回收来实现再热[2]设想,即回风和新风混合后,不直接送至冷却装置进行处理,而是先进入一个全热交换器与空气冷却装置的出口空气进行(全热)交换,一方面实现再热,另一方面对进入冷却装置混合空气进行预冷,实现这种设想一方面将会使装置非常庞大,系统变得非常复杂,另一方面,全热交换还会使被处理的空气在再热的同时被“再湿”,显然行不通。因此,目前比较可行的方法是利用制冷系统的冷凝热实现再热,以替代用电及蒸汽加热,节约大量能源。

 

主要设备有:

 

除湿机和调温除湿机

 

除湿机是将冷凝热全部作为处理空气的再热源,再热量比较大,送风温度比较高,通常是制冷量的1.2~1.3倍,因此适合于无余热工程和温度无要求的工程,如深埋地下建筑、仓库等场所;调温除湿机是在普通除湿机的基础上增加了水冷冷凝器,通过调节流经水冷冷凝器的冷却水量来实现再热量的调节,因为再热量比较大,并且可以调节,可在除湿的同时确保工程内的温度满足使用要求,因此适用于热负荷变化比较大工程,并有温度要求的工程,如国防工程和人防指挥工程中,有温度要求的洞库工程。

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3除湿空调机原理图

 

除湿空调机实际上就是直接蒸发组合式空调器,与调温除湿机相同之处是利用利用冷凝热进行再热,不同之处是其不是按除湿机来设计(除湿机风量比较小),而是按空调器来设计,可用冷凝热每100m3/h为35kW,并可根据工程余热大小自动调整,适用地下建筑和有湿度要求的地面建筑。

 

过渡季节和梅雨季节的最不利余热计算比较复杂,但如用冷凝热作为再热热源,属于废热利用,不涉及增加设备容量,并且已实现了自动调节,因此,设计人员不必为再热量的计算耗费过多心思。

 

4结语

 

对于余热较小的地下建筑和湿度要求的地面建筑,为了满足工程内湿度的要求,其再热量是不省略的,再热的计算不能按夏季设计工况确定,而应按制冷系统运行时工程余热量最小的时刻来计算。再热量采用冷凝热不仅可以节约设备运行能耗,减小设备容量,而且便于实现和控制。

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