除湿空调机组的能耗分析及其选择应用

王凌杰，杨昌盛

（1.苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州 215000；2.沃桐福空气调节设备（上海）有限公司，上海 200082）

0 引言

随着室内空气品质要求和空调系统节能要求的提高，空调系统的除湿技术，尤其是新风的除湿技术越来越受到重视[1]，各种调温除湿空调机组在空调系统中得到了普遍应用。空调系统的能耗占我国建筑总能耗的40%～60%，其中干燥除湿是能耗较高、实施起来难度较大的一个环节[2]。考虑到当前能源紧张的现状，除湿空调机组在选择应用时必须在满足参数的前提下，应优先选择能耗较低的机组，以免产生额外的能源消耗，造成不必要的浪费。

目前市场上的除湿空调机组类型较多，大体上分为冷冻除湿、固体吸附除湿和液体除湿方法三类，各类机组的运行能耗存在差别。本文以下将对这三类机组的空气处理过程及在处理相同空气量时的能耗进行分析比较，以便为空调系统的节能设计提供参考依据。

1 除湿空调机组的除湿过程分析

除湿空调的典型设备分别是冷冻干燥除湿机、转轮除湿机组和溶液除湿空调机组，各机组的工作原理与空气处理过程存在较大差异。

冷冻干燥除湿机是将湿空气冷却至露点温度以下，使湿空气中的水蒸气以液态的形式析出，实现冷却除湿的目的。其内部设置了一套制冷系统，制冷系统运行时，蒸发盘管换热器表面产生远低于空气露点的低温，湿空气流过蒸发器时，其中的水蒸气首先达到饱和状态，继续降温后将以液体的形式从空气中分离出来，流入蒸发盘管下部的积水盘排出机组外。被降温干燥后的空气继续流过冷凝盘管换热器，吸收冷凝器散出的热量，提高至所需温度，送入被处理环境，完成除湿、升温的过程。冷冻除湿机的空气处理过程可用图1的焓—湿图表示，图中1点为被处理空气的初始状态，图中为湿空气降温除湿的过程，为干燥后空气的升温过程。见图1。

图1 冷冻除湿机的除湿过程h—d图

转轮除湿机组属于固体吸附除湿范畴，其核心部件是一个蜂窝状转轮，由特殊陶瓷纤维载体和活性硅胶复合而成[3]；转轮的整个盘面分隔为两个扇形区域，其中约2/3为处理区，1/3为再生区。湿空气通过转轮的扇形处理区，其水蒸气被转轮上的固体吸附剂吸收，实现减湿作用。处理区吸收水蒸气后含水量增加，除湿能力下降，此时转轮在皮带的驱动下以8 r/h左右的转速连续转动，使部分处理区盘面转入再生区，再生空气经电加热（或其它热媒加热）形成的干热空气通过再生区，因吸附剂表面水蒸气分压力远大于干热空气中水蒸气分压力，水蒸气在此压差推动下，扩散进入再生空气中，使转轮固体吸附剂恢复吸湿能力，从而实现连续除湿、再生的作用。

转轮吸附除湿过程近似为等焓减湿过程，湿空气中的水蒸气在转轮处理区中被吸附液化，放出热量，导致被处理空气的温度升高，若需要将被处理空气降温到所需的送风温度，还需要额外提供冷量。调温转轮除湿机组的空气处理过程如图2所示，图中为湿空气通过转轮再生区被除湿的过程，为干燥空气等湿冷却至送风温度的过程。

图2 转轮除湿机的除湿过程h—d图

溶液除湿空调机组是利用了浓度较高的盐溶液吸收水蒸气的原理进行除湿的，浓度较高的盐溶液水蒸气分压力低于湿空气中的水蒸气分压力，水蒸气在此压差推动下向浓溶液扩散，并被浓溶液吸收，湿空气因而被干燥。吸收了水蒸气的浓溶液转变为稀溶液，可经升温后与再生空气接触，并释放出水分而浓缩再生，恢复吸湿能力。溶液除湿空调机组处理空气的过程如图3所示，图中为湿空气与浓溶液接触被吸湿冷却的过程，为干燥空气被加热至所需送风温度的过程。

图3 溶液除湿空调机组的除湿过程h—d图

2 不同类型除湿机组耗能的理论分析

由图1、2、3可知，若将等G流量的湿空气从同一初始状态经除湿、冷却（或加热）至相同的送风状态，实现相同的除湿量，不同类型的除湿机组消耗的冷量和热量存在差异，以下对各类型除湿机组的冷热消耗量进行分析，进而比较其能耗。

2.1 冷冻除湿机的总能耗

冷冻除湿机除湿过程消耗的冷量由制冷系统的蒸发器提供，加热空气的热量则由制冷系统的冷凝器提供。对于有送风温度要求的机组，可利用少部分冷凝热，其余的冷凝热排至室外环境或用于其它用途。冷冻除湿机组的耗冷量QLo与耗热量QLe计算值见式（1）和式（2）所示。

冷冻除湿机组总能耗仅为制冷系统提供空气除湿所需冷量而消耗的压缩机功率，其大小为冷量QLo与系统制冷系数εL之比，即

2.2 转轮除湿机的总能耗

转轮除湿机组的除湿过程理论上不需要消耗冷量，而若将干燥处理后的空气直接送入空调房间，则需要消耗空调系统的冷量。对调温转轮除湿机组，调节干燥空气送风温度所需的冷量则由另外配置的制冷系统提供，这部分冷量值为：

转轮再生需要干热空气，高温转轮再生空气的温度不低于120℃，因此加热再生空气的热量只能由电加热器提供，不可能利用制冷机的冷凝热。低温再生转轮配有制冷系统，兼有预冷、调温功能，再生空气的温度为45～60℃，加热量由制冷系统冷凝器提供，可不需要额外提供热量，机组总能耗仅仅是制冷系统压缩机的功耗，效率高于普通高温转轮除湿机，但其再生风量高。分析转轮除湿机的能耗可以低温再生转轮除湿机为代表，低温再生转轮除湿机的总能耗为

2.3 溶液除湿机的总能耗

溶液除湿机在除湿过程中，湿空气中的水蒸气被浓溶液吸收时需要放出热量，导致溶液温度升高，水蒸气分压力增大，吸收过程的推动力减小，溶液吸收性能下降，因而需要冷量平衡除湿过程中产生的热量，其值为：

除湿后的干燥空气升温需要的热量来自于部分冷凝热，其值为

式中，GR为再生空气的质量流量，kg/s；

再生过程中需要将稀溶液升温以提高溶液表面的水蒸气分压力，增强稀溶液散失水分的能力，使稀溶液浓缩为浓溶液，实现溶液除湿、再生的循环。溶液加热所需的热量由制冷系统冷凝热提供，这部分热量为：

式中，GR，z为再生溶液的质量流量，kg/s；Cp，R为再生溶液的平均定压比热，kJ/（kg·℃）；tR，o为再生溶液的出口温度，℃；tR，i为再生溶液的进口温度，℃；

溶液除湿机组的总功耗应为除湿过程消耗的冷量与系统制冷系数εR之比，调节机组出口干燥空气的温度及加热再生侧稀溶液的热量全部由系统冷凝热提供，无需消耗额外的功率，故而机组的总能耗可按下式计算。

在除湿量相同及湿空气进出风状态相同的情况下，由图1、图2、图3可以得到 h1L=h1Z=h1R、h2L=h2Z=h2R、h2′L＜ h2′R，根据式（3）、（6）、（9），可比较不同型式的除湿机组消耗的功率。因冷冻除湿机制冷系统的蒸发温度较低，溶液除湿机组则可以采用较高的蒸发温度，因此有εL＜εZ＜εR，故首先可以得到PL＞PR，PL＞PZ，表明冷冻除湿机能耗高于其它两种除湿机组的能耗。至于转轮除湿机组与溶液除湿机组能耗的高低，则需要考虑具体设备的对比进行分析。

3 除湿机组的选择应用方案耗能比较

理论分析并不能完全比较出转轮除湿机组与溶液除湿机之间的能耗差别，以下通过除湿机组的具体选择方案来进行分析比较，设计选型案例如下：

已知北京市某超市空调面积约5 000 m2，人员密度取0.48人/m2。夏季空调设计参数为：室内设计干球温度tN=26℃，室内设计相对湿度φN=60%；夏季空调室外计算干球温度tW=33.2℃，计算湿球温度tW，s=26.4℃；建筑围护结构传热、照明及室内设备散热负荷约为55 W/m2；冬季设计参数为：室内干球温度tN=20℃，相对湿度φN=50%；冬季室外计算干球温度tW=-12.0℃，计算相对湿度φW=45%；室内热负荷为约50 W/m2。

室内总冷负荷经计算为610 kW，冷负荷指标为122 W/m2。根据《公共建筑节能设计标准》，超市人均新风量为20 m3/（h·人），总新风量为48 000 m3/h，系统总送风量为160 000 m3/h。

对此超市进行空调系统设计和设备选型，系统采用PAU（新风机组）+AHU（空调箱）+VAV末端的形式，新风全部由新风除湿机独立处理。新风除湿机考虑制冷剂型低温再生转轮除湿机和溶液除湿机两种方案，系统设备选择如表1所示。

表1 空调系统设计方案设备选型汇总表

由表1选型结果可见，同样处理48 000 m3/h的新风，方案一的额定除湿量为633.6 kg/h，压缩机输入功率为43.8 kW，方案二的额定除湿量为961.9 kg/h，压缩机输入功率为34.4 kW，采用溶液除湿新风机组的方案优于采用转轮除湿新风机组的方案，能耗可降低9.4 kW，表明溶液除湿机组能耗低于转轮除湿机组。

4 结论

本文依据对不同类型的除湿空调机组除湿过程的分析，并结合设备的具体选择应用，得出了以下结论：

（1）各类除湿空调机组在应用于恒温恒湿环境的空调系统时，选择溶液除湿机组可以实现除湿量大、出风含湿量低的目的，溶液除湿机组在节能方面具有较大的优势。

（2）溶液除湿机组也存在某些缺点，特别是长期使用可能会出现溶液渗漏或逸出，产生腐蚀问题，因此在某些除湿量和出风含湿量要求不高的场合，可以考虑采用其它类型的除湿机。

随着在溶液除湿机组提高能效方面研究的深入，各种新型高效的机组不断出现，溶液除湿机组存在的问题将得到很好的解决。由于溶液除湿空调系统在节约能源、室内空气品质控制方面都有比较明显的优势，因此其设计应用方案必将得到更广泛的普及。