不同热力方案的内燃机余热驱动转轮除湿复合空调系统.pdf

流 体 机 械第 51 卷第 7 期2023 年 7 月 91 收稿日期：2022-06-15 修稿日期：2023-04-06基金项目：国家自然科学基金项目（52178085）；同济大学-湖州技术转移中心产学研合作项目（kh0100020210857）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.013不同热力方案的内燃机余热驱动转轮除湿复合空调系统张雪梅1，杨甜甜1，李治昂1，周新宏2（1.同济大学 机械与能源工程学院，上海 201800；2.浙江复筑乡村资源开发有限公司，浙江湖州 313300）摘 要：为了提高新风机组的除湿能力与供能系统的能源利用效率，提出了CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统和CCHP 两级转轮除湿复合空调系统。以上海市某酒店建筑为研究对象，应用DesignBuilder 软件计算了建筑的各项负荷，基于Dymola仿真平台建立了转轮除湿新风机组模型与供能系统模型，并进行了动态仿真。结果表明：与常规空调系统相比，两种转轮除湿复合空调系统均更具节能潜力与环保效益，且两级系统的节能性更优，单级系统的除湿能力与运行稳定性更好；CCHP 单级系统和CCHP 两级系统的全年化石能源消耗总量分别下降 61.1%，77.85%，年CO2排放量分别减少了 30.08%，29.62%。关键词：冷热电联产；转轮除湿；复合空调系统；Dymola；动态仿真中图分类号：TB65 文献标志码：A Internal combustion engine waste heat drive desiccant wheel hybrid air conditioning system with different thermodynamic schemesZHANGXuemei1，YANGTiantian1，LIZhiang1，ZHOUXinhong2（1.SchoolofMechanicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai 201800，China；2.ZhejiangFUTURERuralResourcesDevelopmentCo.，Ltd.，Huzhou 313300，China）Abstract：Inordertoimprovethedehumidificationcapacityofthefreshairhandlingunitandtheefficiencyofenergyutilizationoftheenergysupplysystem，theCCHPpre-coolingdehumidificationsingle-stagedesiccantwheelhybridairconditioningsystemandCCHPtwo-stagedesiccantwheelhybridairconditioningsystemwereproposed.TakingahotelinShanghaiastheresearchobject，theDesignBuildersoftwarewasusedtocalculatetheloadsofthebuilding.Dymola，akindofsimulationplatform，wasusedtoestablishthedesiccantwheelfreshairhandlingunitmodelandenergysupplysystemmodel，andthedynamicsimulationwascarriedout.Theresultsindicatethatthetwodesiccantwheelhybridairconditioningsystemshavemoreenergysavingpotentialandenvironmentalprotectionbenefitscomparedwiththeconventionalairconditioningsystem.Andthetwo-stagesystemhasbetterenergysavingperformance，butitdehumidificationabilityandoperationstabilityareinferiortothesingle-stagesystem.TheannualfossilenergyconsumptionofCCHPsingle-stagesystemandCCHPtwo-stagesystemdecreaseby61.1%and77.85%，respectively，andannualcarbondioxideemissionsofthemdecreaseby30.08%and29.62%，respectively.Key words：CCHP；desiccantwheel；hybridairconditioningsystem；Dymola；dynamicsimulation0 引言冷热电联产（combinedcooling，heatingandpower，CCHP）系统是天然气高效利用的关键技术之一，热湿独立控制的转轮除湿空调系统能有效提升室内空气品质，将两者相结合的CCHP 转轮除湿复合空调系统在燃烧天然气发电时可回收发动机余热用于除湿设备的再生，有利于提升能源利用率和室内空气品质、降低环境污染、平衡电力和天然气的供给（夏季为电峰气谷，而冬季为用气高峰期）1，弥补热湿联合处理冷凝除湿空调系统能耗高、难以满足动态热湿比需求、潮湿面92FLUID MACHINERYVol.51，No.7，2023易滋生霉菌等缺陷2。与采用电动压缩式空调的传统分供系统相比，内燃机驱动的CHP、CCHP转轮除湿复合空调系统均更具节能、环保和经济效益3-4。据文献研究3-10，预冷型单级转轮除湿复合空调系统在大多数高温高湿条件下都无法将新风处理至所需状态（特指前人研究将预冷温度设为 27的情况），故本文提出CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统和CCHP 两级转轮除湿复合空调系统，以提高新风机组的除湿能力和供能系统的能源利用效率。并以上海市某酒店建筑为研究对象，采用建筑能耗模拟软件DesignBuilder 计算建筑的各项负荷，基于Dymola仿真平台建立转轮除湿新风机组模型与供能系统模型，进行动态仿真，并对比分析两种复合空调系统与常规空调系统的能耗、在高温高湿条件下的除湿能力以及供能系统的节能减排效益。1 工作原理1.1 CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调 系统本系统采用“以热定电”运行模式，系统流程如图 1 所示。图 1 CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统流程Fig.1 ProcessofCCHPpre-coolingdehumidificationsingle-stagedesiccantwheelhybridairconditioningsystem供冷季内燃机发电机组缸套水余热全部用于除湿转轮再生热和生活热水加热；烟气余热部分用于补充再生热和生活用水，剩余部分用于驱动双效溴化锂吸收式制冷机组。系统所需冷量由烟气型溴冷机（优先）和电制冷机共同供应。内燃机发电量优先满足用户本身电负荷，剩余电力销售给电网，差额部分则从电网购买。供暖季内燃机烟气、缸套水余热均用于建筑采暖和生活热水。过渡季空调系统关闭，内燃机烟气、缸套水余热均用于生活热水加热。本系统为热湿独立控制的转轮除湿复合空调系统，空气处理热力过程如图2 所示。供冷季加热器 1 关闭，室内湿负荷由新风机组（除湿转轮）承担，显热负荷由风机盘管承担（N 0）。新风处理侧：室外空气经预冷器冷凝除湿后经除湿转轮等焓降湿；再经转轮式显热交换器与再生侧空气进行显热交换，回收排风冷量；最后经表冷器等湿降温，将新风处理至所需状态送入室内。再生空气侧：室内排风经转轮式显热交换器回收处理侧空气显热，再由加热器 2 加热至再生温度对除湿转轮进行实时再生，并将吸湿后的热湿空气排至室外。图 2 CCHP 预冷除湿型单级转轮除湿复合空调系统热力过程Fig.2 ThermodynamicprocessofCCHPpre-coolingdehumidificationsingle-stagedesiccantwheelhybridairconditioningsystem供暖季新风机组仅开启转轮式显热交换器和加热器 1。处理空气侧：室外空气经转轮式显热交换器回收排风余热，再由加热器等湿加热至所需温度送入室内。再生空气侧室内排风通过转轮式显热交换器释放余热后直接排至室外。室内热负荷由风机盘管承担（N 0）。93张雪梅，等：不同热力方案的内燃机余热驱动转轮除湿复合空调系统1.2 CCHP 两级转轮除湿复合空调系统本系统流程如图 3 所示，系统运行模式和供能方式与单级系统相同。供暖季新风机组仅开启转轮式显热交换器 1 和加热器 1，空气处理热力过程与单级系统相同。过渡季亦与单级系统相同。供冷季加热器 1 关闭，空气处理热力过程如图 4 所示。处理空气侧：室外空气经除湿转轮 1等焓降湿后经转轮式显热交换器 1 与部分再生侧空气进行显热交换；再经除湿转轮 2 二次除湿，并经转轮式显热交换器 2 与另一部分再生侧空气进行显热交换；最后经表冷器等湿降温至所需状态送入室内。再生空气侧：室内排风先与室外空气混合（N+1 N），混合后的再生空气分为两路（N 7 8 9 和N 10 11 12），分别导入转轮式显热交换器 2 和转轮式显热交换器 1与处理空气进行显热交换，再分别经加热器 2 和加热器 3 加热至再生温度，对除湿转轮 2 和除湿转轮 1 进行实时再生。图 3 CCHP 两级转轮除湿复合空调系统流程Fig.3 ProcessofCCHPtwo-stagedesiccantwheelhybridairconditioningsystem图 4 供冷季CCHP 两级转轮除湿复合空调系统热力过程Fig.4 ThermodynamicprocessofCCHPtwo-stagedesiccantwheelhybridairconditioningsystemincoolingseason2 案例分析2.1 建筑负荷计算本文以上海市某酒店建筑为研究对象，采用建筑能耗模拟软件DesignBuilder 计算建筑的各项负荷。该酒店 15 层为裙楼，层高 4.5m，主要功能为酒店大堂、餐饮、宴会厅等；621 层为塔楼，层高 4.2m，主要功能为客房；建筑总面积为47034.4m2。根据相关要求进行空调分区11，并结合相关标准设定各分区室内设计参数。通过模拟计算可得建筑全年逐时电负荷、生活热水负荷，供冷季逐时冷负荷（显热负荷+湿负荷）及供暖季逐时热负荷等。“风机盘管+新风机组”常规空调系统负荷模拟结果如图 5 所示，室内显热负荷由风机盘管承担，湿负荷由新风机组承担，由图可见新风负荷占比较大。转轮除湿复合空调系统由风机盘管承担的负荷与常规空调系统相同，但新风处理侧热力过程不同，故需对转轮除湿新风机组能耗作详尽探讨。（a）供冷季 （b）供暖季图5 常规空调系统供冷季与供暖季逐时负荷Fig.5 Hourlyloadofconventionalair-conditioningsystemincoolingseasonandheatingseason94FLUID MACHINERYVol.51，No.7，20232.2 新风机组动态仿真在文献4中，本课题组基于Dymola 对转轮除湿系统与内燃机CHP 系统进行了建模，并以某医院内燃机CHP 系统的实际运行数据对系统的仿真结果进行了验证，其中逐月发电量最大误差及全年误差仅为 3.85%，0.20%，逐月天然气耗量最大误差及全年误差仅为 6.94%，0.76%。本文采用课题组Dymola 模型库中适用于本系统的内燃机、溴化锂吸收式制冷机、电制冷机等成熟模型，并基于效率法应用不规则网格的二维线性插值法对除湿转轮进行建模7，12-13（RUIVO