轉輪除濕空調系統性能研究

王 濤，胡曉微，胡濤濤

（天津商業大學 機械工程學院，天津300134）

1 引言

除濕轉輪空調系統是將轉輪的除濕性能與常規空調的冷卻功能相結合實現對空氣溫濕度聯合控制的新型空調系統。這種空調系統的優點在于熱濕處理的控制精度較高，可用太陽能、冷凝器廢熱、低壓蒸汽等低品位的熱源滿足轉輪的再生負荷。與此同時，經過硅膠轉輪處理過的空氣具有較好的凈化能力，有助于提高室內空氣品質。固體轉輪除濕因其結構簡單、占地面積小、除濕換熱性能好和易制得低露點空氣等特點而被廣泛應用于生活生產中。這種全新空調系統節能環保，衛生健康，值得研究推廣。

轉輪的再生能耗是轉輪系統運行的主要能耗，目前轉輪的再生能耗主要通過直接加熱、廢熱、太陽能加輔助熱源以及系統回收熱量等。太陽能不穩定，受天氣影響比較大，成本相對比較高。一般都需要輔助熱源才能完成轉輪再生需求。利用廢熱一般受到地域和時間的限制，并且達不到轉輪的再生溫度要求，只能對轉輪再生空氣起到預熱的作用。

在夏季，空調系統的冷凝廢熱直接排到大氣中白白浪費掉了，能不能把這些廢熱收集起來用于加熱轉輪再生風呢？隨著冷凝溫度的升高，蒸發溫度會升高。機組運行的效率也會降低。硅膠轉輪的再生溫度一般需要60℃左右。對于普通制冷劑，冷凝溫度很難到達這個水平。胡曉微［1］等人研究了僅僅依靠冷凝廢熱能否滿足轉輪的再生溫度需要。研究表明當蒸發器環境溫度為（45±0.2℃）時冷凝器進風溫度為（27±0.2℃）時，灌注R142b的空氣源熱泵最高可產生79±2℃的熱風，完全能滿足轉輪的再生溫度要求。本文在此基礎上研究了熱泵機組的綜合效能，利用冷凝廢熱滿足轉輪再生能耗需求的同時，經過蒸發處理后的空氣完全能滿足送風需求。

2 實驗系統介紹

圖1是轉輪除濕空調系統性能測試的原理圖。系統的工作流程包括除濕和再生兩部分。除濕流程是指室外新風（狀態點 W）和室內回風（狀態點N）混合后（狀態點C），通過除濕轉輪進行吸附除濕處理，除濕后處理空氣（狀態點A）的溫度升高，再經熱泵蒸發器處理到送風狀態點O，這一過程被稱為除濕流程；再生流程是指室外新風（狀態點 W）經熱泵冷凝器加熱到要求的再生溫度（狀態點E），再流過除濕轉輪對吸附劑進行再生，再生側出口空氣狀態點為F。

圖1 系統原理

這種轉輪除濕空調系統的優點有：硅膠轉輪在除濕的同時，能有效吸附凈化空氣中的有害物質，比如VOC及微塵病菌等，可極大地改善送風空氣品質［2］，同時再生空氣完全利用室外新風，更有利于轉輪對處理空氣的吸附凈化效果；由于避免了低溫除濕過程，整個空調系統真正實現了干式循環，可徹底解決長期困擾空調系統的霉菌問題；利用除濕轉輪的處理空氣出口溫度較高的特點，在熱泵蒸發端對空調送風進行降溫的同時，利用熱泵冷凝端提高室外空氣的溫度，滿足轉輪再生空氣的溫度和負荷要求，無需額外附加加熱裝置［3］。

2.1 試驗工質的選擇

轉輪的再生溫度一般要60℃以上，普通制冷劑如R22很難在此工況下正常運行。被處理的空氣經過轉輪除濕后溫升10℃左右，要想經過蒸發器后滿足室內送風溫度26℃的要求蒸發溫度應該在20℃左右甚至更低。什么樣的制冷劑才能滿足這樣的要求呢？本試驗選用的制冷劑是北洋4＃［4］，該制冷劑由天津大學張于峰教授研制，符合本試驗工況。

2.2 轉輪熱泵匹配性能研究的實驗工況設計

本實驗比較了在轉輪再生風量一定的情況下不同再生風量時，熱泵機組的性能。在處理工況和再生風量一定的情況下，熱泵機組的性能。處理風濕度變化時，熱泵機組的性能，如表1所示。

表1 實驗工況介紹

3 利用冷凝熱回收的復合除濕空調的熱力學模型

分別以冷凝器和除濕轉輪為控制體，建立熱力學模型，通過再生空氣的參數將兩個模型聯系起來，從而組成復合除濕空調系統的熱力學模型。

3.1 以冷凝器為控制體的熱力學分析

假設室內和新風需要去除的顯熱為Q，等于蒸發器盤管承擔的負荷Qev，則Qev＝Q。

空調系統單位質量工質的制冷量（用于除去顯熱）為qev＝hR1－hR4，所以，制冷劑流量為mr＝

單位質量工質的冷凝放熱量為qcon＝hR2－hR3，則冷凝器的放熱量為Qcon＝mR×qcon，壓縮機耗功Wcom＝mr×（hR2s－hr1）/ηcom.s，如圖2所示。

圖2 蒸汽壓縮制冷循環的IgP－h

對于如圖3所示的冷凝器，根據熱力學第一定律，進出來能量平衡，有以下關系：

圖3 冷凝器的能量平衡和 平衡

而（2）式等號右側的再生項可以如下變化：

所以，綜合（1）、（2）、（3）、（4）、（5）式后，方程變為

冷凝器空氣側的流量為：

若取冷凝器空氣側的平均溫度為進出口溫度的對數平均溫差，則

TReg.m沒有顯示格式的解，需要將（6）與（1）式聯立，可求得TReg2和mReg。

得到了在一定的冷凝器效率下的冷凝器出口的空氣溫度和流量，此空氣將作為除濕轉輪的再生空氣。

3.2 以轉輪為控制體的熱力學模型

當除濕轉輪達到穩態除濕之后，質量守恒方程如下：

對于大多數吸附劑，吸附熱大于水的蒸發熱，也就是意味著實際除濕和再生過程并非等焓過程。目前使用的大多數干燥劑的吸附熱通常比水蒸發潛熱大5%～10%［5］，則過程空氣的溫度和含濕量有以下關系：

以上各式中，dReg3、dS2和TReg3、TS2為未知數，（7）（8）（9）（10）4個方程4個未知數，方程組封閉。聯立以上各式，則可以求得一定的除濕轉輪 損失下，除濕轉輪的除濕量。

4 結果與分析

當轉輪再生風量為270m3/h時，處理分量分別為540m3/h，400m3/h，300m3/h。新風比按20%與回風混合。混合后的溫度為28℃，混合后的濕度為69%，經過轉輪除濕后溫升7℃左右。再生風溫度為36℃，相對濕度46%。經過轉輪冷凝器后，溫度升高到69℃左右，能滿足轉輪的再生負荷（圖4、圖5）。

圖4 不同處理風量時的功耗

圖5 不同處理風量時的性能系數

當轉輪的處理風量為300m3/h，再生風量為270m3/h。新風比按20%混合時，混合后的處理風溫度為28℃、30℃、32℃、34℃。濕度分別為68%、60%、54%、48%。再生風溫度為36℃，經過冷凝器溫度可升高到70℃（圖6、圖7）。

圖6 不同處理風溫度時的功耗

圖7 不同處理風量溫度時的性能系數

當轉輪的處理風量為270m3/h，再生風量為270m3/h。室外空氣溫度為28℃，新風比按20%混合后的處理風溫度為26.4℃，濕度風別為54%、56%、57%、59%。經過轉輪除濕后，經過蒸發器的溫度為19℃。再生風溫度為28℃，經過冷凝器后，溫度可以達到63℃，能夠滿足轉輪的再生需要（圖8、圖9）。

5 結論

圖8 不同處理風濕度時的功耗

圖9 不同處理風量濕度時的性能系數

（1）在不考慮濕負荷的情況下，標準工況36℃時，熱泵提供的制冷制熱量均能滿足送風及再生溫度的要求，熱泵系統能耗較低，滿足轉輪熱泵耦合運行的匹配性要求。

（2）隨室外空氣溫度升高，蒸發器出口風溫升高，當室外空氣溫度高達近40℃時，蒸發器的出口空氣溫度僅高于送風溫度約1℃，基本能滿足送風溫度要求，而相應冷凝器出口風溫升高與再生溫度升高的要求相匹配。

（3）熱泵子系統的性能系數隨室外空氣溫度的升高而降低，處理風量和再生量一定時，壓縮機的功耗隨著處理風濕度的降低而降低。

［1］張于峰，胡曉微，苗哲生，等.高溫熱泵在除濕轉輪空調系統中的性能［J］.化工學報，2009，60（9）：2177～2180.

［2］張 舸.硅膠轉輪的空氣凈化能力研究［D］.天津：天津大學，2007.

［3］張于峰，郝 紅，周過兵，等.轉輪與中高溫熱泵耦合空調系統可行性研究［J］.沈陽建筑大學學報，2008，24（4）：675～678.

［4］董麗萍，張于峰，張彥所，等.北洋2＃制冷劑循環性能試驗研究［J］.低溫與超導，2013（1）.

［5］Dhar P L，Singh S K.Studies on solid desiccant based hybrid airconditioning systems［J］.Applied Thermal Engineering，2001，21：119～134.

［5］Bejan A.Advanced engineering thermodynamics［M］.NewYork：Jone Wiley ＆Sons，1988.