双碳背景下热泵在湿度控制技术的应用

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碳中和制冷技术发展论坛 - “ 热泵与碳中和”分论坛 双碳背景下热泵在湿度控制技术的应用 CONTANTS 目录 1. 技术和市场背景 2. 技术发展现状 3. 技术课题和展望 4. 总结 报告内容 CONTANTS 高效空调技术研究是碳中和背景下提高建筑能效的最重要发展趋势。 降低建筑负荷需求→超低能耗建筑的推行 提高暖通系统生产力→进一步提高暖通系统能效 碳中和背景下，多地发布超低能耗 / 近零能耗建筑技术标准，推动建筑行业节能减排。 超低能耗建筑标准下，空调整体负荷下降，但是新风负荷在其中的占比显著提高。 → 可以实现显热和潜热处理的新风机（热回收，带盘管新风机等）对建筑节能尤为 重要 1. 技术和市场背景 - 双碳战 略 3 Case1 ： 蒸发温度根据显热负荷控制（ ~20℃) → 潜热无法得到有效处理，室内潮湿 Case2 （现状）： 蒸发温度根据潜热负荷控制（ ~7℃) → 显热被过度处理，室内较冷 （造成空调频繁启停，能效低下的原因 之一） 传统热泵空调系统通过低蒸发温度下冷凝除湿集中处理显热和潜热负荷 → 室内舒适性无法得到完美解决的同时，制冷循环能效因为蒸发温度限制而无法进一步提 升 潜热 显热 潜热 显热 过冷 1. 技术和市场背景 - 传统除湿技 术 潜热 显热 潜热 显热 建筑负荷 建筑负荷 空调能力 空调能力 余湿 4 固体吸附技术： 学术界致力于通过优化空气循 环提升转轮使用效率。 瓶颈：再生温度高 溶液吸收技术： 溶液除湿技术自 20 年前开始推广，市场端应 用案例有限。 瓶颈：腐蚀 + 送风带液问题 湿度处理子系统：通过固体吸附 / 溶液吸收等原理对空气中的水分 进行处理，从而使得空调系统可以提升蒸发温度专注于温度控制。 → 由于材料技术的限制，传统技术的再生温度多数在 100℃ 以上 温湿度独立控制空调技术伴随着空调技术的发展， 其研究可以追溯到上世纪 1. 技术和市场背景 - 温湿度独立控 制 5 美的 大金中国 格力 海尔 产品类型 小风量新风 大风量新风 全热交换器 全热交换器 风管式新风 大风量新风 大风量全热交 换器 多联式新风机 全热交换器 新风处理机 全热交换器 风量（ CMH ） 1080~6000 1200~6000 200~12000 800~2000 1080-6000 2500~6000 3000~6000 1200~6000 1500~2800 1200~6000 1000~16000 尺寸（ mm ） 1150*970*457~ 1300*691*420~ 858*661*266~ 1110*832*387~1 744*1100*470~ 1170*510*1670~ 1790*1400*960~ 1400*700*300~1 1210*1215*452~ 1500*700*248~1 1107*892*378~2 W*D*H 2010*905*680 1989*902*668 2340*2340*1633 110*1214*785 1980*850*665 1470*720*1870 2100*1200*1500 700*1100*650 1340*1550*572 943*1172*542 400*998*2130 除湿 / 加湿形式 冷凝 / 无 冷凝 / 无 热回收 热回收 冷凝 / 无 冷凝 / 无 热回收 冷凝 / 无 热回收 冷凝 / 无 热回收 新风方式 单向送新风 单向送新风 双向新风 双向新风 单向送新风 单向送新风 单向送新风 单向送新风 双向新风 单向送新风 双向新风 大金日本 松下日本 三菱电机日本 产品类型 无水调湿新风机 风管全热交换器 天花嵌入式 商用新风 小型柜式 商用新风 大型柜式 商用新风 风管全热交换器 天花嵌入式 商用新风 天花嵌入式 商用新风 风管全热交换器 风量（ CMH ） 500~1000 1000~2000 1080-2100 1080~2100 3600-6000 1000 950 1080-2100 1080-2000 尺寸（ mm ） W*D*H 1216*1468*450 1112*1288*387~ 1115*1319*785 630*1100*470~ 1230*1100*470 767*475*2000~ 1187*475*2000 2090*660*1581~ 2380*660*1981 1376*1287*404 1302*1706*398 850*1400*470~1 250*1400*470 808*1277*1004 国内主流厂家新风产品线较为简单，并没有对湿度进行特殊处理功能。 日本新风市场对舒适性较为重视，多数新风处理机标配了加湿功能，在除湿方面，大金推出唯一的 DESICA 无水调湿新风 机 除湿 / 加湿形式 吸附 / 吸附 热回收 冷凝 . 无 冷凝 / 湿膜 冷凝 / 湿膜 热回收 热回收 / 湿膜 冷凝 / 湿膜 热回收 1. 技术和市场背景 - 国内商用新风产 品 新风方式 双向新风 双向新风 单向送新风 单向送新风 单向送新风 双向新风 双向新风 单向送新风 双向送风 主流厂家“ X 恒”系统对比 松下 三菱重工海尔 天加 朗诗等（户式对流） 恒温 多联机 多联机（低温强热） 两管制 多联机 恒洁 纳诺怡（离子） 新风 UVC 杀菌 新风（带冷媒） 新风 恒静 无 无 无 无 恒风 风之翼 3D 面板 AirFlex 菱 动 风 翼 无 无风 恒氧 新风 新风 新风（带冷凝盘管） 新风（带冷凝盘管） 恒湿 新风盘管加湿 / 除湿 恒温除湿风管机 加湿多孔板 湿膜加湿 + 新风除湿 家用 X 恒空调系统 近年来，为提高高端楼盘售价，地产企业联合空调厂家开始推广 X 恒空调系 统 其中可以高效处理显热和潜热负荷的新风机是主要差异点 1. 技术和市场背景 - 国内家用新风产 品 7 日本市场对建筑节能和舒适性的重视，促使更多厂商投入新风调湿市场 中 全热回收结合吸附除湿是采用较多的技术方案 采用热泵技术为系统提供冷热源是共识 技术和市场背景 - 日本新风产 品 1. 8 CONTANTS 目录 1. 技术和市场背景 - 双碳背景下提出新产品需求 2. 技术发展现状 3. 技术课题和展望 4. 总结 报告内容 CONTANTS 选型 / 成本 吸附气味 吸水形变 工艺 / 冷媒控 制 腐蚀 / 粘度 / 成 本 性能 / 粘度 近年来， 温湿度独立控制空调技术主要从以下几方面展开 无腐蚀除湿剂 。 。 。 2. 技术发展现状 - 总 览 离子溶液 无机硅改性溶液 低温再生材料 内冷式除湿 固体吸附技术： 改性硅胶 高分子聚合物 溶液吸收技术： 除湿换热器 MOFs 10 通过第二流体（空气、水、制冷剂） 吸收吸附热，显著 提升除湿效果， 同时降低再生温度 2. 技术发展现状 - 除湿换热 器 日本大金公司 - DESICA 叉流式内冷除湿床 除湿换热器 11 概况 地点 上海 房间尺寸 11.2m×6.4m ；高度 3m 窗户 Low-e 双层玻璃，东朝向玻璃幕墙，高度 2.7m 设备运行时间表 工作日设备运行时间 7:30-17:00 ；节假日关闭 内部热负荷及通风 人员负荷 15 人 照明强度负荷 400W 办公设备负荷 1500 W 设计室内温度 冬季温度 22oC ，相对湿度 50% 夏季温度 26oC ，相对湿度 50% 渗透风量 每小时 0.5 次换气 新风量 30m³/ 人小时 为了研究温湿度独立控制空调系统在舒适性和节能性上 的实际效果，在上海某办公楼内建立两套多联机新风空 调系统的对比验证试验。 Joint SDHP and VRF system Outdoor Unit Joint HRV and VRF system Outdoor Unit VRF indoor units HRV 2. 技术发展现状 - 除湿换热器热泵系 统 名称 参数描述 VRF indoor units SDHP 12 JDVS- 室内状态 26.2oC,11.0g/kg,52%RH JHVS- 室内状态 26.0oC,11.9g/kg,57%RH 0.028 0.024 0.020 0.016 0.012 0.008 0.004 20 25 30 35 40 45 Temperature / [ oC] 13 JDVS- 室内状态 20.5oC,7.9g/kg,53%RH JHVS- 室内状态 20.2oC,4.2g/kg,29%RH 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 -5 0 5 10 15 20 25 30 0.000 Dry Bulb Temperature ( oC) J D V S I n d o o r C on d i t i on Indoor Conditio n ondition Winte r C omfo 夏季： JDVS- 日累计耗电 19.2kWh ； 日平均 COP4.6 ； JHVS- 日累计耗电 22.5kWh ； 日平均 COP3.5 ； JDVS 省电 15% ， COP 提 高 31% 冬季： JDVS- 日累计耗电 19.3kWh ； 日平均 COP4.5 ； JHVS- 日累计耗电 21.1kWh ； 日平均 COP3.1 ； JDVS 省电 8% ， COP 提高 45% 2. 技术发展现状 - 除湿换热器热泵系 统 80% JHVS Indoor Condition Summer Comfort Zone 10% JDVS Outdoor Condition JDVS Indoor Condition JHVS Outdoor Condition Humidity Ratio (kg/kg) Humidity Ratio / [kg/kg] DVS Outdoor Condition 100% 40% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 50% 70% 60% 30% 30% 20% 20% JHVS JHVS rt Zone Outdoor 10% C J MetalOrganicFramework 材料技术： 近年来发展迅猛的金属框架有机物材料技术，可以通过金属原子和有机酸的选择性搭配， 设计出适合不同行业应用的新型材料，是 Nature/Science 期刊的常客，除湿行业也迎 来新的技术契机 2. 技术发展现状 - MOFs 14 15 因为 MOF 材料的可设计性，除湿行业可能迎来技术突破， 最理想的除湿剂需要同时具有两个特征： 特征 1- 饱和吸附量高 → 单位质量水蒸气吸附潜力可提升数倍， 转轮尺寸减小 特征 2-S 型曲线 → 高低吸附量转折点设计，使冷凝温度可实现转轮再生 2. 技术发展现状 - MOFs 通过三管制热回收多联机结合无水调湿新风机 实现显热负荷和潜热负荷独立处理 →冷媒系统蒸发温度提升，并高效利用冷凝废热，实现系统节能同时提升舒适性 2. 技术发展现状 - 基于 MOFs 的分布式热泵新 风 潜热 显热 蒸汽加湿能耗高 湿膜加湿易凝露 热泵原理驱动无水加湿 回收排风水分 冬季加湿为 Bonus 项 潜热 显热 过处理 = 室内负荷 (+ 新风负荷 ) Te=7℃ , 启停机运行 热湿处理不佳 Te 15℃, 连续运行 热湿精确匹配 建筑负荷 潜热 显热 常规空调 潜热 显热 建筑负荷 常规空调 潜热 显热 潜热 显热 制冷除湿工况 制热加湿工况 温湿独立 温湿独立 16 全年负荷 制热 - 显热负荷 制热 - 潜热负荷 制冷 - 显热负荷 制冷 - 潜热负荷 建 筑 负 荷 /[kW] 100.0 50.0 0.0 (50.0) (100.0) (150.0) 系统能耗 Breakdown 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 新风设备 热回收多联机 常规多联机 设计日负荷 建筑显热负荷 建筑潜热负荷 新风显热负荷 新风潜热负荷 建 筑 负 荷 /[kW] 250 200 150 100 50 0 17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 项目 单位 方案 1 方案 2 方案 3 热源 常规多联机 常规多联机 高显热多联机 热回收多联机 新风设备 新风机 全热交换器 新风转轮除湿机 室外机设备 制冷量 18HP 18HP 20HP 24HP 台数 4 4 2 1 新风设备 风量 500CMH 台数 11 相较于新风机搭配常规多联机，基于热回收多联机的温湿度独立控制空调系统可实现节能 40% 2. 技术发展现状 - 基于 MOFs 的分布式热泵新 风 建筑负荷 + 新风负荷模拟计算 3 种方案空调系统选型 参考某办公建筑模型 1065 1331 1597 1863 2129 2395 2661 2927 3193 3459 3725 3991 4257 4523 4789 5055 5321 5587 5853 6119 6385 6651 6917 7183 7449 7715 7981 8247 8513 V6R 温湿度独立 3933.6 5795.9 19851.3 全年能耗 / [kWh] V6+ 新风 3941.3 V6+HRV 3941.3 -40% 267 533 799 45413.8 37909.3 1 CONTANTS 目录 1. 技术和市场背景 2. 技术发展现状 - 交叉学科催生新技术方案 3. 技术课题和展望 4. 总结 报告内容 CONTANTS 现有 MOFs 除湿相关文献主要从以下方面入手： MOFs 的静态特性（曲线形状，稳定性，合成性） MOFs 在转轮除湿系统中的仿真研究 MOFs 在除湿换热器系统中的试验研究 而缺乏 MOFs 转轮的实验性研究 结合转轮中发生的传热传质现象与 MOFs 材料的吸附机理，才能找到最适合的 MOFs 吸湿材 料 3. 技术课题和展望 -MOFs 转轮课 题 19 选项 小计 比例 500CMH 以下 19 4.45% 500-1000CMH 31 7.26% 1000-2000CMH 175 40.98% 2000-5000CMH 332 77.75% 5000-10000CMH 106 24.82% 10000CMH 以上 51 11.94% 选项 小计 比例 普通冷凝除湿 398 93.21% 双蒸发温度 42 9.84% 溶液除湿 36 8.43% 转轮除湿 83 19.44% 其他 7 1.64% 选项 小计 比例 室内：设备间 333 77.99% 室内：吊顶 328 76.81% 室外：室外平台 32 7.49% 室外：屋顶 72 16.86% 其他 3 0.7% 面向全国设计院伙伴展开《商用多联机新风空调系统》问卷调研 →Q 风量段：小型 ~1000CMH 和中型 ~2000CMH →Q 除湿方式：转轮除湿技术接受度相对较高 选项 小计 比例 多送多回 75 17.56% 多送少回 202 47.31% 单向送风 302 70.73% 其他 7 1.64% 3. 技术课题和展望 - 分布式热泵新风调 研 基于热回收多联机的温湿独立控制空调系统， 成本可控，控制高度集成化，维护简单 → 温湿度独立现状： 优势：舒适 / 节能 / 健康 课题：成本高 / 控制困难 / 维护复 杂 →Q 安装位置：中小型 - 设备间 / 吊顶；大型 - 屋顶 →Q 风路：双向送回风，回风口 < 送风 口 有效问卷回收量： 427 份 20 序 原系统 新方案 涂布干燥 / 溶剂回收 电加热 / 锅炉供热、外冷源 冷凝 + 喷淋回收溶剂 除湿热泵一体化干燥、 冷却冷凝 转轮除湿空调 新风转轮除湿机 ( 电加 热 / 锅 炉为再生热源 ) 转轮热泵组合式除湿机 ( 高温热泵再生 ) 工艺供热 正极配料、极片干燥、电 芯烘烤、化成等 40~120°C 供热需求 与涂布干燥热泵排热或 冷冻水为热源的热泵系 统 800 600 400 200 0 中国锂电池出货量 (GWh) l 动力、储能电池均迅速增长 l 新建产能增加更快 324 102 2018 2019 2020 2021 2022 l 2022 年中国锂电池 ( 组装工厂 ) 制造能耗将达到 600 亿千瓦时，涂布烘 干 / 溶剂回收、工艺除湿空调的能耗达到 467 亿千瓦时，且将随着电 池 产量、产能的扩张快速增长 数据来源： Manufac2t ringenergyanalysisoflithium