太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统性能研究

石全成 赵玉娇 陈 柳

(西安科技大学能源学院 西安 710054)

能源匮乏和全球变暖问题被持续关注,建筑是实现能源过渡和碳中和的关键领域[1]。我国建筑运行能耗占总能耗的23%,建筑运行碳排放占总排放量的22%[2]。在建筑能耗中空调系统所占比例已达50%～60%[3]。传统蒸气压缩制冷系统采用热湿联合处理,过冷后的空气再加热的空气处理方法,需要消耗大量电能[4-5]。转轮除湿空调系统采用温湿度解耦的处理方式,可充分利用低品位热能驱动,显著降低空调系统能耗[6-8]。且系统无需制冷剂,对环境破坏性小。转轮除湿空调系统在可再生能源利用和碳排放方面相对于传统蒸气压缩制冷空调系统的优越性已被国内外学者广泛认可[9-11]。

传统转轮除湿空调系统是开式循环系统,被分为处理空气通道和再生空气通道[10]。处理空气通过除湿转轮和冷却设备的联合进行冷却除湿。热的再生空气脱附解吸除湿转轮中干燥剂吸附的水蒸气,再生后的空气排至室外[12]。除湿转轮在除湿过程中放出大量吸附热[13],而再生侧需要低品位热量进行驱动。因此,回收除湿过程释放的吸附热转移至再生侧是一种提高能源利用率的有效方法。袁艳等[14]设置显热换热器把转轮除湿过程产生的吸附热转移至再生加热侧;葛凤华等[15]利用空气源热泵压缩机的高温排气和冷凝热作为转轮除湿机的再生能源。谭益坤等[16]提出了热泵再生型转轮除湿空调系统,该系统能同时回收转轮除湿侧的吸附热及再生侧的排风热。

再生排风空气具有很高的热湿回收价值[17],一般直接排放至大气中,这不仅会影响城市热环境,增强热岛效应,还会造成能源浪费,增强温室效应[18]。如今淡水资源十分受限,从空气中冷凝取水已被国内外众多学者用来解决淡水短缺问题[19-21]。

针对开式转轮除湿空调系统的弊端,本文提出一种太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统,旨在提高开式转轮除湿空调系统的性能,并高效回收再生排风空气的显热和潜热。利用TRNSYS软件模拟了系统的动态性能,并搭建了实验装置验证模拟结果的准确性。

太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统主要包括太阳能热水子系统、空气处理子系统、热湿回收子系统和冷源。太阳能热水子系统将太阳能转化为热能,产生高温热水用于加热再生空气,主要包括平板集热器、蓄热水箱、空气-水加热器、辅助加热器和水泵。空气处理子系统将空气处理为低温低湿的空气送入空调房间,主要包括除湿转轮、表冷器和风机。热湿回收子系统用于回收转轮再生排风的显热和潜热,用于加热再生空气和制备生活用水,主要包括热管换热器、取水换热器和储水箱。冷源系统提供高温冷水并送入表冷器,冷源可以是蒸发冷却冷水机组、地下水以及高温冷水机组。

提出的太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统原理如图1所示,系统空气处理过程的焓湿图如图2所示。与其它包含处理空气和再生空气两股气流的转轮除湿空调系统不同,提出的系统只有一股处理空气气流:再生空气流经热湿回收后与处理空气混合在一起。系统空气处理过程如下:

图1 太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统原理

图2 系统空气处理过程焓湿图

室外空气A先经由再生风机吸入至热管换热器冷凝段进行等湿加热至状态点B,再经过空气-水加热器进一步加热至状态点C。若空气C的温度未达到设定温度可开启辅助加热器加热至状态点D,最后进入除湿转轮再生侧进行解析脱附得到高温高湿空气E。空气E经过热管换热器蒸发段进行等湿冷却(热回收),再经过取水换热器冷凝除湿(湿回收),冷凝水收集在储水箱内以供使用。经过热湿回收后的低温低湿的排风空气G与室内空气通过调节新/回风风阀混合后得到空气I。空气I先经过前表冷器预冷至空气J,然后进入除湿转轮处理侧进行升温除湿得到空气K,最后经过后表冷器等湿冷却至送风状态点L后由送风风机送入空调房间。

采用TRNSYS18模拟软件建立了太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统模型,并搭建了闭式转轮除湿空调系统实验台,将对模拟结果进行实验验证。

2.1 典型建筑特征

应用TRNSYS软件对广州某典型建筑进行建模,具体建筑结构参数如表1所示。设备、灯光和人员作息随时间分布如图3所示。

表1 建筑结构参数

图3 设备、照明和人员作息随时间分布

2.2 太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统仿真模型

利用TNSYS18软件建立了太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统仿真模型,如图4所示,模型主要部件的性能参数如表2所示。

表2 系统主要部件的性能参数

图4 太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统仿真模型原理

2.3 系统实验验证

基于上述原理,建立了一套实验装置用于验证模拟系统结果的准确性。实验部件如图5所示。实验设备主要包括空气加热器、前表冷器、除湿转轮、后表冷器、取水换热器、热管换热器、冷源、空气预处理系统和数据采集系统LU-R3000。设计系统模拟和实验条件相同(再生侧进口空气温度为32 ℃;处理侧进口空气为新风和室内回风混合,新回风混合比为1∶2;处理侧风量为0.26 kg/s,室内回风温度为27 ℃,室内回风含湿量为11 g/(kg干空气);冷冻水供水温度为16 ℃,冷水总流量为3.2 kg/s,调节新风含湿量为12～20 g/(kg干空气),将模拟和实验结果中主要设备参数进行对比,结果如图6所示。模拟结果与实验结果的最大相对误差出现在取水换热器的取水量,为±9.8%,模拟和实验结果一致性在合理范围内。误差主要原因可能来自实验测量误差和模型部件参数设定。

图5 实验部件

图6 模拟结果和实验结果对比

1)系统电力性能系数COPe

系统电力性能系数COPe是系统总制冷量和总能耗的比值,定义如下:

(1)

式中:QC为系统总制冷量,kW;Qt为系统总能耗,kW;Qfan为风机能耗,kW;Qpump为水泵能耗,kW;Qheater为辅助加热器能耗,kW;Qchiller为高温冷水机组能耗,kW;mamb为系统新风空气质量流量,kg/s;mret为系统回风空气质量流量,kg/s;msup为系统送风空气质量流量,kg/s;hA为系统新风空气焓值,kJ/kg;hH为系统回风空气焓值,kJ/kg;hL为系统送风空气焓值,kJ/kg。

2)系统热力性能系数COPth

(2)

式中:Qret为系统再生热量,kW;hB为系统再生热源进口空气焓值,kJ/kg;hD为系统再生热源出口空气焓值,kJ/kg。

3)太阳能保证率SF

SF=Qsolar/Qret

(3)

式中:Qsolar为太阳能回路产生的热量,kW。

4)取水量G

G=mamb(dF-dG)

(4)

式中:dF为取水换热器入口空气含湿量,g/(kg干空气);dG为取水换热器出口空气含湿量,g/(kg干空气)。

5)热回收量QR

QR=camamb(TE-TF)

(5)

式中:TE为热管换热器蒸发段进口空气温度,℃;TF为热管换热器蒸发段出口空气温度,℃;ca为空气定压比热容,kJ/(kg·K)。

6)经济指标

CLC=CI+FPWCO

(6)

(7)

(8)

式中:CLC为生命周期成本,元;CI为初始成本,元;CO为运行成本,元;i为利率,%;d为贴现率,%;n为使用寿命,a;N为运行时间,h;PBP为回收周期,a;下标prop表示提出系统;conv表示传统蒸气压缩系统。

4.1 主要参数对系统性能影响

研究在典型热湿地区系统的动态特性,影响系统的主要因素是高温冷源分配至各冷却器(前表冷器、后表冷器和取水换热器)的冷水流量比以及新风比(新风∶送风)。选取广州地区典型周7月15—22日(4 680～4 848 h)进行系统仿真模拟,研究系统各冷却器的冷水流量比和新风比对系统性能的影响。

4.1.1 冷水流量比

在系统送风风量为0.6 kg/s,再生侧风量为0.2 kg/s,冷水总流量为1.1 kg/s的条件下,研究不同冷水流量比下,系统性能随室外空气参数的逐时变化。

表3所示为不同冷水流量比随室外空气参数变化对系统平均COP、取水量和热回收量的影响。由表3可知,当冷水流量比为A4(1∶5∶4)时,系统存在最佳COPe和COPth,分别为2.58和2.24,对应的取水量和热回收量分别为9.58 kg/h、3.33 kW。

表3 流量比对COP、取水量和热回收量的影响

前表冷器主要起到预冷处理空气的作用[22],太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统中再生排风E经过热湿回收后得到具有相对较低温湿度比的空气G。空气G和回风H的混合使空气I的温湿度比降低,即完成了一部分预冷,而这在传统转轮除湿系统中完全是在前表冷器进行[23]。因此,后表冷器的冷水流量比最高,取水换热器的流量比次之,前表冷器的流量比最低。后续研究流量比选择1∶5∶4。

4.1.2 新风比

在系统送风风量为0.6 kg/s,冷水总流量为1.1 kg/s,冷水流量比为1∶5∶4的条件下,研究不同新风比(新风∶送风)下,系统性能随室外空气参数的逐时变化。

图7(a)所示为新风比从0.1增至0.9对平均COP和能耗的影响。由图7(a)可知,随着新风比的增大,系统COPe逐渐降低,COPth和能耗逐渐增大。较大的新风比可以提高送风空气品质,提高除湿能力,增大制冷量,使COPth提高。但同时也会导致系统能耗增加更多,系统COPe降低。

图7 新风比对系统性能的影响

图7(b)所示为新风比从0.1增至0.9对平均取水量和热回收量的影响。由图7(b)可知,随着新风比的增大,系统平均取水量和热回收量增大,且增大趋势为先快后慢,存在拐点0.3。

这主要有两方面原因:1)新风量的增加会有更多的空气进入热管换热器和取水换热器进行换热和冷凝取水;2)当再生侧空气的流量提升至处理侧空气流量的1/3时,使再生空气的解吸能力随空气流量的增加而显著提高,导致系统再生侧排风空气的温度和含湿量均会增大[24],所以传热传质驱动力增大,取水量和热回收量均增加。但进一步增大再生侧流量,解析能力会趋于稳定,取水量和热回收量增加变得平缓。这是因为当转轮除湿材料内的水蒸气分压已经接近再生空气进口的水蒸气分压时,解析和除湿能力趋于稳定。

综上所述,较大的新风比会提高送风品质,增大取水量和热回收量。但较大的新风比会导致系统能耗显著增大进而导致COPe降低。本文选择新风比为0.3。

4.2 系统动态性能

利用TRNSYS软件对提出的太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统应用于广州地区6月1日至9月30日(TRNSYS软件中对应的小时数为3 624～6 552 h)整个制冷季进行模拟,研究系统的动态性能。

4.2.1 温湿度动态性能

图8所示为室外、送风和空调房间温湿度的动态变化。由图8(a)可知,整个制冷季空调房间温度维持在25.0～26.2 ℃,由图8(b)可知,相对湿度维持在45.4%～65.5%。因此,太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统在炎热潮湿地区具有提供良好热舒适的能力。

图8 室外、送风和空调房间温湿度动态变化

4.2.2 COP和能耗动态变化

图9(a)所示为太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统的COP和系统能耗动态变化。由图9(a)可知,系统COPe变化范围为1.0～4.5,平均值为2.4;COPth变化范围在1.2～2.9,平均值为2.1;系统能耗变化范围为2.4 ～8.3 kW,平均值为5.2 kW。说明提出的太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统在夏季炎热潮湿地区拥有良好的运行性能。

图9 系统COP、能耗和太阳能贡献率动态变化

这是因为系统能耗主要来自再生空气加热能耗。再生空气加热能耗降低有两方面原因:1)系统再生进口空气来自室外高温空气;2)系统采用太阳能加热和热管换热器回收废热用来加热再生空气,大幅降低了再生空气辅助加热器的能耗。

4.2.3 太阳能保证率动态变化

图9(b)所示为系统的太阳能保证率SF的动态变化。由图9(b)可知,系统SF维持在0～1之间,平均值为0.55。系统SF的变化是因为在日间太阳辐射量充足,温度较高的室外空气送入系统再生侧,并经过热管换热器冷凝段加热后空气温度继续升高,导致系统再生空气加热量需求减小,所以日间SF较高,最高可达1;夜间则相反,太阳辐射量小,室外空气温度也低,系统再生空气加热量需求较大,所以夜间SF较低。

4.2.4 取水量动态性能

图10(a)所示为系统取水量逐时变化值。由图10(a)可知,系统取水量变化范围为4.5～12.8 kg/h,整个制冷季累计取水量为25.66 t。取水量的变化主要和室外空气含湿量有关,室外空气含湿量的升高/降低会使除湿转轮解析脱附更多/更少的水分,导致取水换热器进口空气含湿量增大/减小,提高/降低了取水换热器和排风空气之间的传质驱动力,使空气冷凝水量增大/减小。所以系统在高湿环境下运行会有更好的取水性能。

图10 系统取水量及热回收量动态变化

4.2.5 热回收量动态性能

图10(b)所示为系统热回收量逐时变化值。由图10(b)可知,系统每小时热回收量变化范围为1.6～4.9 kW,整个制冷季累计热回收量为9.70 MW。热回收量的变化主要和热管换热器冷凝段和蒸发段进口空气温度有关。热管换热器蒸发段进口空气温度变化较小,随着热管换热器冷凝段进口空气温度(室外空气温度)升高/降低,热管冷凝放热量降低/升高,导致热回收量降低/升高。系统在高温环境下运行热回收量会降低,但系统能耗也会降低,运行也更加节能。

4.3 系统对比

选取典型热湿地区广州6月1日至9月30日整个制冷季,从系统性能、环保效益和经济性3方面对比了太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统和太阳能驱动开式转轮除湿空调系统。太阳能驱动开式转轮除湿空调系统原理如图11所示,主要包括太阳能热水系统、空气辅助加热器、前表冷器、除湿转轮、后表冷器、高温冷水机组、风机和水泵。前表冷器和后表冷器的冷水流量比选择3∶7[22],此时系统性能较好。其他参数和提出的太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统保持一致。

图11 太阳能驱动开式转轮除湿空调系统原理

4.3.1 系统性能对比

图12所示为太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统和太阳能驱动开式转轮除湿空调系统的逐月平均COP和能耗。由图12(a)可知,在整个制冷季,太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统均表现出了更优的性能,逐月COP均高于太阳能驱动开式转轮除湿空调系统。最高COPe和COPth在7月分别为2.7和2.2,相比于太阳能驱动开式转轮除湿空调系统分别提高了42.1%和69.2%。由图12(b)可知,在整个制冷季,太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统的逐月能耗均低于太阳能驱动开式转轮除湿空调系统,7月能耗最低为3.58 MW,相比开式太阳能转轮除湿空调系统降低了29.3%。所以提出的太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统相比于太阳能驱动开式转轮除湿空调系统具有更好的性能和更低的能耗。

图12 系统逐月COP和能耗变化

4.3.2 系统环境效益对比

我国采用标准煤发电所消耗的平均值为0.404 kg标煤/(kW·h)作为电力生产污染物的统计计算。经计算太阳能驱动闭式循环转轮除湿空调系统和太阳能驱动开式转轮除湿空调系统在广州地区整个制冷季的污染物排放量如表4所示。由表4可知,太阳能驱动闭式循环转轮除湿空调系统的各项污染物排放量均远低于太阳能驱动开式转轮除湿空调系统。其中,CO2排放量占比最大,相比于太阳能驱动开式转轮除湿空调系统减排了29.5%。说明本文提出的太阳能驱动闭式循环转轮除湿空调系统具有更好的环保效益和碳节约能力。

表4 不同系统污染物排放量对比

4.3.3 系统经济性对比

对传统蒸气压缩制冷系统、太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统以及太阳能驱动开式转轮除湿空调系统进行了经济分析。假设系统制冷量为200 kW,运行时间为1 200 h,电价为0.82 元/(kW·h)。利率(i)和贴现率(d)分别为4%和3%。使用寿命(n)为15 a,并假设无残值。系统部件价格参考制造商,详见表5。

表5 系统部件成本

表6所示为3种系统的初始成本、运行成本、生命周期成本和回收周期。由表6可知,太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统和太阳能驱动开式转轮除湿空调系统初始成本虽然较高,但运行成本相比于传统蒸气压缩空调系统分别降低了63.1%和50.2%,生命周期成本分别降低了28.9%和19.7%,回收周期分别为6.4 a和7.7 a。说明提出的太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统相比传统蒸气压缩空调系统和太阳能驱动开式转轮除湿空调系统具有更好的经济竞争力。主要是因为太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统的额外能耗很低,系统中设置的热管换热器不仅可以通过回收除湿转轮再生排风废热用于再生热源,而且不需要额外能源,相比于开式转轮除湿空调系统更加节能。

表6 经济性对比

针对开式转轮除湿空调系统的弊端,本文提出一种太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统。以广州地区夏季某建筑为例,通过TRNSYS18软件进行模拟研究,得到以下结论:

1)当前表冷器、后表冷器和取水换热器的冷水流量比为1∶5∶4时,系统存在最佳COPe和COPth,分别为2.58和2.24,对应取水量和热回收量为9.58 kg/h和3.33 kW。

2)提出系统的动态性能模拟结果显示:系统在炎热潮湿地区能够提供良好的室内热舒适环境并表现出良好的性能。在广州地区整个制冷季,最大COPe和COPth为4.5和2.9,累计取水量为25.66 t,热回收量为9.70 MW。

3)对提出系统与太阳能驱动开式转轮除湿空调系统在广州地区进行了对比研究,结果显示:提出系统最高月平均COPe和COPth分别提高了42.1%和69.2%,CO2排放量减少了29.5%,回收周期为6.4 a。表明太阳能驱动闭式转轮除湿空调系统具有更好的性能、环保效益和经济竞争力。

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