帶有再熱除濕功能的房間空調器的設計研究

陸東銘 盧云

上海三菱電機·上菱空調機電器有限公司 上海 200135

1 引言

中國很多地區雨水充沛，有些地區甚至全年潮濕，例如：華南、華中、西南地區，全年濕度偏高，華東地區春夏，特別是5、6月份的梅雨季節更是悶熱潮濕，十分難熬。還有華北及其他沿海地區也同樣受到濕度過高的困擾。但目前家用空調對于濕度調節方面的關注較少，相關的空調標準也沒有對除濕方面的指標規定和考核，大部分的家用空調廠家都把設計重點放在對溫度的調節上，絕大部分家用空調都只具備簡單的弱制冷除濕功能，不能對濕度進行自由調節。在環境溫度較低的高濕度條件下，這種除濕方式會因為吹出的風太冷而無法使用，無法滿足環境溫度較低時的除濕需求。

在此背景下，本公司研究開發了帶有再熱除濕功能的房間空調器，能在降低濕度的同時，維持溫度基本不變，即使在寬氣候環境溫度下也能使用。本文從理論上闡述了溫度維持不變的除濕的必要性，對比了弱制冷除濕和再熱除濕的工作原理與優缺點，介紹了再熱除濕的制冷回路和控制思路，并給出了實機驗證數據。

2 溫度維持不變的除濕的必要性

體感溫度的影響因子主要有氣溫、風速、空氣濕度、太陽輻射和著裝。其中空氣濕度對體感溫度的影響在特定條件下比較明顯。當環境溫度較高時，濕度增大會影響人體排汗，從而加劇人體對熱的感覺。在低溫條件下，高濕會使人感覺陰冷，從而加劇人的不適感。而高溫低濕的環境，則會使人產生燥熱的不適感。由于男女差異、年齡差異以及運動量的差異，人們的體感溫度也會有差異，怕熱者和怕冷者分別在相對濕度為75%和50%時的體感溫度舒適區間如圖1和圖2所示。

在濕度高的場合，怕熱者和怕冷者感到舒適的溫度區間是不一樣的，如果按照怕熱者的舒適溫度來設定房間溫度的話，怕冷者會感到太冷。在濕度低的場合，即使房間溫度高一些，也會感到舒適。因此存在怕熱者和怕冷者同時感到舒適的區間。由此可見，維持溫度不變、只降低濕度的除濕方式是很有必要的。

3 再熱除濕方式的研究

3.1 弱制冷除濕的工作原理和優缺點

目前市場上的房間空調器一般都帶有除濕功能，但大多采用的是弱制冷除濕方式（又稱作電子除濕方式）。弱制冷除濕的工作原理如圖3所示，將空調的室內熱交換器作為蒸發器，使其溫度降到空氣的露點溫度以下，讓空氣中的水凝結到室內熱交換器上并排出，從而達到除濕的目的。制冷勢必會引起空氣溫度的下降，導致人感到太冷、不舒適，因此為避免溫度下降過多，只能采取開開停停的方式，被稱作弱制冷。

弱制冷除濕的優點是消費電力低，回路構成簡單和價格便宜；缺點是盡管濕度下降了，但溫度也下降了，導致吹出的風偏冷，舒適性差。在環境溫度低時，由于吹出的風太冷而無法使用，無法滿足低環境溫度下的除濕需求。另外由于頻繁開停，除濕量有限，即濕度不容易下降。

3.2 再熱除濕方式的研究

鑒于弱制冷除濕方式在除濕的同時溫度也隨之下降，無法滿足前述的溫度不變只下降濕度的需求。因此我們研究了再熱除濕方式，即可實現溫度基本維持不變的除濕。

3.2.1 再熱除濕方式的工作原理

再熱除濕的工作原理如圖4所示，將室內熱交換器分為兩部分，一部分作為蒸發器，用來制冷以除濕；另一部分作為冷凝器，用來制熱，將冷卻的空氣加熱后送出。這樣能在降低濕度的同時、維持溫度的基本不變，在寬氣候環境溫度下也能使用。

3.2.2 再熱除濕的制冷系統回路

通常的弱制冷除濕的制冷系統回路如圖5所示，我們設計的再熱除濕的制冷系統回路如圖6所示。

如圖6所示，我們在再熱除濕的制冷系統中，在室內熱交換器的回路中間增設了一個節流閥。節流裝置的動作如下：

（1）再熱除濕運轉時

A. 室外的節流裝置不節流，高溫高壓的制冷劑直接流進室內機→室外的節流裝置采用電子膨脹閥，設定為全開。

B. 室內熱交換器的回路中間的節流裝置進行節流，該節流裝置上游的室內熱交換器部分為冷凝器，該節流裝置下游的室內熱交換器部分為蒸發器。

（2）通常的制冷、制熱運轉時，將室內側的節流裝置全開，通過室外的節流裝置進行節流減壓。

再熱除濕的壓焓圖和空氣線圖如圖7、圖8所示。

3.3 再熱除濕的控制思路

通過調整室外風量、壓縮機頻率、室內風量、室內節流量和室外節流量等變量，相關參數在壓焓圖上的變動如圖9所示。為了簡化控制，我們只對影響大的變量進行調節：

（1）室內側節流，室外側不節流；

（2）由于室內風量受用戶的喜好影響，設定權應交給用戶，因此不作為變量調節；

（3）通過調整室外側風量來調整室外冷凝能力，從而間接調整室內側的冷凝能力，以調整顯熱能力和吹出溫度；

（4）通過調整壓縮機的頻率來調整潛熱能力、控制除濕量；

（5）通過設置濕度傳感器，對濕度進行顯示和控制。

3.4 實機研制及對比測試結果

3.4.1 再熱除濕時室內冷凝器部分與蒸發器部分的劃分

圖1 濕度75%的舒適區間

圖2 濕度50%的舒適區間

圖3弱制冷除濕的工作原理

圖4 再熱除濕的工作原理

圖5 弱制冷除濕制冷系統回路

圖6 再熱除濕制冷系統回路

圖7 再熱除濕的壓焓圖

圖9 壓焓圖

我們研制了某1.5匹掛壁機，該機組室內冷凝器部分和蒸發器部分的劃分如圖4所示。節流裝置配置在室內冷凝器部分和蒸發器部分之間。配置時，要注意避免蒸發器上的凝結水下滴到冷凝器上引起水分的再次蒸發。關于節流裝置的位置如何設置最佳，即室內冷凝器部分和蒸發器部分如何配比最佳，今后還需要進行更深入的研究。

表1 弱制冷除濕和再熱除濕下某1.5匹掛壁機的參數

圖8 再熱除濕的空氣線圖

3.4.2 關于除濕量的比較

我們對比測試了某1.5匹掛壁機分別在弱制冷除濕和再熱除濕下的參數，測試結果如表1所示。

從表1可以看出，在同等初始室內工況條件（室溫21.0℃/相對濕度90%）、同等室外工況條件（24.0℃）和同等運轉時間（2Hr）下，弱制冷除濕時室溫下降較多，但相對濕度并沒有下降多少，且吹出溫度低，人會感到太冷。而再熱除濕方式則能維持室溫基本不變，相對濕度得到了有效下降，吹出溫度明顯比弱制冷溫和舒適，除濕量比弱制冷提高了約39%。

3.4.3 關于相對濕度、室溫及耗電量的比較

我們對比測試了某1.5匹掛壁機在弱制冷除濕和再熱除濕下運轉200分鐘左右的相對濕度、室溫及耗電量，測試結果如圖10、圖11所示。兩種運轉模式的試驗工況條件相同，均為：室內房間初始溫度為30℃，初始相對濕度為70%，室外環境溫度為29℃。

如圖10所示，開機時先運行通常的制冷運轉，設定溫度24℃，約10分鐘后房間溫度達到24℃后轉為弱制冷除濕運轉，壓縮機開開停停，整個運轉過程中直至試驗結束（運行187分鐘后），室溫基本能維持在24℃，但相對濕度一直在70%附近波動，沒有下降。累計耗電量約600W?h。

圖10弱制冷除濕模式

圖11 再熱除濕模式

如圖11所示，開機即按再熱除濕模式運轉，設定溫度24℃，設定濕度40%，約運轉20分鐘后，房間溫度達到設定溫度24℃，之后室溫一直維持在24℃左右，約60分鐘后，壓縮機維持低頻運轉，在約140分鐘時，相對濕度達到設定的40%，之后一直維持在該濕度直至停止試驗，在與如圖10所示的弱制冷運轉相同的運轉時長187分鐘時，累計耗電量約850W?h，比弱制冷提高約40%。但是弱制冷運轉時，相對濕度無法降低，無法滿足使用需求，因此再熱除濕時累計耗電量的提高是合理的。

3.5 再熱除濕的優缺點

再熱除濕的優點是在一定程度上可以實現溫度和濕度的自由控制，除濕量大（濕度容易下降），可以實現溫度基本不變的除濕，體感舒適。再熱除濕的缺點是相對弱制冷來說，消費電力略高；回路構成較復雜、價格較高。

4 結論

本文論述了再熱除濕的工作原理、制冷劑回路、壓焓圖、空氣線圖、控制思路、實機驗證和優缺點等諸多方面。結論如下：

（1）通過對室內蒸發器的分割，可同時提供對空氣加熱和除濕的功能。利用增設的室內電子膨脹閥和室外節流裝置配合，實現制冷、制熱和再熱除濕功能。

（2）通過對電子膨脹閥開度、室外換熱量、壓縮機頻率的調整，可以對除濕量和降溫量進行精確的調整，除濕能力遠大于目前使用的弱制冷除濕方式。