地下建筑專用全新風(fēng)無級調(diào)載除濕機研制一
國防工程中有許多大型地下建筑因涉及有害材料的存放而不允許使用回風(fēng)，只能采用全新風(fēng)通風(fēng)方式。地下建筑洞庫內(nèi)的環(huán)境特點是低溫高濕，由于夏季洞庫內(nèi)外空氣的焓差很大，普通除濕機沒有足夠的制冷量把新風(fēng)露點溫度控制得足夠低，難以保證新風(fēng)進入地下建筑洞庫后不結(jié)露，從而給通風(fēng)除濕系統(tǒng)的設(shè)計和運行帶來諸多問題，所以研制專用于地下建筑的全新風(fēng)除濕機是十分必要的。
1、普通除濕機的不適用性
1.1普通除濕機的適用場合
常用的普通CT型調(diào)溫除濕機帶有風(fēng)冷和水冷兩個串聯(lián)的冷凝器。該機除了可用于降低所服務(wù)區(qū)域空氣濕度外，還可利用風(fēng)冷和水冷冷凝器換熱量比例的變化兼控出風(fēng)溫度?？梢灾苯臃旁谑覂?nèi)使用，也可以安裝在通風(fēng)系統(tǒng)中用于處理回風(fēng)和少量的新風(fēng)。它的運行特點是必須通過回風(fēng)使室內(nèi)空氣反復(fù)循環(huán)經(jīng)過除濕機才能逐漸消除室內(nèi)余濕?？梢哉f普通除濕機用于地下建筑時主要是用來克服洞庫的內(nèi)部濕負荷的，它的適用場合是有限的。
1.2地下洞庫的環(huán)境特點
夏季地下洞庫受巖石溫度較低的影響，室內(nèi)的壁面溫度也較低，由于地下水的滲透作用，室內(nèi)壁面有持續(xù)散濕現(xiàn)象，空氣相對濕度高。夏季室外新風(fēng)含濕量大，露點溫度很高，如果除濕機不能把新風(fēng)露點溫度控制得足夠低，新風(fēng)進入地下洞庫室內(nèi)就會結(jié)露，使環(huán)境條件惡化，造成各種設(shè)備因受潮而損壞。為了防止出現(xiàn)這種情況，應(yīng)當采取減少新風(fēng)比例，多用回風(fēng)的辦法。但國防工程的地下建筑中有大量的存有特殊材料的洞庫因涉及到有害物質(zhì)和有害氣體的散發(fā)問題，不能采用回風(fēng)方式，通風(fēng)系統(tǒng)只能設(shè)計成全新風(fēng)的方式。這就給除濕機的使用提出了特殊的要求。
1.3地下洞庫中全新風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)狀態(tài)的確定
我國華東、華中及華南大部分地區(qū)夏季空調(diào)室外計算溫度都很高。鄭州tg=35.6℃，ts=27.4℃；長沙tg=35.8℃，ts=27.7℃；福州tg=35.2℃，ts=28℃。在這些地區(qū)的地下建筑通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中,根據(jù)工藝需要的溫濕度條件及洞庫壁溫和洞庫內(nèi)空氣的熱濕比，一般規(guī)定全新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)狀態(tài)為tg=20℃，φ=60%。露點溫度約為12.7℃。平時洞庫內(nèi)沒有工藝余熱時，可將送風(fēng)狀態(tài)點沿等d線上移，把送風(fēng)溫度提高到30℃左右,以克服洞庫壁傳熱負荷。送風(fēng)露點溫度可以隨洞庫壁溫和室溫升高而改變,但不得高于壁溫,只有控制住露點溫度,才能保證新風(fēng)進入洞庫與洞庫壁面接觸后不會結(jié)露,同時新風(fēng)與洞庫壁面散濕混合后仍能保持合適的相對濕度。以上過程用焓濕圖表示，可參見圖1。在圖1中，設(shè)夏季室外新風(fēng)平均狀態(tài)點為W，twg=35℃、φ＝60％，除濕機的機器露點為L，tL=12.7℃，送風(fēng)狀態(tài)點為O或O’，tog=20℃,tos=15.1℃；to’g=30℃,to’s=18.5℃,室內(nèi)狀態(tài)為N，tNg=22℃，φ=70%。從圖1中可查得新風(fēng)處理到機器露點的焓差△h=54kJ/kg干空氣，濕差△d=12.5g/kg干空氣。
1.4普通除濕機的串聯(lián)用法
普通除濕機的標準進風(fēng)狀態(tài)是tg=27℃，ts=21.2℃。其所配壓縮機的制冷量只能保證達到在額定風(fēng)量下產(chǎn)品樣本規(guī)定的除濕量之需要。如果某全新風(fēng)系統(tǒng)確定進風(fēng)量為L=6000m3/h，用圖1中查得的數(shù)據(jù)可以算出該全新風(fēng)系統(tǒng)所需要的制冷量Q和除濕量W分別為
Q=LρΔh/3600=108kW（1）
W=LρΔd/1000=90kg/h（2）
式中空氣密度ρ=1.2kg/m3。
而額定風(fēng)量為6000m3/h的普通除濕機名義制冷量只有36kW，除濕量只有25kg/h，只及所需制冷量和除濕量的三分之一（設(shè)計中一般不考慮實際空調(diào)工況下壓縮機的制冷量變化）。為了保證全新風(fēng)系統(tǒng)的需要，設(shè)計中只好采用如圖2所示的三臺普通調(diào)溫除濕機串聯(lián)運行的方式，力圖保證夏季新風(fēng)進入地下建筑洞庫后達到規(guī)定的露點溫度，避免結(jié)露現(xiàn)象。
1.5除濕機串聯(lián)運行帶來的問題
雖然從理論上說除濕機串聯(lián)運行可以解決處理新風(fēng)時制冷量不夠的問題，但長期的運行實踐證明，除濕機串聯(lián)運行是一種很無奈的設(shè)計選擇，它會帶來許多無法解決的技術(shù)和經(jīng)濟問題。
1.5.1串聯(lián)工作的除濕機不能在平等的進風(fēng)狀態(tài)下工作，處在串聯(lián)下游的除濕機進風(fēng)溫度很低，蒸發(fā)器工作效率低，從而導(dǎo)致整機工作狀態(tài)差，運行不穩(wěn)定，常出現(xiàn)因蒸發(fā)器結(jié)霜而導(dǎo)致故障停機現(xiàn)象。
1.5.2處在串聯(lián)上游的除濕機必須以水冷方式工作。只有最后一臺機才可以用風(fēng)冷方式工作，而地下洞庫內(nèi)平時溫度是偏低的，是需要熱量來降低相對濕度的。但是只能看著大量的冷凝熱量被冷卻水帶入下水道，既流失了大量的能量，又耗費了地下洞庫內(nèi)十分珍貴的水源。
1.5.3串聯(lián)運行的除濕機由于工作狀態(tài)不同，操控困難，操作手對于最終的露點控制效果心中無數(shù)，更談不上隨著新風(fēng)負荷的變化及時調(diào)整開啟臺數(shù)，寧可多開，不敢少開，盲目性很大。
1.5.4串聯(lián)運行的除濕機占地面積大，送風(fēng)阻力大，送風(fēng)機功耗大。為了提高送風(fēng)溫度還要設(shè)置較大功率的電加熱器。另外設(shè)計中還必須考慮較大的冷卻水庫容及相應(yīng)的水源設(shè)備，電站容量也會因此而增加。輔助工程量方面的代價是很高的。
1.6小結(jié)
綜上所述，可以認為普通除濕機不能滿足地下建筑通風(fēng)系統(tǒng)的全新風(fēng)工作方式的需要。應(yīng)當開發(fā)能滿足這種需要的專用型全新風(fēng)除濕機，這對于提高地下建筑的環(huán)境質(zhì)量，節(jié)省工程造價，實現(xiàn)節(jié)能運行有著十分重要的意義。
2、全新風(fēng)除濕機設(shè)計中要解決的關(guān)鍵問題
2.1解決大制冷量和大換熱量問題
普通除濕機規(guī)格很多，當然也有大制冷量的機型。但是因為換熱器傳熱結(jié)構(gòu)方面的原因，大制冷量的除濕機只能在額定的大風(fēng)量下工作，全新風(fēng)除濕機雖需較大的制冷量，但其額定風(fēng)量只有同樣制冷量的普通除濕機的幾分之一，所以是不能簡單地用普通大規(guī)格除濕機來代替的。全新風(fēng)除濕機采用了大制冷量壓縮機后，必須對蒸發(fā)器和風(fēng)冷冷凝器的傳熱結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，以保證在額定風(fēng)量下有理想的換熱量。同時還要解決好在負荷大幅度變動情況下怎樣保持換熱器內(nèi)制冷劑壓力穩(wěn)定問題。最后還要考慮最大限度地利用好風(fēng)冷工況下的冷凝熱量，使除濕機出風(fēng)溫度上限得到大大擴展，僅在需要調(diào)溫運行時或冷凝壓力較高時才合理地使用一些冷卻水，做到既節(jié)能又省水。
2.2解決恒露點送風(fēng)控制問題
地下建筑洞庫內(nèi)溫度較低，且一年四季變化不大。但室外空氣溫度變化是很大的。全新風(fēng)除濕機根據(jù)夏季新風(fēng)負荷選擇了大制冷量的壓縮機，這在過渡季節(jié)使用顯然是不合算的。既便是在夏季，一天中新風(fēng)負荷也是逐時變化的，并不是一直處在最高點。為了節(jié)能，應(yīng)當以滿足地下洞庫內(nèi)相對濕度為基本條件，使全新風(fēng)除濕機以恒定的露點溫度送風(fēng)。當室外溫度下降，新風(fēng)負荷減少時，恒露點控制系統(tǒng)能迅速地跟隨新風(fēng)負荷的變化發(fā)出指令，使壓縮機自動調(diào)載減少輸入功率，從而減少制冷量，保持出風(fēng)露點溫度不變，實現(xiàn)自動節(jié)能運行。
2.3解決壓縮機的自動調(diào)載問題
壓縮機的自動調(diào)載是全新風(fēng)除濕機最具節(jié)能意義的重要特點，實現(xiàn)自動調(diào)載的辦法有三種，比較如下：
2.3.1多機頭分級調(diào)載
如果壓縮機總功率為35kW，可以采用5kW、10kW、20kW三臺全封閉壓縮機組合，實現(xiàn)每級為5kW的七級調(diào)載。這種方式的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)級差大，露點控制精度低。
2.3.2變頻調(diào)載
采用變頻器可以使壓縮機實現(xiàn)無級調(diào)載，但由于壓縮機不適宜在低轉(zhuǎn)數(shù)下工作，所以用變頻器調(diào)載的范圍是很有限的，不能滿足全新風(fēng)除濕機在低負荷下的節(jié)能運行需要。而直接采用變頻壓縮機則受到單機功率較小和品種規(guī)格較少的限制，不易實現(xiàn)最佳選配。
2.3.3小型螺桿式壓縮機無級調(diào)載
目前螺桿式壓縮機最小的型號已有功率為25kW的，完全進入了全新風(fēng)除濕機適合選用的范圍。采用現(xiàn)代技術(shù)制造的螺桿式壓縮機工藝精良，運行穩(wěn)定可靠，更可貴的是其具有獨特的滑閥調(diào)載功能，可很方便地使能量在25%～100%范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。雖然價格稍貴，重量也稍大，但其優(yōu)異的性能和所能帶來的節(jié)能效益足以彌補這些不利因素。與前兩種調(diào)載方式比較，螺桿式壓縮機完全滿足了全新風(fēng)除濕機的需要，具有最佳性價比，是最好的選擇。
3、全新風(fēng)無級調(diào)載除濕機樣機設(shè)計方案
3.1樣機基本參數(shù)
3.1.1處理新風(fēng)量6000m3/h；
3.1.2標準進風(fēng)狀態(tài)tg=35℃，ts=28℃；
3.1.3蒸發(fā)器后露點溫度12.7℃±1℃；（可在12.7℃～20℃范圍內(nèi)根據(jù)需要任意設(shè)定，進風(fēng)溫度較低時最低可調(diào)至8℃）
3.1.4出風(fēng)溫度13～36℃±1.5℃（壓縮機減載時出風(fēng)溫度上限相應(yīng)降低）；
3.1.5除濕量最大90kg/h；
3.1.6壓縮機功率30kW；
3.1.7壓縮機工質(zhì)R22；
3.1.8外形尺寸1900×1500×1800，重量1500kg。
3.2樣機的制冷循環(huán)流程設(shè)計樣機的制冷循環(huán)流程原理如圖3所示。
3.3樣機換熱器選擇1.半封閉雙螺桿壓縮機2.蒸發(fā)器3.風(fēng)冷冷凝器4.水冷冷凝器
5.膨脹閥6.膨脹閥溫包7.分液器8.貯液器9.電動調(diào)節(jié)閥
10.控制器11.出風(fēng)溫傳感器12.露點溫度傳感器13.電磁閥
14.電磁閥１15.電磁閥２16.單向閥17.過濾器18.冷凝壓力表
19.蒸發(fā)壓力表20.高壓繼電器21.低壓繼電器22.制冷劑注入口
23.水封彎24.擋水板25.風(fēng)機（機外）26.Y型過濾器
3.3.1蒸發(fā)器采用紫銅套親水膜翅片式；
3.3.2與普通除濕機相比，全新風(fēng)除濕機的蒸發(fā)器和風(fēng)冷冷凝器由于過風(fēng)量小，風(fēng)速低，造成外表面換熱系數(shù)比常規(guī)小，因而總傳熱系數(shù)變小，換熱強度降低。為了加大換熱面積以得到足夠的換熱量。蒸發(fā)器和風(fēng)冷冷凝器都采用了容積可自動調(diào)節(jié)的多級形式。
3.3.3水冷冷凝器選擇不銹鋼板式換熱器
3.4樣機控制方式
3.4.1全機采用可編程控制器(PLC)控制，有遠程通訊接口，可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。
3.4.2露點溫度傳感器設(shè)在蒸發(fā)器后（見圖3）。開機前先根據(jù)季節(jié)及洞庫內(nèi)溫度在觸摸液晶顯示器上設(shè)定欲控制的新風(fēng)露點溫度，開機后，控制器將不斷根據(jù)露點溫度傳熱器測得的實際露點溫度與設(shè)定值比較，以PID方式發(fā)出調(diào)載指令控制壓縮機的制冷量，使之與動態(tài)的新風(fēng)負荷相匹配，自動節(jié)能運行。
3.4.3采用電動調(diào)節(jié)閥控制冷卻水量的方式改變水冷和風(fēng)冷冷凝器的換熱量比例，實現(xiàn)出風(fēng)溫度自動調(diào)節(jié)。
3.5樣機壓縮機選擇
選擇半封閉雙螺桿無級容調(diào)壓縮機，能量調(diào)節(jié)范圍為25%～100%；輸出功率30kW，該壓縮機具有雙重殼體結(jié)構(gòu)，振動小、噪聲低、能效比高。
3.6膨脹閥選擇
采用外平衡式膨脹閥多級分控，或采用電子膨脹閥。
4樣機測試及檢驗結(jié)果
全新風(fēng)無級調(diào)載除濕機樣機在試驗臺上進行了各項性能測試及節(jié)能效果測試，并通過了國家制冷設(shè)備檢驗中心的檢驗。
4.1基本性能測試
4.1.1在標準進風(fēng)狀態(tài)下,出風(fēng)露點控制范圍為10～20℃,在各種進風(fēng)狀態(tài)下出風(fēng)露點控制精度可穩(wěn)定在±1℃。
4.1.2出風(fēng)調(diào)溫范圍隨進風(fēng)狀態(tài)變化而有不同，最大達13～36℃。出風(fēng)溫度傳感器裝于機上出風(fēng)口時控溫精度為±1.5℃，裝于被調(diào)房間時控溫精度為±1℃。
4.1.3在標準進風(fēng)狀態(tài)下除濕量為90.6kg/h。單位輸入功率除濕量為3.55kg(h.kW)
4.1.4經(jīng)國家制冷設(shè)備檢驗中心的檢驗，所檢項目符合Q/SLJ005-2003、JB/T7769-1995標準規(guī)定的要求。
4.2節(jié)能效果測試
4.2.1壓縮機調(diào)載運行中的功率測試
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