超高层建筑中高区除湿问题的解决方案

摘要   介绍分析了超高层建筑中高区的除湿问题，并提出除湿问题的解决方案，通过实际工程对U型相变节能器的应用进行分析。

关键词   超高层高区   除湿   相变节能器   节能

Skyscraper Dehumidification Solutions

Summary: This article introduces the skyscraper dehumidification problemsand propose solutions for the dehumidification issue. Also got the analysisthrough practical works on Phase Change Economizer (PCE) applications .

Keywords： Skyscraper, upper floors,dehumidification,Phase ChangeEconomizer (PCE).

0   引言

能源是历史发展和社会进步的物质基础，它直接关系到国民经济的繁荣和人民生活的改善。能源的开发与利用程度是反映人类文明、进步的一个重要标志。目前，在我国社会总能耗中，建筑运行能耗约占其30%左右，所占比重很大，而空气调节能耗则占建筑运行能耗的40~50%。

空气调节，自其问世以来，一开始主要是着重对温度进行控制和调节，而对湿度的控制则相对较少，因此除湿能耗也比较少。然而在科学技术迅猛发展的今天，除湿能耗已经占到空气调节总能耗的20~40%^[1]。空气中的水蒸气含量虽然很少，但是由于水的汽化潜热比较高(如在0.1MPa、100℃时，水的汽化潜热是2257.2kJ/kg)，所以除湿是一项高能耗的工作。从而空气除湿能耗也越来越受到人们的普遍关注和高度重视。目前超高层建筑越来越多，由于暖通系统问题，导致高区冷冻水温度偏高，除湿能力大幅下降，因此，开发节能高效型的除湿技术具有极其重要的现实意义。

1   超高层建筑中高区除湿存在的问题

目前超高层建筑的空调制冷系统一般采用以下方案：地下室设置冷冻机房(或集中换热机房)，冷冻水（6/13℃）通过竖向管井分别供至建筑的低、中、高区。低区冷冻水（6/13℃）由地下室机组直接提供，中区考虑空调系统的承压问题，在中区避难层设置热交换机组，地下室提供的冷冻水（6/13℃）送至中区避难层的热交换机组，经过换热后冷冻水（7/14℃）供给中区空调末端。高区同样考虑空调系统的承压问题，在中区及高区2个避难层分别设置热交换机组，由地下室机组提供的冷冻水（6/13℃）先后经过两级板换热交换后，冷冻水（8/15℃）送至高区空调末端。此时高区的除湿就存在较大问题，由于冷冻水（8/15℃）供水温度较高，新风机组的除湿能力大幅下降，将导致送风参数无法满足设计要求，影响功能房间的舒适性，降低品质。如为满足高区除湿用较低的冷冻水供水温度，则需冷冻机组相应降低机组冷冻水出水温度，此措施会导致机组能效大幅下降，不能满足国家节能标准的要求。为满足超高层建筑中高区的除湿要求，本文提出一种新型解决方案-相变节能技术的应用。

2   相变节能技术的工作原理及特性

典型的相变节能器由管壳、吸液芯以及端盖组成。它以一封闭的管子作为壳体，在内表面镶套多孔毛细吸液芯，将管内抽成1.3x(10-1~10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，然后密封壳体即成相变节能器。相变节能器的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段之间可布置绝热段。当相变节能器的一端受热时，吸液芯中的工质蒸发汽化，蒸汽工质在微小的压差作用下流向另一端放出热量后凝结成液体工质，液体工质再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，实现热量从相变节能器的一端到另一端的传递。其工作原理如图1所示：

图1相变节能器工作原理示意图

将多排相变节能器首尾相连，构成一个三维的热回路整体。热量即可从相变节能器的一侧传递到另一侧，也可在同一侧不同排管之间进行传递。这样工作液体在相变节能器内部的流动，不仅是靠两侧气流之间的温差实现的，而且还由相同气流中不同管排之间的温差来实现。相变节能器与传统的换热器相比，能够传输两到三倍的工作液体，传热能力更大，而占用空间更小，空气阻力更低。相变节能器结构见图2所示。

图2 相变节能器结构

相变节能器是依靠其内部工质的相变来进行传热的传热组件，它具有以下的基本特性:高导热性、热流方向的可逆性、无功耗工作、无交叉污染：

3   U型相变节能器技术在超高层建筑中的应用

U型相变节能器由两个区段所组成。第一区段为空调冷盘管前的部分，第二区段为空调冷盘管后的部分，当热气流在U型相变节能器的第一区域经过时，管内的液体蒸发，将热量传送到放于空调冷盘管后气流下端的U型相变节能器第二区域。因为进入蒸发器的空气中热量已经被转移了一部分，空气通过冷盘管后的温度就相对更低，导致析湿量增加。过冷的空气在U型相变节能器的第二区段被加热成温度舒适和湿度较低的空气。需要说明的是，U型相变节能器本身不具备除湿功能，它的作用是加大表冷器冷凝水析出量并减小再热量，也可以说是安装了U型相变节能器后，可以用较小的制冷量和再热量即能达到除湿效果。通常情况下，使用U型相变节能器后，总共可降低30%左右的表冷器的制冷量和再热装置的再热量，也就是说可节约30%左右的能量，同时冷凝水的析出量增加30%（由进风参数和冷盘管参数决定）左右。

            图3 U型相变节能器原理图

由于U型相变节能器的被动传热特点，整个预冷和再热的过程完全没有能量的消耗。而其结果是使原空调系统的除湿能力大幅增加，同时得到了免费加热的健康空气。在大部分的情形下，这样的除湿效果可以免除一般除湿需要的附加设备。当输入新鲜空气时，U型相变节能器使得进气的湿度降低，在减低湿负荷以免其成为建筑物的负担方面有巨大的效益。U型相变节能器不只大幅减少湿度，还将新鲜的空气免费加热到舒服的温度。

    目前，超高层建筑越来越多，由于输送距离和承压的问题，超高层建筑的冷冻水系统一般分区设置，其中高区冷冻水要通过二次换热提供，这样就导致高区的冷冻水温度偏高，传统空调系统的除湿能力大幅下降，无法满足舒适度的要求。此时U型相变节能器在冷冻水温度偏高的情况下，能大幅提高机组的除湿能力，并保证出风温度适中，舒适度的要求得到满足。

4   传统空调系统除湿和相变节能器除湿对比分析

传统空调系统为了增大除湿能力，一般加大冷却盘管的排数，使空气过冷温度很低，然后通过再热得到舒适的空气，此种形式在冷冻水温度偏高的情况下除湿能力增加有限，还需能源再热，并不节能。

U型相变节能器系统在不需加大冷却盘管和额外再热能源的情况下，使机组的除湿能力得到较大提高，舒适度得到保证并且非常节能。图4、图5分别为两种系统的h-d图。   

图4 传统空调除湿系统h-d图                图5 U型相变节能器除湿系统h-d图

传统空调系统：室内状态点A通过冷却盘管，把空气冷却减湿到状态点B，

其中状态点A：t1=27℃，Φ1=70%，d1=16.029g/kg   ；

状态点B：t2=13.5℃，Φ2=95%，d2=9.333 g/kg    ；

整个过程的除湿量d=d1-d2=16.029-9.333=6.696 g/kg

U型相变节能器系统：室内状态点A’通过U型相变节能器的第一区段，把空气预冷到状态点B’,被预冷的空气再通过冷却盘管被冷却减湿到状态点C’，最后空气通过除湿热泵的第二区段被再热到状态点D’，

其中状态点A’：t1=27℃，Φ1=70%，d1=16.029g/kg    ；

状态点B’：t2=21.9℃，Φ2=95%，d2=16.029g/kg    ；

状态点C’：t3=10℃，Φ3=95%，d3=7.382 g/kg   ；

状态点D’：t4=15.1℃，Φ4=67%，d4=7.382 g/kg    ；

整个过程的除湿量：d’=d4-d1=16.029-7.382=8.647 g/kg

除湿量增加： Δd=d’-d=8.647-6.696=1.951 g/kg   

通过以上计算分析可以看出：使用U型相变节能器后，整个过程的除湿量增加约30%，除湿能力大幅加强，并且送风温度适中，温度和湿度都符合舒适度的要求。

应用形式分为以下两种：

（1）做成U型结构，固定在表冷器前后，这种形式需要空调机组生产厂家配合预留部分空间，或者在空调箱侧板开孔进行接管。如图6所示

（2）做成直板式结构，这种形式可安装在送回风管上，节约空间。如图7所示

图6   U型结构示意图                          图7   直板型结构示意图

5   U型相变节能器技术在超高层建筑中的应用实例

工程简介: 苏州工业园区某高层建筑项目，总建筑面积：136523平方米，地上47层，地下3层，总建筑高度222.8米，地上部分1~3层为裙房，功能为营业厅，餐饮等；4层以上为塔楼，功能为办公。系统形式：本项目采用集中冷站区域供冷/供热系统，于地下一层设市政区域供冷/供热机房接驳区域冷冻水/蒸汽及能源计表。区域冷冻水/蒸汽由分水器/分汽缸再接至塔楼及裙楼冷冻水/热水热交换器房，作为项目主要空调冷源/热源。裙房、4~18F部分在地下室设置板换提供冷热水，19~33F、34~RF部分在地下室和避难层分别设置板换，经过两次换热提供冷热水。

项目33~RF系统一级板换设置于地下室,冷冻水一次侧供回水温度6/13℃，二次侧供回水温度7/14℃，二级板换设置于33F避难层,冷冻水一次侧供回水温度7/14℃，二次侧供回水温度8/15℃，由于冷冻水供水温度较高，常规除湿方式难以满足要求，所以RF采用2台相变节能式能量回收除湿空调机组，新风通过U型相变节能器进行除湿处理，温度、湿度全部达到舒适度要求的新风再送入新风管井供给各空调机组。

6   结论

相变节能器技术因其诸多优良特性，非常适用于超高层建筑高区空调系统夏季除湿。而且由于相变节能器工作不需要消耗额外的动力，符合国家当前节能减排的精神，部分地区已明确了对于使用高科技节能产品及技术的鼓励和支持。