一种基于三通管段的深度除湿空气处理系统及方法

技术领域

本发明属于暖通空调系统技术领域，具体涉及一种基于三通管段的深度除湿空气处理系统及方法。

背景技术

与民用建筑不同，工业建筑涉及众多生产、储存等环节，对空气温湿度有着更为严苛的要求。与保障人体舒适性不同，电池生产、芯片制造、炸药储存等众多工业场景需要的环境空气含湿量显著低于民用建筑场景，众多工艺环节所需环境空气含湿量低于7g/kg干空气。然而常规的空调系统使用单一冷源对空气进行温度与湿度同时调控，在深度除湿场景中会导致以下两方面的劣势：

1、深度除湿后空气温度过低，再热后才能送入室内，而再热环节伴随显著的冷热抵消从而导致能源浪费；

2、单一冷源无法适应室内热负荷与湿负荷的动态比例变化，无法实现高效精确的温湿度参数控制，这将直接影响生产效率与产品质量。

面对上述工业场景的深度除湿需求，亟待提出高效的深度除湿系统，在满足环境温度、湿度、洁净度需求的同时，提高系统能效，降低系统碳排放水平。随着机械化与自动化的普及，众多需求深度除湿的工业场景已经实现了全自动生产，无人值守生产车间无需设置机械新风系统。上述场景下，若增设机械新风供给，尤其是在热带及亚热带气候区，将额外引入多余的热湿负荷，不利于系统的节能低碳运行。针对这类工业场景，采用对回风进行空气处理，再将空气送回室内的空气处理方式更为高效，在满足温度、湿度、洁净度控制的同时，实现系统节能低碳运行。

除湿方法一般包括冷冻除湿方法、转轮除湿方法和溶液除湿方法，与常规的冷冻除湿方法相比，溶液除湿方法的空气处理过程具有空气除湿后无需再热、可以利用低品位能源等方面的优势。近年来，溶液除湿式空气处理装置也得到了较快速的发展、应用与推广，以满足部分工业建筑场景的空气湿度控制需求。采用溶液除湿形式，在常压下可以将送风含湿量最低降至2～3g/kg干空气，能够更好的应对这类工业场合的深度除湿需求，实现节能低碳的热湿环境营造。

溶液除湿应用于上述低湿工业场景、空气与除湿溶液以叉流形式进行热质交换时，溶液除湿装置出口断面的空气存在显著的参数不均匀分布特征，且该不均匀分布特征随着送风含湿量需求的降低而愈发显著。因此，亟待提出适用于上述场景的高效深度除湿空气方法，以改善上述不均匀分布特征，减少该不均匀对应的掺混

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三通管段的深度除湿空气处理系统及方法，解决了溶液深度除湿后空气参数不均匀分布导致系统能效水平难以进一步提升的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于三通管段的深度除湿空气处理系统，包括冷源单元和回风处理单元；

回风处理单元包括空气-空气显热回收器，及依次连接的溶液再生装置、表冷器、溶液除湿装置和净化模块；表冷器与冷源单元连接；

空气-空气显热回收器分为两部分，第一部分连接在溶液再生装置与表冷器之间，另一部分连接在溶液除湿装置与净化模块之间；

溶液除湿装置与空气-空气显热回收器之间设有三通管段；

三通管段的第一端口与溶液除湿装置的出气口连接，第二端口与空气-空气显热回收器的进气口连接，用于将溶液除湿装置空气出口的上部较为干燥的空气部分送入空气-空气显热回收器；第三端口与溶液再生装置的进气口连通，用于将溶液除湿装置空气出口的下部含湿量较高的空气分离后被送至溶液再生装置前，与回风处理单元的入口回风进行混合，用于溶液浓缩再生过程。

进一步，三通管段的第端口与第三端口的断面面积比例为7.5:2.5～9.0:1.0。

进一步，冷源单元包括冷水机组和冷冻水泵，表冷器设有冷却水进口和冷却水出口，冷却水进口与冷冻水泵连接，冷却水出口与冷水机组连接。

进一步，溶液再生装置与溶液除湿装置之间设有循环回路，循环回路包括溶液循环泵、冷凝器、蒸发器和压缩机，溶液循环泵包括设置在溶液再生装置底部的第一循环泵和设置在溶液除湿装置底部的第二循环泵；

冷凝器、蒸发器和压缩机依次连接，形成连接回路；

冷凝器与第一循环泵和溶液再生装置连接，蒸发器与第二循环泵与溶液除湿装置连接。

进一步，冷凝器和蒸发器之间还设有节流阀。

进一步，溶液再生装置与溶液除湿装置之间还设有溶液-溶液热回收器，溶液-溶液热回收器设置在循环回路上，用于调节两股液体的出口温度，实现冷热量回收。

进一步，溶液除湿装置内存储有除湿溶液。

进一步，净化模块采用空气过滤器。

本发明还公开了所述系统的一种基于三通管段的深度除湿空气处理方法，包括以下过程：

回风先与来自溶液除湿装置下部的少量空气进行混合；混合后的空气经过溶液再生装置吸收溶液中的水分，同时实现除湿溶液的浓缩再生；

随后再生出口空气通过空气-空气显热回收器，与溶液除湿出口空气进行间接换热，实现再生出口空气的降温；

降温后的空气经过表冷器，在表冷器中进行换热，实现对空气的降温除湿；

随后降温后的空气经过溶液除湿装置中除湿，除湿后的空气被三通管路分隔成两部分：溶液除湿装置空气出口的下部管段的小部分含湿量较高的空气分离后被送至溶液再生装置前，与回风处理单元的入口回风进行混合，用于溶液浓缩再生过程；

溶液除湿装置空气出口的上部较为干燥的空气部分被分隔至三通管段的第二端口，通过空气-空气显热回收器与溶液再生装置出口空气进行间接换热，实现对送风的再热，满足对送风空气温度的处理要求；

最后经过串级除湿后的空气流经空气过滤器，满足对送风的过滤要求。

进一步，除湿溶液的浓缩再生过程具体为：

溶液再生装置中的循环溶液被冷凝器加热，使得其表面水蒸气分压力提升，溶液自再生装置顶部喷淋而下，在向下流动的过程中，与横向流动的回风直接接触，利用气液间的水蒸气分压力差实现传质，则溶液中的水分蒸发至回风中，实现对溶液的浓缩再生；位于溶液再生装置底部浓缩再生后的部分溶液经由级间流管路运往除湿侧；

溶液除湿装置中的循环溶液被蒸发器降温，以降低其表面水蒸汽分压力，溶液自溶液除湿装置顶部喷淋而下，在向下流动的过程中，与横向流动的气流直接接触，利用气液间的水蒸气分压力差实现传质，则对空气进行除湿；吸湿后的溶液浓度降低，吸湿能力减弱，位于溶液除湿装置底部的部分稀溶液经由级间流管路运往再生侧以实现浓缩再生。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种基于三通管段的深度除湿空气处理系统，包括冷源单元和回风处理单元，回风处理单元包括空气-空气显热回收器及依次连接的溶液再生装置、表冷器、溶液除湿装置和净化模块；在溶液除湿装置后方设计了三通管道，利用三通管段将叉流溶液除湿装置的出口空气分成两股，由于溶液除湿装置中的除湿溶液自上而下流动，流动伴随吸湿过程，除湿能力逐渐减弱，因此溶液除湿装置的出口空气含湿量呈现上低下高的差异化分布特征，三通管段的设置可以将含湿量水平不同的空气分隔开来，有利于将更为干燥的空气部分以送风形式送入室内，有效实现深度除湿需求；同时将位于溶液除湿装置下部的少量出口空气与回风混合，从而降低溶液再生装置入口处的空气含湿量，进而降低溶液再生过程所需的热源温度需求，即降低热泵循环所需冷凝温度，从而提升热泵循环能效水平，提升空调系统整体能效。

利用表冷器和溶液除湿相结合的形式，对回风进行串级除湿，以满足工业场景所需的低湿环境营造需求，利用冷冻除湿与吸湿溶液除湿结合形式实现不同湿度处理区间的湿负荷处理与搬运，充分发挥不同除湿形式在不同湿负荷处理区间的性能优势，能够充分提高系统能效。

在回风处理单元中，采用溶液再生-除湿循环作为湿负荷搬运手段，将湿负荷从低湿区域搬运到高湿区域，再利用冷冻除湿方法处理被搬运后的湿负荷并最终将全部湿负荷以凝水的方式排出；回风与来自溶液除湿装置下部的少量空气混合后流经溶液再生装置，对吸湿溶液进行再生；之后空气流经表冷器，利用冷冻除湿将空气中的水分以凝水形式排出，实现对空气的除湿；而后空气流经溶液除湿装置，完成湿负荷处理，形成串级除湿结构，实现对空气的深度除湿。

在回风处理单元中，设置空气-空气显热回收器，将表冷器前的空气与溶液除湿装置后的空气进行显热交换，一方面将深度除湿后的低温空气加热，使送风温度达到需求的温度水平，另一方面实现对表冷器前空气的预冷，降低表冷器空气处理过程所需冷量，实现高效的空气处理过程。

进一步，冷源单元利用冷水机组产生冷冻水作为表冷模块的冷源；回风处理单元利用溶液除湿与再生装置对湿负荷进行转移，将湿负荷从除湿侧的低湿区域转移到再生侧的高湿区域，实现对湿负荷的搬运；转移湿负荷后，利用表冷器完成除湿任务，将转移后的湿负荷以液相的形式排出系统，实现深度除湿需求，以满足湿度控制需求；回风处理单元利用空气-空气显热回收器实现对空气的显热处理，以满足温度控制需求；根据洁净度需求选取回风处理单元中的净化模块，满足洁净度控制需求。从而共同构建适用于电子生产、药品与化工品制备等工业场景的深度除湿空气处理方法，并实现空气温度、湿度、洁净度独立控制。

进一步，三通管段的第端口与第三端口的断面面积比例为7.5:2.5～9.0:1.0。通过该三通管段的分流，将除湿装置出口的空气分成主流(上部)与辅流(下部)两股。由于叉流除湿装置的出口空气在竖直方向上存在参数差异，空气温度与含湿量自；而下逐渐升高，因此，将三通管段分流出的主流空气用于送分可以提高送风品质，即送出低温干燥的空气。而温湿度较高辅流空气则送回再生装置入口与回风混合，用于降低再生装置入口的空气含湿量，降低再生装置所需再生温度从而降低热泵循环的压缩机能耗。过低的分配比例将导致有效送风量的显著减少，不利于系统能效提升，因此，主流空气流量占比75％以上才能保系统的高能效运行；过低的分配比例将无法发挥三通管段提高送风品质与降低再生入口空气含湿量的效果，因此，辅流空气流量占比10％以上才可以显著发挥三通管段分隔空气带来的节能优势。

进一步，回风处理单元中设置独立的热泵循环系统，利用其蒸发器对进入溶液除湿装置前的吸湿溶液冷却，从而提供溶液除湿过程所需冷量；利用冷凝器对进入溶液再生装置前的吸湿溶液加热，从而提供溶液再生过程所需热量；除湿/再生循环间设置热回收器来回收冷量与热量。

附图说明

图1为一种基于三通管段的深度除湿空气处理方法原理图；

图2为回风处理单元的原理图；

其中，A、冷源单元；B、回风处理单元；R、溶液再生装置；D、溶液除湿装置；

1、冷水机组；2、冷冻水泵；3、溶液-溶液热回收器；4、压缩机；5、冷凝器；6、节流阀；7、蒸发器；8、溶液循环泵；9、空气-空气显热回收器；10、表冷器；11、三通管段；12、空气过滤器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。

如图1所示，示出了溶液除湿和冷冻除湿方法结合的温湿度洁净度独立控制的深度除湿空气处理方法原理图，其中冷源单元A由冷水机组1、冷冻水泵2等组成，如图2所示，回风处理单元B由溶液再生装置R、溶液除湿装置D、溶液-溶液热回收器3、压缩机4、冷凝器5、节流阀6、蒸发器7、溶液循环泵8、空气-空气显热回收器9、表冷器10、三通管段11等组成。

由冷水机组1制备7℃冷冻水，冷冻水经由冷冻水泵2送出后，进入回风处理单元B中。回风处理单元B实现对室内回风的处理，满足温度处理和深度除湿的要求。系统利用冷水机组1提供的7℃冷冻水来承担空调负荷，从而满足热湿处理需求，可以有效构建一种高效的深度除湿空调空气处理方法流程。

回风先与来自溶液除湿装置D下部的少量空气进行混合；混合后的空气经过溶液再生装置R吸收溶液中的水分，实现吸湿溶液的浓缩再生；

再生出口空气通过空气-空气显热回收器9，与溶液除湿出口空气进行间接换热，实现再生出口空气的降温；

降温后的空气经过表冷器10，与冷冻水在表冷器10处进行换热，实现对空气的降温除湿；

随后空气经过溶液除湿装置D被进一步处理，实现进一步除湿，满足湿度的处理要求；针对叉流溶液除湿后空气在垂直方向上存在的含湿量分布不均的现象，空气被三通管段11分隔成两部分：气体三通管11下方管段的小部分含湿量较高的空气分离后被送至溶液再生装置R前，与回风处理单元B入口回风进行混合，用于溶液浓缩再生过程；三通管段11将溶液除湿装置D空气出口的上半部较为干燥的空气部分分隔至空气-空气显热回收器9前，从而降低送风含湿量，降低空气处理成本。经过分隔后的空气经过空气-空气显热回收器9，与溶液再生装置R后的空气进行换热，实现再热，避免深度除湿后空气温度过低，满足对空气温度的处理要求；经过串级除湿后的空气进一步流经空气过滤器12，满足对回风的过滤要求。

回风处理单元B中的溶液除湿-再生循环设置了独立的热泵循环，由压缩机4、冷凝器5、节流阀6、蒸发器7组成，其中蒸发器7用于冷却溶液、满足溶液除湿过程的冷量需求，冷凝器5用来加热溶液、满足溶液再生过程的热量需求。溶液-溶液热回收器3用于在溶液再生装置R溶液与除湿装置D之间循环的溶液流的显热回收，溶液再生装置R与溶液除湿装置D均配有循环泵8以实现溶液循环。经过回风处理单元B处理后的空气作为送风送入室内末端，从而实现对回风的高效串级深度除湿，并满足空气温度、湿度、洁净度独立控制需求。

除湿溶液的浓缩再生过程具体为：

溶液再生装置R中的循环溶液被冷凝器5加热，使得其表面水蒸气分压力提升，溶液自再生装置R顶部喷淋而下，在向下流动的过程中，与横向流动的回风直接接触，利用气液间的水蒸气分压力差实现传质，则溶液中的水分蒸发至回风中，实现对溶液的浓缩再生；位于溶液再生装置R底部浓缩再生后的部分溶液经由级间流管路运往除湿侧；

溶液除湿装置D中的循环溶液被蒸发器7降温，以降低其表面水蒸汽分压力，溶液自溶液除湿装置D顶部喷淋而下，在向下流动的过程中，与横向流动的气流直接接触，利用气液间的水蒸气分压力差实现传质，则对空气进行除湿；吸湿后的溶液浓度降低，吸湿能力减弱，位于溶液除湿装置D底部的部分稀溶液经由级间流管路运往再生侧以实现浓缩再生。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。