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作
者：
张雪梅，李治昂，赵金狄，秦朝葵
第一作者单位：同济大学 机械与能源工程学院
摘自《煤气与热力》2021年11月
刊
张雪梅，李治昂，赵金狄，
等
.
CHP
联合热湿独立处理空调系统及动态仿真
［J］.
煤气与热力，
2021，41（11）
：A29-A34.
空气湿度是影响室内环境品质的重要因素之一。无论是为满足室内环境舒适度还是工艺要求，都需对空气温度、湿度进行必要的调节和控制
［
1
］
。根据显热、潜热负荷是否统一处理，空调系统可分为热湿联合处理、热湿独立处理两种类型，前者存在冷源温度低、再热过程产生能源浪费等弊端
［
2
］
。因此，具有高效节能、健康舒适、精准控制、结构简单等特点的热湿独立处理空调系统日益受到重视
［
3
］
。
热湿独立处理空调系统的核心设备是承担潜热负荷的新风机组。不论是溶液除湿、转轮除湿还是固体吸附式除湿技术，除湿材料再生过程均是能耗的主要环节
［
4
］
。国内外学者正逐步探索利用冷凝热
［
5-6
］
、太阳能
［
7-9
］
、地热能
［
10
］
、低温余热
［
11
］
等低品位热能降低除湿材料再生能耗。目前，国内对热电联供系统（
CHP
系统）结合热湿独立处理空调系统的深入研究不多见，并缺乏全面评价。
本文将燃气内燃机热电联供系统与热湿独立处理空调系统（采用固体除湿转轮）组成复合空调系统，利用燃气内燃机余热进行除湿转轮再生。以上海某医院
ICU
层为用户，使用动态仿真方法对常规分供空调系统、复合空调系统的一次能源利用率、动态投资回收期进行对比。
供冷期、供暖期复合空调系统流程分别见图
1
、
2
。燃气内燃机发电机组采取以热定电的方式运行。回收燃气内燃机余热（包括烟气余热、缸套冷却水余热）得到温度为
99
℃的热水，一部分用于制备生活热水（常年需求）；另一部分在供冷期用于除湿转轮的再生，在供暖期用于加热新风以及为室内表面辐射装置（吊顶安装的毛细管席）提供供暖热水。蓄热水箱配有电加热器，仅在燃气内燃机余热无法满足负荷需求时开启，以承担部分生活热水负荷。供冷期，电制冷机组产生的冷水一部分进入新风机组的预冷器和表冷器，另一部分送入室内表面辐射装置供冷。
在供冷期，换热器
3
、
4
停用。当室外空气温度超过
27
℃时，新风在进入除湿转轮前经预冷器进行等湿预冷以提高除湿转轮的除湿效率。预冷后的新风进入除湿转轮经等焓降湿过程进行除湿，然后经过转轮式
换热器
、表冷器进行两次等湿降温被处理至送风状态点。在回风侧，回风先流入转轮式换热器与新风进行换热，然后经换热器
5
进一步加热后对除湿转轮进行再生。
在供暖期，换热器
2
、换热器
5
、除湿转轮、预冷器、表冷器、电制冷机组停用。新风先经转轮式换热器回收回风余热，再通过换热器
4
进行等湿加热后即可送入室内。
上海市某医院
ICU
层建筑面积
10 940 m
2
，层高
5 m
。墙体传热系数为
0.04 W/
（
m
2
·
K
），外窗传热系数为
3.1 W/
（
m
2
·
K
），无外遮阳。
ICU
层主要功能房间为手术室、重症监护病房，其他功能房间有会议室、办公室、手术观察室等。
GB 51039
—
2014
《综合医院建筑设计规范》第
7.5.3
条、
7.6.2
条规定：重症监护病房供暖期室内温度不宜低于
24
℃，供冷期不宜高于
27
℃，室内相对湿度宜为
40%~65%
；一般手术室供暖期室内温度宜高于
20
℃，供冷期宜低于
26
℃，室内相对湿度宜为
30%~65%
。在本案例中，供暖期、供冷期的室内设计温度和相对湿度均分别设置为
25
℃和
50%
。根据
GB 51039
—
2014
中对医疗卫生场所的新风量要求，将重症监护病房及手术室的换气次数设为
2
次
/h
，其他区域新风量设为
30 m
3
/
（
h
·人）。
使用
DesignBuilder
软件对
ICU
层全年逐时负荷（冷负荷、热负荷、生活热水负荷）进行计算。由计算结果可知，
ICU
层最大冷负荷为
1 572 kW
，最大热负荷为
564 kW
，最大生活热水负荷为
273 kW
，手术室、重症监护病房所需新风量为
5.64 kg/s
，其他区域所需新风量为
8.95 kg/s
。供冷期，显热负荷占总冷负荷的比例为
59.4%
。本文选用
Dymola
软件进行空调系统仿真模型的搭建及动态仿真
［
13
］
。
常规分供空调系统流程见图
3
。燃气锅炉
1
全年运行用以制备生活热水，燃气锅炉
2
仅在供暖期开启以制备供暖热水，两台电制冷机仅在供冷期开启为室内末端装置（采用风机盘管）提供冷水。常规分供空调系统主要设备的额定参数见表
2
。在
Dymola
软件中，常规分供空调系统配置的设备均可从自带的模型库中获取。根据常规分供空调系统流程建立仿真模型，并进行全年逐时动态仿真。
复合空调系统主要设备的额定参数见表
3
。
Dymola
软件自带的模型库中没有燃气内燃机发电机组、除湿转轮的模型，因此采用文献［
14
］给出的方法对燃气内燃机发电机组进行建模，对制造商提供的数据进行回归后对除湿转轮进行建模，其他设备均从自带模型库中获取。根据供冷期、供暖期复合空调系统流程建立仿真模型（分别见图
4
、
5
），并进行全年逐时动态仿真。
由仿真结果可知，在供冷期，新风经预冷、除湿、换热、冷却后温度平均为
24.3
℃，可完全满足送风需求。在室外温度为
37.8
℃时，流入预冷器的冷水达到最大质量流量
5.7 kg/s
。新风经除湿转轮除湿后平均温度可达
46
℃，且波动比较大，与室内回风在转轮式换热器进行换热后温度维持在
30.5
℃左右，与送风状态点的温差比较小，使表冷器冷水质量流量趋于稳定（约
3.38 kg/s
）。室内空气吸热后被燃气内燃机余热热水加热至
70
℃左右，再生热负荷约
400 kW
。由于供冷期存在相对稳定的再生热负荷，燃气内燃机全年负荷水平更加均匀，有利于延长设备寿命。
常规分供空调系统、复合空调系统的能耗仿真结果见表
4
。在保证两种空调系统提供相同的电量输出前提下，常规分供系统需要从电网购买的电量为
1 148.59 MW
·
h
，供冷量、供热量、电制冷机组平均制冷性能系数均由
Dymola
软件输出。根据模拟结果，由式（
1
）、（
2
）可计算得到常规分供空调系统、复合空调系统的一次能源利用率分别为
75.8%
、
87.9%
。
表
4
常规分供空调系统、复合空调系统的能耗仿真结果
空调系统投资考虑设备购置费、安装费等，年净收益考虑供冷供热（含生活热水）收益、发电收益以及耗市电成本、耗气成本、人工成本等。常规分供空调系统、复合空调系统的投资、年净收益见表
5
。将已知参数代入式（
3
），可计算得到常规分供空调系统、复合空调系统的动态投资回收期分别为
29.9
、
4.7 a
。与常规分供空调系统相比，复合空调系统的动态投资回收期缩短了
84.3%
。
表
5
常规分供空调系统、复合空调系统的投资、年净收益
①对于复合空调系统，由于供冷期存在相对稳定的再生热负荷，燃气内燃机全年负荷水平更加均匀，有利于延长设备寿命。
②常规分供空调系统、复合空调系统的一次能源利用率分别为
75.8%
、
87.9%
。
③与常规分供空调系统相比，复合空调系统的动态投资回收期缩短了
84.3%
。
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