基于溶液除湿地源热泵毛细管顶板空调系统

基于溶液除湿的地源热泵毛细管顶板空调系统

摘要：分析传统空调系统存在的无法克服的缺点和弊端，提出新型基于溶液除湿的地源热泵毛细管顶板复合空调系统，并分析其具有的节能、环保、高舒适性优点，指出其必将拥有广阔的应用前景。

随着我国经济社会的飞速发展及对居住环境舒适性、健康性要求的不断提高，各种室内热湿环境控制措施得到了广泛应用，这对改善生活质量和提高劳动生产率有着重要的作用，但随之而来的却是：能源紧张问题日益加剧，空调广泛使用的CFCs和HCFCs对大气臭氧层造成破坏，室内空气粉尘、潮湿表面带来霉菌和危害气体等引发空调综合征。如何解决上述问题，成为暖通空调业界业内人士追求的目标。

最近兴起的低温地板辐射供暖，由于其节能、舒适、卫生、易于分户计量、不占使用面积等优点而得到很快的发展，但也存在不可维修性、房间层高减少、室内家具设置影响散热以及快速加热能力不足等一系列问题。因此除了优化建筑外围结构、加强保温和隔热外，开发研究高舒适度、节能、卫生健康、低成本的室内环境调节系统是非常必要的。基于溶液除湿的地源热泵毛细管顶板辐射空调系统则有望成为解决上述问题的方案之一。

传统空调系统的缺点和弊端：

目前，常用空调形式包括全空气系统和空气-水系统(风机盘管加新风系统)。全空气系统是室内的热湿负荷都以空气为传输介质；而空气-水系统则同时利用空气和水作为承担室内热湿负荷的介质，风机盘管设在空调房间内处理空气，其所需的冷媒水和热媒水是集中供

应的。传统空调系统的空气处理方式是利用空气冷却器进行冷凝除湿(采用7℃的冷冻水)。这种温湿度耦合处理的方式使得原本可用高温冷源(15～ 18℃)即可排走的显热热量也与除湿一起共用7℃低温冷源，从而造成能量利用品位上的极大浪费。冷凝除湿后的空气温度低于室内送风的要求，需要再热，造成能源的进一步浪费和损失。冷凝水的存在，使得盘管的表面滋生各种霉菌，恶化室内空气品质，引起病态建筑综合征。另外，通过冷凝方式对空气进行冷却和除湿，其吸收的显热与潜热比只能在一定的范围内变化(而建筑物实际需要的显热潜热比却在较大的范围内变化)，不能满足建筑物室内环境的实际需求 ]。由于采用空气作为输送介质，为了满足送风温度的要求，要有较大的循环通风量，这难免产生吹风感并产生噪声。在室内布置风道还会降低室内净高或加大楼层间距。在冬季，为了避免有吹风感，即使安装了空调系统，也往往不使用空调送热风，而通过采暖散热器供热，这就要在室内重复安装2套环境控制系统，分别供冬夏使用。风机安装于空气通风的管道中，其温升进一步增加了空调系统的能耗。传统空调系统出于节能的考虑往往限制新风量的使用，大量使用回风，使得室内污染物在系统中传播和扩散，室内空气品质恶化。空调系统过滤器也是重要的污染源，仅是清洗过滤器就受到各方面的制约，而且这也不能从根本上解决问题。大量使用空调带来的用电高峰使电力负荷带有很大的波动性。冰蓄冷系统可以用来“削峰填谷”进行蓄能，但其制冰温度远低于空调温度，使总能源利用率降低。

综上所述，现有空调系统存在的环境、能耗、舒适性问题，对暖

通空调业界提出了新的挑战，基于溶液除湿的地源热泵毛细管顶板复合系统则在上述问题的解决上提供了有益的探索方向。

该系统根据溶液除湿的温湿度独立处理原理对室内热湿环境进行控制，即向室内送入经溶液除湿新风机处理后的干燥空气来控制湿度和满足新风需求；而采用另外独立的毛细管顶板空调系统来排除显热(控制温度)，全面调节室内热湿环境。地源热泵作为系统的冷／热源，利用地板置换通风的方式送入新风，吸收室内余热余湿的排风与新风进行全热回收。含有水蒸气的空气与溶液直接接触时，空气中水蒸气的分压与溶液表面的饱和蒸汽压之差成为水分由空气向除湿溶液传递的推动力。随着溶质浓度的增加，溶液(溶剂为水)表面的水蒸气分压力逐渐降低。当常温下高浓度盐溶液的水蒸气分压力低于空气中的水蒸气分压力时，就吸附空气中的水分，使自身浓度降低。早期使用的除湿溶液为三甘醇、乙二醇、甘三醇，目前多用溴化锂、氯化锂等金属卤盐溶液。吸湿后的稀溶液经太阳能或地热、工业余热等低品位能源加热升温，送入再生器。由于除湿溶液表面的水蒸气分压高于空气的水蒸气分压，这时水蒸气开始由液相向气相传递，这样就实现了除湿溶液的再生。再生后的浓溶液被送到除湿器进行除湿，这就形成了除湿和再生的连续循环过程 ]。

毛细管顶板辐射采暖空调系统于20世纪末起源于欧洲发达国家，是顶棚辐射供冷的第三代(第一代是混凝土楼板埋管式，第二代是金属吊顶辐射式)。它用塑料制成小直径(外径2～5 mm)、小间距(8～10 mm)的密布细管，顶端连接分水或集水联箱。毛细管网模拟植物叶脉

和人体皮肤下的毛细血管机制：通过毛细管内流动的液体来调节自身温度，从而达到与周围环境的平衡。毛细管顶板辐射空调系统一般由热交换器、带循环泵的分配站、温控调节系统、毛细管网以及配套除湿系统等组成。夏季毛细管供给18～20℃的冷水，冬季毛细管供给28～32℃的热水。地源热泵 (ground source heat pump)是以地源能(土壤、地下水、地表水、低温地热水和尾水)作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源，来提供采暖、制冷和生活用水的一种系统。典型的地源热泵通过埋地热交换器从土壤中吸热或向土壤放热，夏季空调时，室内的余热经过热泵转移，通过地埋换热器释放到土壤中，同时为冬季蓄存热量；冬季供暖时，通过地埋换热器从土壤中吸热，经热泵将热量供给用户，同时在土壤中蓄存冷量，以备夏季空调用。地源热泵主要包括室外管网系统、热泵工质循环系统及室内空调管网系统3套系统。土壤源换热器的冷水出水温度与使用地的年平均温度密切相关。研究表明，在地下10 m 以下的土壤温度基本上不随外界环境及季节变化而变化，且约等于当年年平均气温。我国黄河以北地区地下水(30～50 m 以下)温度在夏季基本不超过15℃，通过换热器即可获得18℃冷水。所以，我国有些地区可以在夏季采用土壤源换热器直接输送冷量，无需开启制冷机(或热泵)。

优点：

与目前普遍使用的风机盘管加新风方式或全空气方式相比，基于溶液除湿的地源热泵毛细管顶板复合空调系统在利用低品位能源、“削峰填谷”的高蓄能性、提高室内舒适性、节约能源、环境友好性