摘要介紹分析了超高層建築中高區的除溼問題，並提出除溼問題的解決方案，通過實際工程對U型相變節能器的應用進行分析。
關鍵詞超高層 高區 除溼 相變節能器 節能
SkyscraperDehumidification Solutions
Summary: This article introduces the skyscraper dehumidification problems and propose solutions for the dehumidification issue. Also got the analysis through practical works on Phase Change Economizer (PCE) applications .
Keywords： Skyscraper, upper floors,dehumidification, Phase Change Economizer (PCE).
0 引言
能源是歷史發展和社會進步的物質基礎，它直接關係到國民經濟的繁榮和人民生活的改善。能源的開發與利用程度是反映人類文明、進步的一個重要標誌。目前，在我國社會總能耗中，建築運行能耗約佔其30%左右，所佔比重很大，而空氣調節能耗則佔建築運行能耗的40~50%。
空氣調節，自其問世以來，一開始主要是著重對溫度進行控制和調節，而對溼度的控制則相對較少，因此除溼能耗也比較少。然而在科學技術迅猛發展的今天，除溼能耗已經佔到空氣調節總能耗的20~40%[1]。空氣中的水蒸氣含量雖然很少，但是由於水的汽化潛熱比較高(如在0.1MPa、100℃時，水的汽化潛熱是2257.2kJ/kg)，所以除溼是一項高能耗的工作。從而空氣除溼能耗也越來越受到人們的普遍關注和高度重視。目前超高層建築越來越多，由於暖通系統問題，導致高區冷凍水溫度偏高，除溼能力大幅下降，因此，開發節能高效型的除溼技術具有極其重要的現實意義。
1 超高層建築中高區除溼存在的問題
目前超高層建築的空調製冷系統一般採用以下方案：地下室設置冷凍機房(或集中換熱機房)，冷凍水（6/13℃）通過豎向管井分別供至建築的低、中、高區。低區冷凍水（6/13℃）由地下室機組直接提供，中區考慮空調系統的承壓問題，在中區避難層設置熱交換機組，地下室提供的冷凍水（6/13℃）送至中區避難層的熱交換機組，經過換熱後冷凍水（7/14℃）供給中區空調末端。高區同樣考慮空調系統的承壓問題，在中區及高區2個避難層分別設置熱交換機組，由地下室機組提供的冷凍水（6/13℃）先後經過兩級板換熱交換後，冷凍水（8/15℃）送至高區空調末端。此時高區的除溼就存在較大問題，由於冷凍水（8/15℃）供水溫度較高，新風機組的除溼能力大幅下降，將導致送風參數無法滿足設計要求，影響功能房間的舒適性，降低品質。如為滿足高區除溼用較低的冷凍水供水溫度，則需冷凍機組相應降低機組冷凍水出水溫度，此措施會導致機組能效大幅下降，不能滿足國家節能標準的要求。為滿足超高層建築中高區的除溼要求，本文提出一種新型解決方案-相變節能技術的應用。
2 相變節能技術的工作原理及特性
典型的相變節能器由管殼、吸液芯以及端蓋組成。它以一封閉的管子作為殼體，在內表面鑲套多孔毛細吸液芯，將管內抽成1.3x(10-1~10-4)Pa的負壓後充以適量的工作液體，然後密封殼體即成相變節能器。相變節能器的一端為蒸發段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據應用需要在兩段之間可布置絕熱段。當相變節能器的一端受熱時，吸液芯中的工質蒸發汽化，蒸汽工質在微小的壓差作用下流向另一端放出熱量後凝結成液體工質，液體工質再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環不已，實現熱量從相變節能器的一端到另一端的傳遞。其工作原理如圖1所示
圖1 相變節能器工作原理示意圖
將多排相變節能器首尾相連，構成一個三維的熱迴路整體。熱量即可從相變節能器的一側傳遞到另一側，也可在同一側不同排管之間進行傳遞。這樣工作液體在相變節能器內部的流動，不僅是靠兩側氣流之間的溫差實現的，而且還由相同氣流中不同管排之間的溫差來實現。相變節能器與傳統的換熱器相比，能夠傳輸兩到三倍的工作液體，傳熱能力更大，而佔用空間更小，空氣阻力更低。相變節能器結構見圖2所示。
圖2 相變節能器結構
相變節能器是依靠其內部工質的相變來進行傳熱的傳熱組件，它具有以下的基本特性:高導熱性、熱流方向的可逆性、無功耗工作、無交叉汙染：
3 U型相變節能器技術在超高層建築中的應用
U型相變節能器由兩個區段所組成。第一區段為空調冷盤管前的部分，第二區段為空調冷盤管後的部分，當熱氣流在U型相變節能器的第一區域經過時，管內的液體蒸發，將熱量傳送到放於空調冷盤管後氣流下端的U型相變節能器第二區域。因為進入蒸發器的空氣中熱量已經被轉移了一部分，空氣通過冷盤管後的溫度就相對更低，導致析溼量增加。過冷的空氣在U型相變節能器的第二區段被加熱成溫度舒適和溼度較低的空氣。需要說明的是，U型相變節能器本身不具備除溼功能，它的作用是加大表冷器冷凝水析出量並減小再熱量，也可以說是安裝了U型相變節能器後，可以用較小的製冷量和再熱量即能達到除溼效果。通常情況下，使用U型相變節能器後，總共可降低30%左右的表冷器的製冷量和再熱裝置的再熱量，也就是說可節約30%左右的能量，同時冷凝水的析出量增加30%（由進風參數和冷盤管參數決定）左右。
圖3 U型相變節能器原理圖
由於U型相變節能器的被動傳熱特點，整個預冷和再熱的過程完全沒有能量的消耗。而其結果是使原空調系統的除溼能力大幅增加，同時得到了免費加熱的健康空氣。在大部分的情形下，這樣的除溼效果可以免除一般除溼需要的附加設備。當輸入新鮮空氣時，U型相變節能器使得進氣的溼度降低，在減低溼負荷以免其成為建築物的負擔方面有巨大的效益。U型相變節能器不只大幅減少溼度，還將新鮮的空氣免費加熱到舒服的溫度。
目前，超高層建築越來越多，由於輸送距離和承壓的問題，超高層建築的冷凍水系統一般分區設置，其中高區冷凍水要通過二次換熱提供，這樣就導致高區的冷凍水溫度偏高，傳統空調系統的除溼能力大幅下降，無法滿足舒適度的要求。此時U型相變節能器在冷凍水溫度偏高的情況下，能大幅提高機組的除溼能力，並保證出風溫度適中，舒適度的要求得到滿足。
4 傳統空調系統除溼和相變節能器除溼對比分析
傳統空調系統為了增大除溼能力，一般加大冷卻盤管的排數，使空氣過冷溫度很低，然後通過再熱得到舒適的空氣，此種形式在冷凍水溫度偏高的情況下除溼能力增加有限，還需能源再熱，並不節能。
U型相變節能器系統在不需加大冷卻盤管和額外再熱能源的情況下，使機組的除溼能力得到較大提高，舒適度得到保證並且非常節能。圖4、圖5分別為兩種系統的h-d圖。
圖4 傳統空調除溼系統h-d圖 圖5 U型相變節能器除溼系統h-d圖
傳統空調系統：室內狀態點A通過冷卻盤管，把空氣冷卻減溼到狀態點B，
其中狀態點A：t1=27℃，Φ1=70%，d1=16.029g/kg ；
狀態點B：t2=13.5℃，Φ2=95%，d2=9.333 g/kg ；
整個過程的除溼量d=d1-d2=16.029-9.333=6.696 g/kg
U型相變節能器系統：室內狀態點A』通過U型相變節能器的第一區段，把空氣預冷到狀態點B』,被預冷的空氣再通過冷卻盤管被冷卻減溼到狀態點C』，最後空氣通過除溼熱泵的第二區段被再熱到狀態點D』，
其中狀態點A』：t1=27℃，Φ1=70%，d1=16.029g/kg ；
狀態點B』：t2=21.9℃，Φ2=95%，d2=16.029g/kg ；
狀態點C』：t3=10℃，Φ3=95%，d3=7.382 g/kg ；
狀態點D』：t4=15.1℃，Φ4=67%，d4=7.382 g/kg ；
整個過程的除溼量：d』=d4-d1=16.029-7.382=8.647 g/kg
除溼量增加： Δd=d』-d=8.647-6.696=1.951 g/kg
通過以上計算分析可以看出：使用U型相變節能器後，整個過程的除溼量增加約30%，除溼能力大幅加強，並且送風溫度適中，溫度和溼度都符合舒適度的要求。
應用形式分為以下兩種：
（1）做成U型結構，固定在表冷器前後，這種形式需要空調機組生產廠家配合預留部分空間，或者在空調箱側板開孔進行接管。如圖6所示
（2）做成直板式結構，這種形式可安裝在送迴風管上，節約空間。如圖7所示
圖6 U型結構示意圖 圖7 直板型結構示意圖
5 U型相變節能器技術在超高層建築中的應用實例
工程簡介: 蘇州工業園區某高層建築項目，總建築面積：136523平方米，地上47層，地下3層，總建築高度222.8米，地上部分1~3層為裙房，功能為營業廳，餐飲等；4層以上為塔樓，功能為辦公。系統形式：本項目採用集中冷站區域供冷/供熱系統，於地下一層設市政區域供冷/供熱機房接駁區域冷凍水/蒸汽及能源計表。區域冷凍水/蒸汽由分水器/分汽缸再接至塔樓及裙樓冷凍水/熱水熱交換器房，作為項目主要空調冷源/熱源。裙房、4~18F部分在地下室設置板換提供冷熱水，19~33F、34~RF部分在地下室和避難層分別設置板換，經過兩次換熱提供冷熱水。
項目33~RF 系統一級板換設置於地下室,冷凍水一次側供回水溫度6/13℃，二次側供回水溫度7/14℃，二級板換設置於33F避難層,冷凍水一次側供回水溫度7/14℃，二次側供回水溫度8/15℃，由於冷凍水供水溫度較高，常規除溼方式難以滿足要求，所以RF採用2臺相變節能式能量回收除溼空調機組，新風通過U型相變節能器進行除溼處理，溫度、溼度全部達到舒適度要求的新風再送入新風管井供給各空調機組。
6 結論
相變節能器技術因其諸多優良特性，非常適用於超高層建築高區空調系統夏季除溼。而且由於相變節能器工作不需要消耗額外的動力，符合國家當前節能減排的精神，部分地區已明確了對於使用高科技節能產品及技術的鼓勵和支持。
相變節能器技術目前在國內還沒有得到普遍應用，在暖通空調中的應用還存在巨大的發展空間，尤其在超高層建築中的應用，能完全解決高區除溼能力低的弊端。希望今後相變節能器技術能得到廣泛應用，增強暖通空調事業乃至整個社會的可持續發展的能力，相變節能器將具有廣闊的發展前景。