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1、办公大楼的具有气压驱动,去湿的地热能空气调节系统德国汉堡市慕尼黑工业大学热力学专业 摘要：热驱动辅助去湿空气调节系统在干燥剂盘中利用废热除去室外空气的湿度,在研究中,一项关于辅助除湿的空气调节系统的调查研究被展开,一套演示设备在德国汉堡市的一个办公大楼被建成,其暖通空调系统包括一个小的热电联产设备,一个辅助除湿的通风设备和一个地热能源系统(钻孔热交换)用于冷却,从而代替电驱动冷却装置.建筑物的辐射采暖地面供暖系统被用于冷却,在这篇论文中将阐明测量结果、调查研究、能源需求和生产费用。将发现相当大数量（70%）的一次能源储蓄通过钻孔热交换用于空气除湿，虽然用电冷却装置也能够完成储蓄30%一次能源。
2、示范装置的初投资不会比常规系统高，而且运行成本将大大地减少。关键词：空气调节、去湿、吸收作用、地热能、钻孔热交换、热电联产、气体1.简介由于节能条例，德国新建筑物的热需求在过去几年被大大的减少，用更好的保温材料已达到低能耗建筑标准的要求从而导致了夏天建筑物内部的高热负荷，造成房间温度急速升高，从而增加了温和气候带的空气调节需求。同时，热电联产被提供，小型热电联产常被用在冬季。然而因为没有或者只有很少的温水需求，所以办公大楼夏天的热需求非常低。小型热电联产装置（输出功率5kw）的废热不会被有效的利用，申请去湿技术，来自低温能源的废热，例如小型热电联产装置或者太阳能收集器，在冷却时能被用于空气调节
3、。在辅助去湿系统中，湿空气首先用除湿转轮去湿。这个转轮包括一个窝蜂状结果，被涂抹上除湿材料，例如硅胶或者氯化锂。随着湿空气通过转轮水蒸气被除湿材料吸收。当干燥剂被加热器加热时水分被释放。在这个过程中空气温度会上升，因为吸收的热被释放蒸发，空气随后在热回收装置中被预冷。在去湿蒸发冷却空气调节循环系统中，最后的冷却通常通过注射水进入蒸发冷却器来完成。虽然这个系统不需要压缩冷却装置，而且耗电很低，但是却没有在欧洲市场广泛采用。一些缺点如高投资成本，难控制，低动力学性能，因此冷却能力被空气增湿作用限制。另外，饮用水的运用从环保的观点上来分析是一个缺点。这篇论文的系统无水蒸发被提出。空气被冷却通过一个常
4、规的内部冷却盘管，这个系统被叫做“混合系统”，已经在好几个领域被研究。不像常规系统空气通过线圈，在低于露点温度时不会被冷却，随后也不会被再加热。其他的冷源，例如高温（18度）的钻孔换热器替代常规冷却装置。再生的除湿转轮根据去湿材料低温热输入是必要的。用除湿技术冷却需求能被减少到常规系统的30%，空气调节的能量需求因此由电转移成热能，一次能耗也被减少。空气调节系统的空气流速由房间需要移走的负荷决定，如果一部分负荷能被房间其他系统带走，空气流速能被大大减少，只有潜热负荷由于新鲜空气去湿需要被考虑是否影响空气流速。辐射冷却系统的组合例如空气调节冷却顶板实现节能。然而，冷却顶板不仅是用于辐射冷却的系统
5、。如果冷水流通过加热管常规的地板辐射加热系统也能在夏天提供冷却。当用辐射冷却时，需要特别注意一些事项。要考虑相当低的露点温度，所以新鲜空气去湿变得更加重要。在研究范围内，一项关于辅助去湿AC系统被德国汉堡市慕尼黑工业大学热力学专业的人发布，在这个项目中，实验室测试和理论研究被公布，在那之后，在汉堡市的一个办公室建筑物被示范。这个建筑的暖通空调系统包括一个小的热电联产，一个辅助除湿通风系统和一个地能系统（钻孔热交换）用于冷却从而代替常规的电压缩冷却装置。虽然混合去湿系统已经被研究，辐射地源冷却已经有了经验，但是这两个系统的结合仍不被广泛知晓。所以这个示范装置是独一无二的，也从没被报道过。在这篇论
6、文中，将描述这个示范装置并展示性能数据。与其他系统的成本分析和经济比较也将被介绍。2.系统描述去湿的空气调节演示系统被建在太空测试中和德国汉堡市的一个公司中（图1）。这个建筑大概650平方米高9.9米，总面积1992平方米分布成三个等级。有空调设备的面积1300平方米，包括二楼的15个办公室和一楼的生产车间，这个建筑的设计完全满足德国低能量建筑指导方针。热需求规定为70kw,一个冷凝器和小的热电联产装置通过辐射地能系统提供热量。这个建筑于2001年12月建成并使用。图2展示了HVAC系统的原理图，小的热电联产装置和冷凝器连接储存水槽。在冬天，来自储存水槽底部的温水用于地板辐射采暖。室外新鲜的空
7、气通过转轮热交换器进入室内。在夏天，辐射地面转换成冷却模式，凭借冷却水流过换热管从而移走室内热量。只要很少的空气流动。室外的空气被去湿转轮去湿。由于吸附作用导致空气温度升高，干燥空气被冷却装置预冷。空气被冷却平衡室内温度。通过地面钻孔换热器提供冷量，深100米的孔在建筑物周围。钻孔系统的冷量是30kw，大约7kw用于制冷，23kw维持辐射地面18摄氏度的水温。钻孔加热器保括双聚乙烯u形管，其常被用在地面或者地源热泵中。在封闭的循环系统中水被循环利用，因为管被铺设在地面，所以防冻液是不可或缺的。空调系统设计满足空气流动率2500立方米/小时。冷量7.5kw.氯化锂去湿转轮和旋转热交换器大概直径1
8、000毫米，450毫米厚度。热电联产装置的输出热被用于是温度达到55-65摄氏度从而移除去湿转轮内的湿度。在设计条件下，再生的热量大概12kw等同于热电联产的热输出。3.系统性能3.1去湿的空气调节过程图3 通过来自试验装置的测量数据在焓湿图上展示了空气调节过程，室外空气（1）在去湿转轮首先被干燥。预干燥的的空气（2）通过旋转热交换器被冷却，在水或者空气热交换器中被追加冷却（3）。钻孔热交换系统供给温度18摄氏度，但是不能完全将空气冷却到要求的设计温度19度，如果热交换增强这个问题就会被解决，可以安装一个大的热交换器，测量数据显示冷却后含湿量有了微量的增加（4）。这就是室内空气混合的作用，由于
9、遗留在旋转热交换器中的空气，室内空气流动率增加。另一方面，室内空气（5）首先在旋转热交换器中被加热（6），热输入追加加热到58度，再热空气（7）从去湿转轮中移除湿度，图3 的对照展示了常规的空气除湿调节过程，根据温湿度的测量结果，空气每一个状态的焓值都能在焓湿图上找到，通过湿空气的状态方程可得1式，式2体积流速、加热、冷却的需求能够通过不同点的焓值计算得到，分别从状态6-7和3-4，加热和冷却需要在图3中也被展示了出来，冷却需求能够被大大的减少到26.8kw ，而常规的去湿系统是4.0kw，另外，加热需求从6.4kw提高到15.3kw。热电联产去湿系统热量效益，电效益，常规系统的压缩冷凝装置的
10、COP，两个系统主要的能量消耗能被计算。去湿系统3式常规系统4式值得注意的是去湿系统的冷却条件不会导致一次能源损耗，因为冷却由旋转换热器系统驱动。然而，传统的冷却系统运用压缩冷凝器则有损耗。对于去湿系统，一次能源必须被考虑，因为发电被用于其他建筑用电设备（5）式当考虑电效率时，阐述一次能源转换为电能，来自公共网络的发电系数比来自热电联产设备的发电系数要高。计算结果，来自公共网络发电系数0.4，热电联产发电系数0.24.图3展示了去湿系统实际的一次能源损耗减少了60%从29.5kw到12.2kw，即使常规系统不考虑再加热的影响，一次能源的损耗也只是减少50%3.2 能量需要空气调节系统的能量需求
11、，室外不同的空气条件建筑物的负荷必须考虑，图4展示了在2002年8月的几天中测量的室外空气温度，在这些天中，温度变化从15度到30度。对应的空气含湿量可以在下面的图表8中看到。室外空气含湿量从12g/kg到13g/kg。以这个数据为依据，冷却和加热能量需要可以计算，辅助去湿系统的计算模型随后被开发根据不同条件的测量数据。这个方式能算出更准确的结果比用不同测量数据的焓差值计算能量需求，因为这个研究系统没有被连续的运行，数据和控制系统没有准确的运行。此外，送风温度规定19度以满足常规系统公平对比。在图4中，二次送风温度和含湿量被展示，可以发现，二次送风温度从50度到60度，空气含湿量减少到4g/k
12、g以满足空气条件。通过比较，理想的空气条件过程图3展示了出来，夏天6-8月在图5可看到。对于传统的系统需要30kw的冷却能量，对于去湿系统只需要7kw。冷却和加热的电力需求直接影响空气调节的能力需求。运用去湿技术，冷却能量需求从传统系统的8962kwh减少到2723kwh,然而加热系统需求从2464kwh增长到5309kwh，与图3一样，一次能源损耗可以通过热电联产装置的效率和电冷却的cop计算。此外，热电联产提供的一次能源电量必须考虑，去湿系统的实际一次能源损耗3318kw，是传统系统损耗的33%，图6说明了这一点。即使电驱动压缩冷冷却装置代替钻孔换热器，需要考虑节省多少能量。耗电冷却装置一
13、次能源会减少，去湿系统实际一次能源消耗7099kwh等同于不采用去湿技术的常规系统需要的70%，此外，如果不采用热电联产装置，必须通过气体加热来加热，一次能源消耗8168kwh。去湿系统将节省20%一次能源。值得一提的是能量消耗依靠室外空气状态和供给的气体条件而定，因此不同的工况能量消耗是不同的，在一份关于意大利气候的研究数据展示了去湿系统较常规系统节能30%，但是气体消耗高度170%，一次能源消耗高达115%，供给气体温度只有15度3.3年度主要能源消耗到目前为止能源需求和比较重只有考虑夏天气体条件，如何回答演示装置气体条件为什么影响建筑物全年能量平衡，根据德国建筑物能量节约条例的年度主要能
14、源需求的一项调查中有所解答（图7 ）。德国能源节省条例规定理论主要能源消耗是21.39kwh/m3。特殊的主要能源消耗根据气体和电消耗测量计算结果为21.21kwh/m3.热泵、控制系统和风扇都被计算进去了。即使在夏天也是如此。同样的系统中，热电联产产热被冷却装置取代，此时主要能源需求上升15.7%，对于这一情况，钻孔热交换器不被采用，冷却装置被电装置驱动，主要能源消耗上升12.9%，如果建筑物没有安装空气调节系统，主要能源需求将低于3.9%，另一方面，如果去湿系统被电驱动常规系统取代，更多的能量22.2%被需求。对于这一情况，传统的空气流动率被地热源取代 ，风扇带来更多 电消耗，最后，传统建
15、筑空气调节系统布局不采用热电联产将多出36.8%的主要能源需求。去湿辅助系统和钻孔热交换器的结合系统对建筑物的主要能源消耗影响非常小，仅仅3.9%，3.4钻孔换热器冷却在冷却期间，来自钻孔热交换器的供给温度维持在18-19度。这个温度代表系统的极限，如果室外温度非常高超过32度，舒适条件不能被保证，这是有很高的的负荷，图8展示了室外空去温度在2003年八月份几天中比较高的温度，这几天中周围环境空命名为1.1去温度达到32度，例如室内温度维持在26度，但是其他房间温度命名为1.2上升到极限温度，由于辐射高的内部负荷和冷却容量限制，冷却水入口温度19度，回水温度升高2-3度，然后流回到钻孔换热器系
16、统，这种情况下，房内温度23-24度。对于将来的设计包括钻孔换热器涉及冷却时温度必须计算在内，加热和冷却容量依据不同地方地面的热性能而定，空气流速高因为负荷的影响设计成辐射地板，对于最佳的设计，客服冷却容量的不确定性，冷却水温度，热性能必须根据热性能测试仔细确定。3.5 辐射冷却关于辐射地面冷却的一个常见的问题室内高温影响居住者舒适度的问题，这个温度在高度1.1m和0.1m之间变化2-4度，由于当地上升的不舒适度为了找的可接受的PPD值，根据舒适度指南上升环境分类，表面温度必须保持在19-29度，图9展示了地面冷却可接受的分布，可以发现，测量温度是25.7度，高1.2m温度25.2度，0.3m温度24.4度，表面温度不能低于21度，所以随着舒适指标出现不同的极限温度4、预算分析根据已出台的不同系统的预算调查，图10是三个完成的系统。系统1；带辐射地面冷却和钻孔换热器系统的去湿辅助空气调节系统。系统2：带辐射地面冷
