地下建筑专用全新风无级调载除湿机研制一

国防工程中有许多大型地下建筑因涉及有害材料的存放而不允许使用回风,只能采用全新风通风方式。地下建筑洞库内的环境特点是低温高湿,由于夏季洞库内外空气的焓差很大,普通除湿机没有足够的制冷量把新风露点温度控制得足够低,难以保证新风进入地下建筑洞库后不结露,从而给通风除湿系统的设计和运行带来诸多问题,所以研制专用于地下建筑的全新风除湿机是十分必要的。

1、普通除湿机的不适用性

1.1 普通除湿机的适用场合
常用的普通CT型调温除湿机带有风冷和水冷两个串联的冷凝器。该机除了可用于降低所服务区域空气湿度外,还可利用风冷和水冷冷凝器换热量比例的变化兼控出风温度。可以直接放在室内使用,也可以安装在通风系统中用于处理回风和少量的新风。它的运行特点是必须通过回风使室内空气反复循环经过除湿机才能逐渐消除室内余湿。可以说普通除湿机用于地下建筑时主要是用来克服洞库的内部湿负荷的,它的适用场合是有限的。
1.2 地下洞库的环境特点
夏季地下洞库受岩石温度较低的影响,室内的壁面温度也较低,由于地下水的渗透作用,室内壁面有持续散湿现象,空气相对湿度高。夏季室外新风含湿量大,露点温度很高,如果除湿机不能把新风露点温度控制得足够低,新风进入地下洞库室内就会结露,使环境条件恶化,造成各种设备因受潮而损坏。为了防止出现这种情况,应当采取减少新风比例,多用回风的办法。但国防工程的地下建筑中有大量的存有特殊材料的洞库因涉及到有害物质和有害气体的散发问题,不能采用回风方式,通风系统只能设计成全新风的方式。这就给除湿机的使用提出了特殊的要求。
1.3 地下洞库中全新风系统送风状态的确定
我国华东、华中及华南大部分地区夏季空调室外计算温度都很高。郑州tg=35.6℃,ts=27.4℃;长沙tg=35.8℃,ts=27.7℃;福州tg=35.2℃,ts=28℃。在这些地区的地下建筑通风系统设计中,根据工艺需要的温湿度条件及洞库壁温和洞库内空气的热湿比,一般规定全新风系统的送风状态为tg=20℃,φ=60%。露点温度约为12.7℃。平时洞库内没有工艺余热时,可将送风状态点沿等d线上移,把送风温度提高到30℃左右,以克服洞库壁传热负荷。送风露点温度可以随洞库壁温和室温升高而改变,但不得高于壁温,只有控制住露点温度,才能保证新风进入洞库与洞库壁面接触后不会结露,同时新风与洞库壁面散湿混合后仍能保持合适的相对湿度。以上过程用焓湿图表示,可参见图1。在图1中,设夏季室外新风平均状态点为W,twg=35℃、φ=60%,除湿机的机器露点为L,tL=12.7℃,送风状态点为O或O’,tog=20℃,tos=15.1℃;to’g=30℃,to’s=18.5℃,室内状态为N,tNg=22℃,φ=70%。从图1中可查得新风处理到机器露点的焓差△h=54kJ/kg干空气,湿差△d=12.5g/kg干空气。
1.4 普通除湿机的串联用法

普通除湿机的标准进风状态是tg=27℃,ts=21.2℃。其所配压缩机的制冷量只能保证达到在额定风量下产品样本规定的除湿量之需要。如果某全新风系统确定进风量为L=6000m3/h,用图1中查得的数据可以算出该全新风系统所需要的制冷量Q和除湿量W分别为
Q = LρΔh/3600 = 108kW (1)
W = LρΔd/1000 = 90kg/h (2)
式中空气密度ρ=1.2kg/m3。

而额定风量为6000m3/h的普通除湿机名义制冷量只有36kW,除湿量只有25kg/h,只及所需制冷量和除湿量的三分之一(设计中一般不考虑实际空调工况下压缩机的制冷量变化)。为了保证全新风系统的需要,设计中只好采用如图2所示的三台普通调温除湿机串联运行的方式,力图保证夏季新风进入地下建筑洞库后达到规定的露点温度,避免结露现象。
1.5 除湿机串联运行带来的问题
虽然从理论上说除湿机串联运行可以解决处理新风时制冷量不够的问题,但长期的运行实践证明,除湿机串联运行是一种很无奈的设计选择,它会带来许多无法解决的技术和经济问题。
1.5.1 串联工作的除湿机不能在平等的进风状态下工作,处在串联下游的除湿机进风温度很低,蒸发器工作效率低,从而导致整机工作状态差,运行不稳定,常出现因蒸发器结霜而导致故障停机现象。
1.5.2 处在串联上游的除湿机必须以水冷方式工作。只有最后一台机才可以用风冷方式工作,而地下洞库内平时温度是偏低的,是需要热量来降低相对湿度的。但是只能看着大量的冷凝热量被冷却水带入下水道,既流失了大量的能量,又耗费了地下洞库内十分珍贵的水源。
1.5.3 串联运行的除湿机由于工作状态不同,操控困难,操作手对于最终的露点控制效果心中无数,更谈不上随着新风负荷的变化及时调整开启台数,宁可多开,不敢少开,盲目性很大。
1.5.4 串联运行的除湿机占地面积大,送风阻力大,送风机功耗大。为了提高送风温度还要设置较大功率的电加热器。另外设计中还必须考虑较大的冷却水库容及相应的水源设备,电站容量也会因此而增加。辅助工程量方面的代价是很高的。
1.6 小结
综上所述,可以认为普通除湿机不能满足地下建筑通风系统的全新风工作方式的需要。应当开发能满足这种需要的专用型全新风除湿机,这对于提高地下建筑的环境质量,节省工程造价,实现节能运行有着十分重要的意义。

2、全新风除湿机设计中要解决的关键问题

2.1 解决大制冷量和大换热量问题
普通除湿机规格很多,当然也有大制冷量的机型。但是因为换热器传热结构方面的原因,大制冷量的除湿机只能在额定的大风量下工作,全新风除湿机虽需较大的制冷量,但其额定风量只有同样制冷量的普通除湿机的几分之一,所以是不能简单地用普通大规格除湿机来代替的。全新风除湿机采用了大制冷量压缩机后,必须对蒸发器和风冷冷凝器的传热结构重新设计,以保证在额定风量下有理想的换热量。同时还要解决好在负荷大幅度变动情况下怎样保持换热器内制冷剂压力稳定问题。最后还要考虑最大限度地利用好风冷工况下的冷凝热量,使除湿机出风温度上限得到大大扩展,仅在需要调温运行时或冷凝压力较高时才合理地使用一些冷却水,做到既节能又省水。
2.2 解决恒露点送风控制问题
地下建筑洞库内温度较低,且一年四季变化不大。但室外空气温度变化是很大的。全新风除湿机根据夏季新风负荷选择了大制冷量的压缩机,这在过渡季节使用显然是不合算的。既便是在夏季,一天中新风负荷也是逐时变化的,并不是一直处在最高点。为了节能,应当以满足地下洞库内相对湿度为基本条件,使全新风除湿机以恒定的露点温度送风。当室外温度下降,新风负荷减少时,恒露点控制系统能迅速地跟随新风负荷的变化发出指令,使压缩机自动调载减少输入功率,从而减少制冷量,保持出风露点温度不变,实现自动节能运行。
2.3 解决压缩机的自动调载问题
压缩机的自动调载是全新风除湿机最具节能意义的重要特点,实现自动调载的办法有三种,比较如下:
2.3.1 多机头分级调载
如果压缩机总功率为35kW,可以采用5kW、10kW、20kW三台全封闭压缩机组合,实现每级为5kW的七级调载。这种方式的缺点是结构复杂,调节级差大,露点控制精度低。
2.3.2 变频调载
采用变频器可以使压缩机实现无级调载,但由于压缩机不适宜在低转数下工作,所以用变频器调载的范围是很有限的,不能满足全新风除湿机在低负荷下的节能运行需要。而直接采用变频压缩机则受到单机功率较小和品种规格较少的限制,不易实现最佳选配。
2.3.3 小型螺杆式压缩机无级调载
目前螺杆式压缩机最小的型号已有功率为25kW的,完全进入了全新风除湿机适合选用的范围。采用现代技术制造的螺杆式压缩机工艺精良,运行稳定可靠,更可贵的是其具有独特的滑阀调载功能,可很方便地使能量在25%~100%范围内无级调节。虽然价格稍贵,重量也稍大,但其优异的性能和所能带来的节能效益足以弥补这些不利因素。与前两种调载方式比较,螺杆式压缩机完全满足了全新风除湿机的需要,具有最佳性价比,是最好的选择。

3、全新风无级调载除湿机样机设计方案

3.1 样机基本参数
3.1.1 处理新风量6000m3/h;
3.1.2 标准进风状态tg=35℃,ts=28℃ ;
3.1.3 蒸发器后露点温度12.7℃±1℃;(可在12.7℃~20℃范围内根据需要任意设定,进风温度较低时最低可调至8℃)
3.1.4 出风温度13~36℃±1.5℃(压缩机减载时出风温度上限相应降低);
3.1.5 除湿量最大90kg/h;
3.1.6 压缩机功率30kW;
3.1.7 压缩机工质R22;
3.1.8 外形尺寸1900×1500×1800,重量1500kg。
3.2 样机的制冷循环流程设计
样机的制冷循环流程原理如图3所示。
3.3 样机换热器选择1.半封闭双螺杆压缩机2.蒸发器3.风冷冷凝器 4.水冷冷凝器
5.膨胀阀6.膨胀阀温包7.分液器8.贮液器 9.电动调节阀
10.控制器11.出风温传感器12.露点温度传感器13.电磁阀
14.电磁阀115.电磁阀216.单向阀17.过滤器 18.冷凝压力表
19.蒸发压力表20.高压继电器21.低压继电器22.制冷剂注入口
23.水封弯24.挡水板 25.风机(机外)26.Y型过滤器
3.3.1 蒸发器采用紫铜套亲水膜翅片式;
3.3.2 与普通除湿机相比,全新风除湿机的蒸发器和风冷冷凝器由于过风量小,风速低,造成外表面换热系数比常规小,因而总传热系数变小,换热强度降低。为了加大换热面积以得到足够的换热量。蒸发器和风冷冷凝器都采用了容积可自动调节的多级形式。
3.3.3 水冷冷凝器选择不锈钢板式换热器
3.4 样机控制方式
3.4.1 全机采用可编程控制器(PLC)控制,有远程通讯接口,可以实现联网控制。
3.4.2 露点温度传感器设在蒸发器后(见图3)。开机前先根据季节及洞库内温度在触摸液晶显示器上设定欲控制的新风露点温度,开机后,控制器将不断根据露点温度传热器测得的实际露点温度与设定值比较,以PID方式发出调载指令控制压缩机的制冷量,使之与动态的新风负荷相匹配,自动节能运行。
3.4.3 采用电动调节阀控制冷却水量的方式改变水冷和风冷冷凝器的换热量比例,实现出风温度自动调节。
3.5 样机压缩机选择
选择半封闭双螺杆无级容调压缩机,能量调节范围为25%~100%;输出功率30kW,该压缩机具有双重壳体结构,振动小、噪声低、能效比高。
3.6 膨胀阀选择
采用外平衡式膨胀阀多级分控,或采用电子膨胀阀。
4 样机测试及检验结果
全新风无级调载除湿机样机在试验台上进行了各项性能测试及节能效果测试,并通过了国家制冷设备检验中心的检验。
4.1 基本性能测试
4.1.1 在标准进风状态下,出风露点控制范围为10~20℃, 在各种进风状态下出风露点控制精度可稳定在±1℃。
4.1.2 出风调温范围随进风状态变化而有不同,最大达13~36℃。出风温度传感器装于机上出风口时控温精度为±1.5℃,装于被调房间时控温精度为±1℃。
4.1.3 在标准进风状态下除湿量为90.6 kg/h。单位输入功率除湿量为3.55kg(h.kW)
4.1.4 经国家制冷设备检验中心的检验,所检项目符合Q/SLJ005-2003、 JB/T7769-1995标准规定的要求。
4.2 节能效果测试
4.2.1 压缩机调载运行中的功率测试

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