空气热湿处理过程有效性分析

第30卷第6期2011年12月

文章编号：1003-0344（2011）06-068-5

建筑热能通风空调

BuildingEnergy&EnvironmentVol.30No.6Dec.2011.68~71

空气热湿处理过程有效性分析

赵立红1刘仙萍2胡加刚1

1山东三力建筑设计有限公司2中南大学能源科学与工程学院

摘分析了影响空气热湿处理设备显热比的主要因素，要：针对空气冷却除湿过程中室内湿度控制不足的问题，

采取降低机器露点温度和增加冷对余热排除的有效性进行了计算分析，提出有效控制温湿度的途径。结果表明：实际制冷系统的有效度为69.4%，但是整个系统的却盘管排数的方法降低显热比不可取，接近卡诺循环的效率，仅为15.1%；提高能量利用效排除余热的效率却很低，采用分级主动除湿的方法，对提高制冷系统的除热有效度、率具有实际意义。

关键词：除湿机器露点显热比余热有效性

EffectivenessAnalysisonHeat-MoistureTreatmentProcessesinAir

Conditioning

ZHAOLi-hong1,LIUXian-ping2,HUJia-gang11ShandongSanliArchitectureDesignCo.Ltd

2CollegeofEnergyScienceandEngineering,CentralSouthUniversity

Abstract:Fortheundercontrolproblemofhumidityintheaircoolinganddehumidifyingprocess,thepaperanalyzestheprincipalelementsimpactontheSensibleCoolingRatio(SCR)forairhandlingprocessequipment,givessomeanalysisandcalculationonexcessheatremovalefficiency,proposesaneffectivesolutionforheat-moisturecontrol.Itturnedoutthat,themethodtolowerSCRbydecreasingApparatusDewPoint(ADP)temperatureandaddingcoldcoilstobenotdesirable.Thesystemdehumidificationefficiencyisonly15.1%,eventhoughitseemsthattheactualefficiencyis69.4%,closedtoCarnotcycle.ItispracticalsignificanttoimprovesystemheateliminatingefficiencyandenergyutilizingefficiencybySub-levelandActivedehumidifyingmethod.

Keywords:dehumidification,apparatusdewpoint,sensiblecoolingratio,excessheat,effectiveness

湿度大，空调我国长江中下游地区夏季气温高，

舒适性空调的湿系统的热湿处理负荷大。长期以来，

度是基于空调设备的制冷除湿性能与建筑的热湿负荷的关系而间接控制，当建筑热湿负荷构成发生变化时，室内的湿度得不到很好的保障。除湿是空调的主目前蒸发要任务之一，是改善室内空气品质的要求，

制冷量的30%耀50%压缩冷却除湿方式的空调系统中，

是为了满足除湿的要求，因此分析空调系统空气热湿

处理过程能源利用特性，研究合理的温湿度控制方法，提高冷源利用效率和降对创造舒适健康的室内环境，低空调能耗具有积极意义[1]。

1HVAC除热尧除湿特点

1.1湿度控制不足的原因

湿度控制不足的问题产生的主要原因有：

收稿日期：2011-5-23

（1976~）山东济南华信路389号巨匠大厦912室作者简介：赵立红，女，本科，工程师；（250100）；0531-81908736；E-mail:lylyzhao@

第30卷第6期赵立红等：空气热湿处理过程有效性分析·69·

1）ANSI/ASHRAEStandard62-2001（ASHRAE

2001-VentilationforAcceptableIndoorAirQuality）[2]

针对商业建筑提高了新风要求，

大大增加了HVAC设备的除热和除湿负荷。

ASHRAE62通风标准对湿度控制有显著的影响，尤其是我国夏热冬冷长江中下游潮湿气候地区，除湿负荷增加比率明显比显热负荷大，造成

HVAC设备除热与除湿不匹配；

2）围护结构的隔热性能改进和节能产品的推广使用，使通过围护结构显热大大降低，并且室内高效照明设备降低了室内显热发热量，

建筑显热负荷降低引起HVAC设备制冷和除湿负荷不匹配；

3）对制冷设备效率的改进是通过增加冷却盘管的相对尺寸，大尺寸允许更高的蒸发温度，获得更高的系统效率，但是降低了设备的除湿能力。1.2建筑空间显热负荷比SHR

房间或者新风的显热得热与潜热得热的关系用

SHR（SensibleHeatRatio）表示，为显热得热与显热与潜热总得热之比：

SHR=

Qs

Qs+Ql

（1）

式中：Qs为显热得热；Ql为潜热得热。

显热得热与潜热得热随室外条件、

时间、日期和使用模式的改变而变化[3]

。SHR概念有助于在焓湿图上表示空间除热、除湿要求与空气处理设备的制冷、除湿处理过程。

1.3空气处理设备显热比SCR

夏季空调工况大多数制冷的同时需要进行除湿，蒸发压缩空气处理设备提供显热冷却或降温的同时能去除潜热或除湿，因此应用广泛。类似建筑空间显热比SHR，空气处理设备热湿处理性能参数SCR[4]

SensibleCoolingRatio），定义为显热处理能力占全热处理能力的比值：

SCR=

显热处理能力

SCR值表征空气处理设备的除湿能力，全热处理能力

（2）

SCR值低意味着大部分的冷却能耗被用来除湿或者去除潜热。如图1所示：根据空气处理过程显热比SCR定义，空气冷却除湿过程线1原2斜率越大，SCR值越大，则设备去湿能力越小，空气处理过程的除湿效率就越低；SCR线垂直时，SCR越1，空气处理设备处于干工况运行，只处理显热负荷；反之亦然，1原2过程线越平缓，设备显热比越小，其除湿能力和除湿效率越高。因此增大空气处理设备除湿能力的途径可以通过降低SCR

值来实现。

图1空气冷却除湿过程i-d图

2显热比SCR的制约因素

2.1机器露点

机器露点可以看作有效冷却盘管表面的温度，它是空气热湿处理设备制冷和除湿的重要参数，但是该温度很难直接测量，因为盘管表面的温度不相等，而是随热交换器内冷媒吸收空气热量而变化[5]。

从空气侧来看，流经冷却除湿盘管的空气的精确状态是变化的，在焓湿图上准确描出比较困难，因为如果进入空气能够冷却到有效盘管表面的温度，则空气离开时的温度为机器露点温度；

实际上，并非所有的空气都被完全冷却到机器露点。邻近盘管的空气被冷却，水分从空气中凝结出来，然而距离表面远的气流和没有直接接触的空气并不能同样被冷却和除湿。离开空气为两种气流的混合物，其中一部分为露点温度，另一部分为完全未接触热交换器而保持进口温度状态，焓湿图上描述的是混合气流的平均温度和湿度。空气流经盘管的绕流速度越低，

盘管深度越大且越密，则空气混合程度越高，离开空气越接近露点温度。

常规蒸汽压缩冷却空调设备为提高其除湿能力

SCR值），常采取以下三种途径：①降低蒸发温度；

②降低空气流经冷却表面的速度；③增加表冷器排数。这三种措施虽然在一定范围内能提高空气设备除湿能力，但同时都受到其他因素的限制：

一方面，空气处理焓湿图的饱和曲线表明SCR只

能被降低到一定水平。如图2，对于给定的进口空气参数状态1，

SCR斜率只由一个参数决定，即露点温度。当露点温度降低时，

1原4过程的SCR斜率降低；但是受实际条件的限制，露点温度过低时造成盘管表面结霜，因而SCR斜率不能无限降低，此为技术限制的极限SCR值；且该最低SCR值依赖于进口空气的温度和湿度状况，进口空气的湿度越大，极值SCR越低；进口空气越干燥，SCR极值越大。技术限制的最低SCR受实际的操作条件影响。因为露点温度过低造成冷却设备结霜，对常规舒适性空调空气处理设备，

技术限（降低（

·70·建筑热能通风空调2011年

制的露点温度最低为0℃。

图2空气热湿处理i-d图

另一方面，

极限SCR值与制冷设备蒸发压缩循环的能效影响紧密，冷却除湿设备达到极限SCR值时，相应的制冷系统蒸发温度达到极低，制冷系统性能系

数降低。有研究表明[6]，露点温度每降低1℃，制冷系统性能系数COP值降低1%~1.5%，系统总冷却能力降低1.5%~2%，而且，SCR在一定的温度范围内随机器露点降低而迅速下降，但是当机器露点温度达到较低水平时，进一步降低露点温度对SCR值影响很小。因此依靠降低蒸发温度降低机器露点的做法不经济。2.2通用热交换效率

表冷器的功能是冷却和除湿，

表冷器进出口流体的状态变化可以用表冷器的全热交换效率和通用热交换效率表征[3]

：

全热交换效率：

E1-t2

g=

tt1-tw1

（3）

通用热交换效率：

E¢=t1-t

2

t1-t3

（4）

式中：t1、t2为处理前后空气的干球温度，℃；tw1为冷水

初温，℃；t3为冷水出口温度，

℃。如图3，表冷器全热交换效率反映表冷器的热湿交换程度，在理想换热条件下，空气的出口温度能够达到水温，全热交换效率为1，出口状态达到tw1；而实际上空气温度不会达到水温，全热交换效率均小于1，出口水温只能达到t3，经过表冷器盘管的空气只有直接接触的那部分会被除湿降温达到饱和状态，而其余部分的空气未被处理，降温除湿到饱和状态的空气与未被处理的空气混合，使得表冷器的出口空气状态点离开了饱和线。

4图3

通用热交换效率反映表冷器对经过盘管的空气

处理比例，即在湿工况时，通用热交换效率反映出口空气远离饱和线的远近。对同种型式的表冷器，一般当排数较多时，盘管的后面几排用来除湿，空气与盘管接触较为完全，通用热交换效率E'高，除湿效果好；而排数少时，通用热交换效率E'低，除湿效果差。

利用表冷器除湿时，增加表冷器排数是降低设备显热比SCR、提高除湿性能的措施，但是排数的增加

会引起空气阻力的增加，而且后面几排还会因为空气与冷水之间温差过小而降低传热作用，

并且往往将空气处理到低于控制温度，需要消耗再热量调节湿度。所以表冷器的排数一般不超过8排，降低显热比SCR的能力受到限制。

3排除余热的有效性分析

3.1余热排除效率

排除余热的目的是把室内总余热量通过一定的手段传到室外，以维持室内状态的恒定。排除余热的过程伴随着传热和传质，理想的排除余热的过程是将余热排除的过程耗功最小。对于不同温度的室内热源，当其温度大于环境温度时，

可以直接用室外环境温度水平的免费冷源，如采用通风法就可以将其排出室外。

而室内热源温度低于室外环境温度时，可在室内热源与室外环境之间构建卡诺循环，如图4所示：To为室外环境温度，TAi为室内空气温度，QAi为室内总余热量，

Wi为耗功。

图4除热卡诺循环

系统的理想排余热效率为：

hTAi

理想排余热＝

To-TAi

（5）制冷机的理想效率为：

hT蒸发

卡诺制冷机＝

（6）

T冷凝-T蒸发

假定室内外温度分别为26℃、35℃273+，由式（526

）知

排除余热的理想循环效率为：h理想排余热＝2℃35-26

=33.2。空调系统蒸发温度Tc为、冷凝温度Tk为40℃

时，由式（6）知制冷机的理想效率为：h273＋2

卡诺制冷机40-2

＝7.2。为了比较系统的实际性能与理想效率的差距，

定

第30卷第6期赵立红等：空气热湿处理过程有效性分析·71·

义实际效率与卡诺循环效率的比值为有效度y：

gh实际制冷机

系统＝

h´100%

（7）卡诺制冷机

g＝h

实际制冷机制冷机h´100%

理想排余热

（8）

假定实际制冷机的性能系数COP值为5，则在蒸

发温度和冷凝温度分别为2℃、40℃时，与卡诺制冷机

效率相比，由式（7）得系统有效度为：g5

系统7.2

´100%＝69.4%；由式（8）得整个空调系统接近排余热卡诺循环的有效度为：

g制冷机

＝

5

33.2

´100％＝15.1%。从以上计算分析得知，当制冷机的性能系数COP

值为5时，

在2/40℃的蒸发/冷凝温度下，实际制冷装置的有效度为69.4%，接近卡诺循环的效率；

但是整个系统的排除余热的效率却很低，仅为15.1%。造成系统排除余热有效度低的主要原因在于，

一是系统传热环节多，传热过程至少包括图5所示四个环节的传热温差；二是系统的蒸发温度太低。采用表冷器对空气进行热湿处理时，空调系统为了除湿，

通常将空气处理到低于空气露点温度，如图2中过程（1原4）。而事实上，当室内温度为26℃，相对湿度为60%，此时露点温

度约为17.6℃，空调除热除湿的任务可以看成是从26℃环境中向外界抽取热量，在17.6℃的露点温度环境下向外界抽取水分。如果考虑传热和介质的输送过程中产生的10℃温差，当空调送风仅需要满足室内排热的要求时，冷源的温度只需要15耀18℃；当空调送风需要满足室内排湿的要求，冷源的温度需要低于室内的露点温度，需要7.6℃的冷源温度，制冷系统的蒸发温度相应降低到2℃。冷却除湿空调系统中，根据余热能量品质的高低，采用分级主动除湿的方法，具有提高蒸发温度的巨大潜力，对提高制冷系统的除热有效度、提高能量利用效率具有实际意义。

冷冻水供回水温差空气输送温差

蒸发器传热温差 空气-冷水温差

图5空调系统传热温差

3.2控制温湿度的有效途径

针对采用冷却除湿的热湿联合处理方式能量利用率低的弊端，国内外对分级除湿的方法有很多研究，

开发了不同的热湿处理方法[6~8]。结合冷却除湿和转轮除湿的特点，利用主动除湿转轮和冷却除湿复合除湿的方式分级去除湿负荷，

是可行的解决途径[8~10]

。研究表明[9~10]，露点温度要求低于4.5℃时，

热力再生干燥剂除湿与常规的冷却除湿相比具有寿命周期成本低的优势，而露点温度高于7.2℃时，冷却除湿一般比干燥除湿要好，因为初投资低、简单、寿命更加长，运行费用接近或低于后者。在高湿工况下，除湿转轮具有较高的除湿效率，低温高湿更加经济。根据余热能量品质的高低，采用分级主动除湿的方法，采用冷却除湿设备进行预处理，工作于露点温度较高的区间，降温并承担部分湿负荷；采用转轮分级工作于低露点区间，承担大部分湿负荷。

4结论

通过对建筑空间热湿控制规律和影响湿度控制的

因素的分析，可以得出如下结论：

1）为了有效控制室内的温湿度，HVAC系统的总处理能力要大于或者等于建筑的总负荷，

而且，应使空气处理设备的SCR值与建筑空间的SHR值相适应。2）降低露点温度使冷却除湿设备达到极限SCR值时，相应的制冷系统性能系数降低；增加表冷器排数降低设备SCR值的方法，往往将空气处理到低于控制温度，需要消耗再热量调节湿度，降低空气热湿处理过程的能源利用效率。

3）在2℃/40℃的蒸发/冷凝温度下，实际制冷装置的有效度比较高，接近卡诺循环的效率，但是整个系统排除余热的效率还是非常低，根据余热能量品质的高低，采用分级主动除湿的方法，将主动除湿转轮和冷却复合除湿的方式分级去除湿负荷，是一种可行的解决途径。参考文献

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