双碳背景下热泵在湿度控制技术的应用-Midea&楼宇科技.pdf

1 MBT Midea Building Technology 美的楼宇科技 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 江宇 先行研究中心 美的楼宇科技2 报告内容 CONTANTS 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3 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 1. 技术和市场背景- 双碳战略 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4 显热 显热 潜热 显热 潜热 过冷 显热 潜热 空调能力 建筑负荷 潜热 余湿 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 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） 空调能力 建筑负荷 1. 技术和市场背景- 传统除湿技术5 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 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 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 1. 技术和市场背景- 温湿度独立控制6 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） W*D*H 1150*970*457~ 2010*905*680 1300*691*420~ 1989*902*668 858*661*266~ 2340*2340*1633 1110*832*387~1 110*1214*785 744*1100*470~ 1980*850*665 1170*510*1670~ 1470*720*1870 1790*1400*960~ 2100*1200*1500 1400*700*300~1 700*1100*650 1210*1215*452~ 1340*1550*572 1500*700*248~1 943*1172*542 1107*892*378~2 400*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  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 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 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 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 1. 技术和市场背景- 国内商用新风产品7 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8 8 1. 技术和市场背景- 日本新风产品  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9 报告内容 CONTANTS 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 -双碳背景下提出新产品需求10 近年来，温湿度独立控制空调技术主 要从以 下几方 面展开 固体吸附技术： 溶液吸收技术： 2. 技术发展现状- 总览 低温再生材料 内冷式除湿 无腐蚀除湿剂 MOFs 改性硅胶 高分子聚合物 除湿换热器 离子溶液 无机硅改性溶液 。。。 吸附气味 吸水形变 工艺/冷媒控制 腐蚀/粘度/成本 性能/粘度 选型/成本11 除湿换 热器 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 叉流式 内冷除 湿床 日 本 大金公 司-DESICA12 VRF indoor units SDHP Outdoor Unit VRF indoor units HRV Outdoor Unit Joint SDHP and VRF system Joint HRV and VRF system 2. 技术发展现状- 除湿换热器热泵系统 名称 参数描述 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22 o C ，相对湿度50% 夏季温度26 o C ，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 。13 20 25 30 35 40 45 0.004 0.008 0.012 0.016 0.020 0.024 0.028 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% Humidity Ratio / [kg/kg] Temperature / [ o C] 10% JDVS Outdoor Condition JDVS Indoor Condition JHVS Outdoor Condition JHVS Indoor Condition Summer Comfort Zone JDVS-室内状态26.2 o C,11.0g/kg,52%RH JHVS-室内状态26.0 o C,11.9g/kg,57%RH 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 -5 0 5 10 15 20 25 30 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% Humidity Ratio (kg/kg) Dry Bulb Temperature ( o C) 10% JDVS Indoor Condition JDVS Outdoor Condition JHVS Indoor Condition JHVS Outdoor Condition Winter Comfort Zone JDVS-室内状态20.5 o C,7.9g/kg,53%RH JHVS-室内状态20.2 o C,4.2g/kg,29%RH14 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-MOFs15 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-MOFs16 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 显热 潜热 Te=7 ℃，启停机运行 热湿处理不佳 制冷除湿工况 显热 Te15 ℃，连续运行 热湿精确匹配 潜热 过处理 显热 潜热 常规空调 温湿独立 建筑负荷 显热 潜热 蒸汽加湿能耗高 湿膜加湿易凝露 制热加湿工况 显热 热泵原理驱动无水加湿 回收排风水分 潜热 显热 潜热 常规空调 温湿独立 建筑负荷 = 室内负荷 (+ 新风负荷) 冬季加湿为Bonus 项 2. 技术发展现状- 基于MOFs的 分布式 热泵新 风17 参考某办公建筑模型 0 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 建筑负荷/[kW] 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 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 建筑负荷+ 新风负荷模拟计算 3 种方案空调系统选型 V6+ 新风 V6+HRV V6R 温湿度独立 新风设备 3941.3 3941.3 3933.6 热回收多联机 5795.9 常规多联机 45413.8 37909.3 19851.3 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 全年能耗/[kWh] 系统能耗Breakdown (150.0) (100.0) (50.0) 0.0 50.0 100.0 1 267 533 799 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 建筑负荷/[kW] 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 -40% 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18 报告内容 CONTANTS 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 -交叉学科催生新技术方案19 3. 技术课题和展望-MOFs转轮课题 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20 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% 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 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% 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% 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 风路：双向送回风，回风口 送风口 →Q 风量段：小型~1000CMH 和中型~2000CMH →Q 安装位置：中小型- 设备间/ 吊顶；大型- 屋顶 →Q 除湿方式：转轮除湿技术接受度相对较高 →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 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 有效问卷回收量：427份 3. 技术课题和展望- 分布式热泵新风调研21 干燥/ 溶剂回收 49.8 47% 除湿空调间 31.2 29% 其它 25.3 24% 数据来源： Manufacturingenergyanalysisoflithiumionbatterypackforelectric.ChrisYuan,etc.CIRPAnnals- ManufacturingTechnology66(2017)53–56. 不含 外围动 力设备(kWh/kWh) 动力型锂电池Fab能耗 102 132 159 324 600 0 200 400 600 800 2018 2019 2020 2021 2022 中国锂电池出货量(GWh)  动力、储能电池均迅速增长  新建产能增加更快  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 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 3. 技术课题和展望- 工业领域拓展22 报告内容 CONTANTS 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 -机遇和挑战并存23 1 个方向 — 双碳背景下，温湿度独立控制空调 系统可 以进一 步提高 暖通系 统能效 ，助力 建筑行 业减碳 4. 总结 双碳目标的实现需要各行 业各学 科协同 并进 1 个方案 — 基于MOFs 的除湿转轮技术和 分布式 热泵新 风系统 是一种 具有潜 力的解 决方案 2 个问题 — 最优材料和新风末端方案需要结合MOFs的吸 附机理 和转轮 传热传 质现象 进一步 研究 — 最佳系统方案需要结合建筑行业和 设计院 的现状 1 个机会 低温再生MOFs转轮技术在工业场景中存在 更广阔 的应用 前景24 期待与您共同开创新辉煌 MAKE IT HAPPEN, TOGETHER