第25卷第2期建筑热能通风空调V01.25No.2200|6年4月BuildingEneEgy&EnvimnmentApr.2006.65~69文章编号:1003.0344(2006)02.065.5夏热冬冷地区民用建筑除湿方式的适用性分析余晓平1付祥钊2“(1重庆科技学院建筑工程系;2重庆大学城市建设与环境工程学院)摘要:本文对常见的几种空气除湿的原理进行了分析,针对夏热冬冷地区的建筑气候特点,比较了冷冻除湿、通风升温除湿、被动除湿、干式除湿和复合式除湿等各自的特点和适用场合。分析了该地区空气处理设备实现温湿度独立控制的必要性,强调了空调设备设计选型时不能只考虑设备显热冷负荷,说明了湿度控制对空气处理设备设计选型的要求,提出了独立新风系统集中除湿和室内空气湿度独立控制的重要途径,并从室内环境质量综合控制角度指出了民用建筑空气除湿技术和该地区空气湿度控制方式的发展趋势。关键词:空气除湿湿度控制夏热冬冷地区民用建筑TheAnalysisonAirDehumidificationofResidentiaIBu¨dinginHotSummerandCoIdWinterZone玩‰叩嘲1口,zd砌尉以,zgz砌D2(1D印amnemofArchitectureEnginee血g,ChongqingCollegeofScienceandTecllnology;2Sch0016furbancons仃uction&EnVirollIllentEngineering,ChongqingUniVersi动Abs缸眦t:mthisp印er,theprinciples,characteristicsandsuitabil时ofseVeraldi脏rentairdeh啪idi6,ingwayssuchas行ozendehumidification,heatpumpdehumidification,passiVedehlImidification,chemicaladsorbentdetmmidificationanddehumidif’yingvemilatorsandsoonarediscussed.Accordingtotheremarkablehumidit)rillhotsummerandc01dwinterzone,itisnecessaryt0con仃oltemperatureandh啪idi哆s印amtely.Therequirememofhumidi够con廿oli11desi印ingairprocessingunitwhichcan’tconsidersensibleheatisin仃oduced.TheiInportantmemodsofsepamte舭shairdehumidificationsystemandindoorhumidi够con仃olseparatelyarepresented.hlordertoimproVetheilldoorenviro姗entalqualit),,thedevelopingtendencyofVentilationairdeh啪idi助ngandi11doorairhumidi够con仃olisputf-onvard.KeⅣords:airde№nidi研ng,№nidi够con们1,hots1埘merandc01dwinterzone,residentialbuildings0引言湿度高不仅影响到室内人员的热舒适感,而且影响到室内卫生条件,对人体健康和室内设备、设施的使用寿在我国夏热冬冷地区,由于其特有的地理位置而命带来不利影响。该地区要达到室内环境的热舒适、形成的气候特征,夏季气温高,气温高于35℃的天数健康和卫生要求,就需要采取多种通风、空调方式解决有15~25天,最热天气温可达4l℃以上,年平均相对高温高湿带来的热环境质量和室内空气质量问题。在湿度在70%~80%左右,有时高达95%~100%。全年全年空调系统设计中,新风能耗在空调总能耗中占较湿度大、除湿期长,是该地区气候的一个显著特征[M。大比例。以重庆为例,节能住宅的各项能耗中,夏季新收稿日期:2005.8.10作者简介:余晓平(1973~),女,工学硕士,讲师;重庆市渝中区大坪石油路l号重庆科技学院建筑工程系(400042);023.60837724;E—mail:xiaogupl@163.com万 方数据建筑热能通风空调风冷负荷占总冷负荷的29.61%,夏季新风用电量占夏季总用电量的44.54%,在全年采暖空调除湿用电量中新风占40.24%刚。为降低通风空调除湿的能耗,在节能建筑设计中,应合理选择通风、降温除湿方式。本文旨在通过比较空气除湿技术的几种常见方式,探索夏热冬冷地区民用建筑新风除湿与湿度控制的有效途径。1不同空气除湿方式及其特点1.1升温除湿和通风除湿对室内空气加热升温,空气的相对湿度随着空气温度升高而降低,含湿量不变。若室内不断产生湿量,用升温方法仍然不能减低相对湿度,再加上单纯加热而不通风会使室内空气清新度下降,所以,单一的升温既不能真正除湿,又不能通风换气,空气质量差,此法一般不宜单独采用。室外空气的含湿量在不同季节和同一天的不同时刻也是不同的,综合分析当地气候资源特点,部分地区条件允许时可用通风方法将室外相对湿度较低的空气送入室内,将室内相对湿度较高的空气置换出去,即通风除湿。1.2蒸气压缩式除湿机/冷冻除湿机蒸气压缩式除湿机又称冷冻除湿机,利用制冷系统提供的冷媒使湿空气温度降到其露点温度以下,空气中水汽产生凝结,达到减少空气含湿量的目的。常规空调机去湿适用于既需要降温又需要去湿的场合,而专用除湿机则适用于需要除湿但对温度无特殊要求的地方,调温除湿机则适用于对温湿度都有要求的场合。冷暖除湿型家用空调器,一机三用,其结构就是热泵空调器加上除湿功能,可以省去除湿机和取暖器,节省占用空间,无论在经济上还是节能上都有优势,是目前称为全能型的空调器。空调器具有除湿功能,对夏热冬冷地区住宅建筑的适应性很强,可以解决阴雨季节或梅雨季节室内潮湿的苦恼,而且其空调器结构与单冷型基本相同,分散布置、安装灵活,容易为用户所接受,是局部空调系统的优先选择。1.3利用固体和液体吸湿剂的干燥去湿装置固体吸湿剂分两类,吸附式除湿剂和吸收式除湿剂,吸附式除湿剂处理湿空气时,不改变自身的物理或化学结构,如硅胶、活性铝、铝胶或分子筛;吸收式吸湿剂在吸湿过程中会改变自身的物理或化学结构,如氯化钙或氯化锂等盐类。液体吸湿剂为浓缩的盐溶液,如三甘醇、氯化锂、溴化锂、氯化钙等水溶液,并具有与使用要求相适应的蒸汽压力特性。通过调节液体万 方数据吸湿剂的温度和浓度,可以实现多种空气处理过程,将空气处理到所需的状态,可避免冷冻去湿过程中先将空气冷却到机器露点而后再加热的冷热抵消现象。液体吸湿剂处理空气时还具有消除空气中气态污染物(如大量的挥发性有机化合物,即vOCs)和微生物的作用,有助于改善室内空气质量。采用固体或液体吸湿剂的空调系统,必须要有相应的吸湿剂再生设备,所以系统复杂,设备占地面积大,维护要求较高,目前主要用于对湿度要求较高的生产过程或大、中型的商业建筑,以及有特殊用途的房问。1.4被动除湿利用多孔建筑装饰材料的吸湿和蓄湿特性吸收室内空气中多余的水汽,起到调节室内空气湿度的作用,称为被动除湿。与传热过程类似,外围护结构的湿传递也包括三个阶段:高湿空气侧的吸湿、建筑材料内湿迁移(湿渗透)和低湿空气侧的释湿过程。若把传热理解为热的浓度(焓)扩散,则湿(质)迁移可理解为湿的浓度扩散。被动除湿可采用的建筑装饰材料如石膏板,其中以纸面石膏板为代表。纸面石膏板是以建筑石膏为主要原料掺人适量的添加剂如填充料、发泡剂、缓凝剂等以及纤维做成板芯,以特殊的板纸为护面而制成。一般未经处理的纸面石膏l~2小时的吸水率大于30%,72小时为40%左右。根据清华大学金招芬等理论计算结果,在上海地区若采用调湿板,室内相对湿度除十个工作日的小时数(约230小时)超过80%以外,全年工作日内室内相对湿度可保持在35%~80%内范围。1.5干式除湿干式除湿机的原理是湿空气通过含吸湿剂的纤维纸的蜂窝状体(如转轮除湿机),在水蒸汽分压力差的作用下,水分被吸湿剂吸收或吸附。转轮除湿机的发展较快,其除湿能力较强,其除湿效果比冷冻除湿好,主要应用于潮湿气候环境下湿负荷较大且有低湿要求的房间。与冷冻除湿相比,被处理空气不必冷却至露点温度以下,避免了制冷剂蒸发温度过低影响冷效率,又可避免凝结水排放不当造成的渗漏问题,同时也无cFcs的限制问题。2夏热冬冷地区民用建筑空气湿度控制方式选择2.1地区气候特点要求空气处理设备实现温湿度独立控制如图1所示,成都市六月室外空气日平均温度低第25卷第2期余晓平等:夏热冬冷地区民用建筑除湿方式的适用性分析.67.于26℃,最高温度不超过30℃,而室外空气日平均相对湿度大于80%,在这种情况下,建筑若采用单一由温度控制的空调设备,使设备运行时间很短或不运行,潮湿的室外空气进入室内导致室内空气湿度超过热环境质量标准的限值。所以,依靠单一的空调控制方式和目前单纯依靠冷冻方式去湿的空调器将很难满足整个季节室内温湿度控制标准,尤其是湿度标准。j啦J/Ljn,‘1”气,ro’.总^一.,I歹’’71一Yt■、,V弋r、,10iV弋j一一・--相埘湿度}:球温度I./—、、山/4\I,一一\/\l/\——/——\图l成都市六月室外空气相对湿度和温度的变化2.2空调系统提供的冷量的显热比应与空调房间的需冷量的显热比应相适应冷却去湿过程既要除去显热负荷,又要除去潜热负荷,除去潜热实际上是除去空气中的水蒸汽。如图2所示,根据空气处理过程显热比(SensibleHeatRatio,以下简称肼擒)定义,空气冷却除湿过程线越陡峭,处理过程提供冷量的显热比越大,设备去湿能力就越小,空气处理过程的除湿效率就越低;反之亦然,过程线越平缓,设备显热比越小,其去湿能力和去湿效率越高。图2冷冻去湿过程的显热比分析一囊2尝“鲁一在HVAc瓜系统设计和设备选型时,应使系统和㈩墓嚣鬻器篙关基誓笔冀鬈嚣鬟翥万 方数据设备提供的冷量的显热比与空调房问的需冷量的显热比相适应,才能保证系统和设备的高效节能运行,同时满足空调房间的热湿要求。同样,对于新风处理设备,其能提供的冷量的显热比也应与新风冷负荷显热比相匹配,才能同时满足新风降温和除湿处理要求。常规空调设备为提高其除湿能力,通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增加冷却器表面的换热面积。这三种措施虽然在一定范围内能提高空气处理设备除湿能力,但同时都受到其它因素的限制,如空调设备蒸发温度降低,会导致设备的能效比减低,设备能耗增加,经济效益下降。因而,要减少除湿过程的冷耗量,一方面应尽量在显热负荷最小时消除潜热负荷即湿负荷;另一方面空调设备用做单独除湿工况时应对其除湿效率和设备能效比进行综合分析,在湿负荷较大或环境湿度要求较低的场合宜考虑选用除湿机或具有独立除湿功能的设备处理空气。2.3独立新风系统的多工况运行从图2可知,露点空气状态确定后,除湿过程线的倾斜程度取决于冷却表面进口参数的热湿状态,该过程也是确定空调房间采用新风独立处理还是新风与室内空气混合后再经空调设备处理的关键。两种新风除湿方案如图3所示,区别在于两个处理过程的显热比不同,对设备的去湿能力要求不一样。新风、回风混合后可采用常规的空调系统处理,适合于降温的同时也需要除湿即显热和潜热冷负荷同时存在的区域;而新风单独处理的空调设备应能适应新风状态的多种变化,除降温除湿外,还可在只存在潜热冷负荷时按独立除湿工况运行。绷X烈一塑私愚叭一蛄酉母竺a)新风与回风混合后除湿(b)新风与回风混合前除湿图3两种新风除湿方案示意图比较转轮去湿空调机组的工作原理见图4(a),对应空等焓加湿变化到状态点l,然后经冷却盘管降温去湿建筑热能通风空调2006年(a)(∞(a)工作原理示意图(b)空气状态变化过程图图4转轮去湿空调机组处理空气转轮去湿空调机组处理空气过程的耗冷量Q0为:Qo==G(fl-曲(2)吸湿转轮以每小时数转的缓慢速度运行,消耗电能很小,吸湿材料的再生不需另设再热装置,利用冷凝热或其它废热、余热做再生热源,其能耗可忽略不计。由质量平衡分析空气处理过程中的含湿量变化,同量的空气经过去湿转轮的去湿端和再生端,其等焓加湿量与等焓去湿量相同,去湿空调机组的实际除湿量为:W,-Gq广反)=瓯(露喃,)(3)在空调机中增加去湿转轮,即目前研究较多的去湿空调系统,其特点表现在两个方面:①预处理空气,使其显热冷负荷降低,潜热冷负荷增加;②使进入冷却盘管的空气潮湿程度增加,增大了盘管的去湿能力,并使其机器露点提高,相应地制冷系统效率提高。此外,去湿空调机组有效结合了冷冻去湿和吸收或吸附去湿两种空气除湿原理,其降温除湿功能齐全,能灵活适应空调工况,使整个空气处理过程既有利于提高制冷系统的制冷效率,又有效避免了采用固体或液体除湿剂需要单独配置除湿材料的再生系统的弊端,因而去湿空调机组可实现合理用能,设备容易实现小型化,能适应各类民用建筑的需求特点。国外对去湿空调机组已作了大量研究M,并通过模型实验建立了机组能效比E职与空调负荷显热比sE限之间的影响关系,结果表明去湿空调系统在低显热比时的能效比高于其他类型如热管回热空调、变速送风空调等的能效比。2.4湿度控制对空气处理设备设计选型的要求无论中央空调系统的末端空气处理机还是局部万 方数据用空调器,设计选型时应重视被处理空气进风的热湿状态,及所需冷量的热湿构成比例即显热比,才能保证设备在非设计工况或非额定工况运行时能达到较高的有效能源利用效率。目前,一般中央空调系统的末端空气处理设备性能参数都标明进风状态,国外的产品还对冷量加以区分潜热和显热,有助于设计选型者可根据具体工程所在地气候条件进行计算选型。而对家用和商用空调机,其设计选型的重要性却常被忽视。所以,设备厂家有必要在其产品性能参数中多例举几种进出风工况时设备能提供的冷热量,或通过实验作出设备冷量、除湿量与热量与进出风参数的相关曲线,有利于用户设计选型时参考。根据笔者对潮湿气候地区的住宅湿度控制的研究[2】,室内潜热负荷主要来自于通过围护结构门窗缝隙渗入的潮湿空气所含有的湿量,为此,室内湿度控制还应尽量减少渗入空气量。当采用独立新风处理设备控制室内空气湿度,即:对新风预处理至露点温度再送入室内,承当室内所有的潜热负荷,而房间空调末端设备干工况运行(船识为1.0)。新风机预处理的新风量应大于通过门窗缝隙渗出的新风量,使居室内保持正压,从而达到室内湿度控制的目的。3夏热冬冷地区民用建筑除湿方式的适用性评价①通风除湿所用的通风量较大,此方法简单易行、运行和投资费用低。对于夏热冬冷气候潮湿地区的建筑,其室内空气湿度过高常常是由于室外空气湿度高且持续时间长所致,故采用直接通风方式不但不能降低室内空气湿度,反而容易引起室内含湿量过高导致相对室内超过规定的标准,所以通风除湿受室外气象条件限制,在气候潮湿地区不宜采用。②冷却去湿和化学去湿除湿效果很好,并且随着控制技术的发展,室内空气湿度和其精度都能达到较高水平,能够满足室内环境质量要求。但对民用建筑尤其是住宅而言,冷却去湿和化学去湿的吸湿剂再生产耗能较高,设备装置较为繁复,初投资和运行费用高,影响了其在住宅建筑中的应用。③被动除湿,在吸湿材料性能好,且全年室外相对湿度变化较大且能解决再生问题时,在一定自然通风条件下,可使室内相对湿度维持在一定范围内。但在自然通风时,仅靠吸湿材料来调湿,而不辅助以其它手段,或材料得不到再生,则被动除湿的能力是有限的。在夏热冬冷地区,由于其潮湿气候环境和民用建筑本第25卷第2期余晓平等:夏热冬冷地区民用建筑除湿方式的适用性分析・69・身的运行特点,决定了被动除湿单独使用的效果是有③通过改进除湿转轮和热湿交换器的结构型式提高其除湿能力和系统性能系数;限的,在高湿季节必须依靠机械方式除湿来保证室内热湿环境质量。但被动除湿为该地区实现气候资源的中短期调配提供了思路,应当受到重视。④除湿转轮与常规空调系统相结合组成的除湿空调系统,在改善室内空气品质、节约能源方面具有显著优点。这种方法能连续除湿,单位除湿量大,可以④开发新型高效低温再生的除湿材料,提高系统除湿性能和降低再生热耗;⑤针对地区的气候条件,开发适合于建筑气候特征的除湿空调原型机组,以充分利用地区气候资源,实现系统能源的综合有效利用;自动工作,但设备较复杂,且需加热再生,加热热源可利用工业余热或废热,以及空调冷凝器的凝结热等,适合于要求低温低湿且有免费再生热源的场合。对夏热冬冷地区民用建筑而言,夏季新风独立除湿运行时间长,要求除湿与空调相结合,若能采用一套设备实⑥开发适合于除湿空调系统运行特征的负荷计算和能耗分析应用软件,进一步探索除湿空调系统科学的运行控制模式。新风机组采用露点温度控制或含湿量控制,这不同于房间空调器的恒温控制或焓值控制,新风机组提供冷量的显热比应小于房间空调器的显热比,才能满足新风除湿的需要。此外,空调除湿多工况运行与温湿度同时控制的复合式空气处理系统将成为暖通空现空调、除湿和采暖的多工况运行,若能回收空调冷凝热等免费热源,这种干式除湿空调系统适合作为一种新风集中处理方式,能灵活适应湿度控制要求,有利于提高空气处理系统能源综合利用效率。国外除湿空调系统在气候潮湿地区的商用建筑及工艺生产对湿度有严格要求的工业建筑中应用较多,且形式多样,目前国内民用建筑仍主要依靠空调冷冻除湿,但从发展的眼光看,随着商用除湿空调系统的性能进一调设计和设备开发的发展趋势,以适应空调负荷与空调设备从过去的静态设计、静态控制向动态设计、动态控制的发展要求,这一趋势在夏热冬冷地区的实践具有重要的现实意义。步提高,初投资降低和设备向小型化发展,将为该除湿方式的推广创造条件。参考文献[1]【2】夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JG儿34—2001)【s】余晓平.夏热冬冷地区住宅新风能耗分析和降温除湿方式的研究[D]:[硕士学位论文].重庆:重庆大学,20004结论空气除湿技术的发展离不开空调制冷行业的整体[3]余晓平,付祥钊.室内设计温度对夏热冬冷地区新风冷热耗量的影响【J].暖通空调,2003,33(2):40.43【4】余晓平,付祥钊.室内相对湿度对夏热冬冷地区新风耗冷量的影响[J】.建筑热能通风空调,200l,3l(2):4—8发展水平,国内外对除湿与空调相结合的复合式空调系统的研究领域广阔,涉及到不同学科的共同发展,从过去几十年空气除湿技术的发展过程看,要研究和开发适应夏热冬冷地区民用建筑除湿和室内空气湿度控制的最优方式,今后将在以下几个方面开展工作:①探索新的除湿空调循环系统模式;[6][5】GeorgcJ.Berbari.SavingEnergyusingRunaroundRecoveryCoils:FreshA证TreatmentIn}ktandASHRAEH邶血dClimates【J1.Jo啪al,1998,(10):64—70Tmsactions,1996,102:613—617ofHeatPipeDeh砌idificationaonReinh01d尉tder.MechanicalDehumidific撕onCon仃01s打ate舀esandPsychrome岍cs[J].AsHRAE[7】JohnK.McFarlaIld,eta1.EfrectofaCon订011edAir】32—139②进一步研究不同输入参数对除湿循环效果的影响关系;Space[J】.AS}玎认EThnsactions,1996,102:-—■一-+-—・_卜-—●一一—-+_-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+一+-+・HVACsystemdesign37:461-470、tools[J】,BuildingandEnvironrnent,2002,[5]尚少文,李慧星,郭海丰,等.暖通空调冷热源设计方案的价值分析[J].沈阻建筑工程学院学报,2003,19(3):209.21l[2]罗清海,汤广发,龚光彩,黄文胜.热管技术在通风空调节能中的应用[J】煤气与热力,2005,25(2):72—75.【6】路义萍,刘兴家,吕薇,等.价值工程在燃油锅炉方案论证中的应用[J】.哈尔滨电工学院学报,1996,19(1):73—78[3]赵加宁,罗志文,暖通空调设计方案综合评价决策进展与展望[J】.洁净与空调技术,2005,(3):20.25[7]严应政,高振生,邓沪秋,等.价值工程在空调冷热源和风管方案选择中的应用[J】.暖通空调,2004,(2):73—75【4】裴一扬,赵加宁.多目标决策法在冷水机组优选中的应用[J]哈尔滨建筑大学学报,2001,34(2):75—79[8】李艳菊,刘俊杰,朱能.价值工程法锅炉房设计方案的评价【J】.煤气与热力,2005,25(1):58—60万方数据