單級(jí)轉(zhuǎn)輪與熱泵復(fù)合系統(tǒng)在不同除濕深度下的應(yīng)用分析

李馨月，成家豪，張春路

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所，上海 201804）

0 引言

轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)領(lǐng)域，且各領(lǐng)域的除濕需求有所差異。例如，舒適性空調(diào)要求的露點(diǎn)溫度范圍約為7～19 ℃[1]；工藝性空調(diào)要求的露點(diǎn)較低，且范圍較大，約為-70～5 ℃[2]。

轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的形式多樣，根據(jù)轉(zhuǎn)輪是否與熱泵結(jié)合，可以分為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)輪與熱泵復(fù)合系統(tǒng)（Heat Pump and Desiccant Wheel，HPDW）。有研究表明HPDW 系統(tǒng)具有較高的節(jié)能潛力和溫濕度控制能力[3-6]。目前，HPDW 系統(tǒng)在舒適性空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍，而在工藝性空調(diào)領(lǐng)域還未推廣應(yīng)用。此外，目前大部分文獻(xiàn)對(duì)HPDW 系統(tǒng)的研究都是基于與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)的比較，缺乏對(duì)不同HPDW 系統(tǒng)的對(duì)比分析。

本文總結(jié)了舒適性空調(diào)領(lǐng)域中采用單級(jí)轉(zhuǎn)輪的HPDW 系統(tǒng)形式，對(duì)四種具有代表性的系統(tǒng)進(jìn)行了相同工況下的仿真研究。在此基礎(chǔ)上，將四種系統(tǒng)推廣至露點(diǎn)更低的工藝空調(diào)領(lǐng)域，由此總結(jié)出HPDW 系統(tǒng)在應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題及發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)綜述

對(duì)文獻(xiàn)中HPDW 系統(tǒng)的總結(jié)見(jiàn)表1。這些系統(tǒng)的相同點(diǎn)在于轉(zhuǎn)輪與熱泵的耦合關(guān)系，即系統(tǒng)利用蒸發(fā)器提供處理側(cè)所需的制冷量或回收冷凝熱用于轉(zhuǎn)輪再生。系統(tǒng)間的區(qū)別則體現(xiàn)在具體形式和運(yùn)行工況上。其中系統(tǒng)形式的差異包括：1）熱泵蒸發(fā)器的位置，例如蒸發(fā)器用于轉(zhuǎn)輪處理側(cè)前表冷或后表冷等；2）再生風(fēng)的來(lái)源；3）輔助熱交換部件的設(shè)置。另一方面從表1 中看出，系統(tǒng)運(yùn)行范圍分布廣泛，進(jìn)風(fēng)露點(diǎn)tp,d,in約為11～26 ℃，送風(fēng)露點(diǎn)tp,d,out約為0～18 ℃，再生溫度treg約為40～128 ℃?；诒?，本文選取了4 種典型的采用單級(jí)轉(zhuǎn)輪的HPDW 系統(tǒng)作為研究對(duì)象，如圖1 所示。

表1 文獻(xiàn)中的單級(jí)轉(zhuǎn)輪與熱泵復(fù)合系統(tǒng)

圖1 采用單級(jí)轉(zhuǎn)輪的HPDW 系統(tǒng)

后冷卻熱回收系統(tǒng)[9]的形式最為基礎(chǔ)，圖1(a)中，處理側(cè)的空氣先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪升溫減濕，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器降溫處理；再生側(cè)的新風(fēng)則經(jīng)過(guò)冷凝器升溫，再進(jìn)入轉(zhuǎn)輪再生。預(yù)冷熱回收系統(tǒng)[16]如圖1(b)所示。該系統(tǒng)采用蒸發(fā)器前表冷的方式，即處理側(cè)的空氣先經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器進(jìn)行降溫除濕，再送入轉(zhuǎn)輪進(jìn)一步除濕；再生側(cè)進(jìn)風(fēng)先經(jīng)過(guò)熱回收冷凝器加熱，再經(jīng)過(guò)輔助電加熱器，最后送入轉(zhuǎn)輪再生。雙蒸發(fā)雙冷凝熱回收系統(tǒng)[13]如圖1(c)所示。該系統(tǒng)有兩個(gè)并聯(lián)的蒸發(fā)器，分別用于前表冷和后表冷。處理側(cè)空氣先經(jīng)過(guò)前表冷蒸發(fā)器降溫除濕，再進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕，最后進(jìn)入熱交換器及后蒸發(fā)器中降溫。再生側(cè)進(jìn)風(fēng)經(jīng)過(guò)熱交換器及再生冷凝器加熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪再生，排風(fēng)經(jīng)過(guò)排熱冷凝器帶走多余冷凝熱。帶室外排熱的雙蒸發(fā)雙冷凝系統(tǒng)[20]如圖1(d)所示。該系統(tǒng)的處理側(cè)蒸發(fā)器的設(shè)置與雙蒸發(fā)雙冷凝熱回收系統(tǒng)一致，而再生側(cè)有所不同。本系統(tǒng)中排熱冷凝器置于室外環(huán)境中，利用室外新風(fēng)排出冷凝熱。

2 系統(tǒng)建模與驗(yàn)證

基于上述四種典型的HPDW 系統(tǒng)，本文基于仿真平臺(tái)GREATLAB[21]搭建部件及系統(tǒng)模型。

2.1 建立模型

1）轉(zhuǎn)輪模型

轉(zhuǎn)輪模型采用效率模型，模型類(lèi)比轉(zhuǎn)輪除濕中的熱質(zhì)傳遞過(guò)程，引入兩個(gè)因子F1和F2，并建立了關(guān)于F1和F2的非線性表達(dá)式，此表達(dá)式也被用于TRNSYS 軟件[22]。

式中，t為不同工況下的溫度，℃；Y為不同工況下的含濕量，g/(kg 干空氣)。

此外，在計(jì)算F1和F2的基礎(chǔ)上，定義了兩個(gè)效率因子ηF1和ηF2用于計(jì)算轉(zhuǎn)輪兩側(cè)出口的因子，再根據(jù)轉(zhuǎn)輪除濕過(guò)程中的能量及質(zhì)量守恒計(jì)算轉(zhuǎn)輪出口側(cè)的溫度及含濕量。

式中，下標(biāo)p 為處理側(cè)，r 為再生側(cè)，in 為入口，out 為出口。

2）壓縮機(jī)模型

式中，W為壓縮機(jī)的實(shí)際功耗，kW；Ws為等熵壓縮功，kW；ηs為等熵效率；mcom為壓縮機(jī)的質(zhì)量流量，kg/h；ηv為容積效率；Vth為理論輸氣量，m3/h；υsuc為吸氣比容，m3/kg。

3）換熱器模型

式中，Q為換熱量，kW；h為焓值，kJ/kg；t為溫度，℃；m為質(zhì)量流量，kg/s；v為比容，m3/kg；下標(biāo)a 為空氣側(cè)，下標(biāo)r 為制冷劑側(cè)。

2.2 模型驗(yàn)證

使用文獻(xiàn)[9,13,16,20,23]中的運(yùn)行工況，對(duì)系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖2 所示，圖中曲線為模型的仿真曲線。圖中橫坐標(biāo)為送風(fēng)的露點(diǎn)溫度，其仿真誤差均在±1.0 ℃以內(nèi)。表明在不同的露點(diǎn)溫度下，該仿真模型均可以很好的預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行特性。

圖2 送風(fēng)露點(diǎn)溫度誤差

圖2 中各點(diǎn)的模型仿真結(jié)果如表2 所示，處理側(cè)出口溫度tp,out及含濕量dp,out的誤差在0.2 ℃以內(nèi)，露點(diǎn)溫度td,p,out的誤差在0.6 ℃以內(nèi)，再生側(cè)出口溫度tr,out的誤差為0.4 ℃。前蒸發(fā)器出口空氣溫度te1及后蒸發(fā)器出口溫度te2的誤差分別在0.6 ℃及0.5 ℃以內(nèi)，再生溫度treg的誤差最大為1.2 ℃。模型具體參數(shù)的仿真誤差均在±1.5 ℃以內(nèi)，驗(yàn)證了本文仿真模型的精度。

表2 仿真模型驗(yàn)證匯總

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 舒適性空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用分析

使用GB/T 14294—2008[24]中規(guī)定的新風(fēng)工況，見(jiàn)表3，對(duì)四種HPDW 系統(tǒng)在舒適性空調(diào)領(lǐng)域的送風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比分析，系統(tǒng)比較中忽略熱交換器對(duì)性能的影響。

表3 運(yùn)行工況參數(shù)

轉(zhuǎn)輪采用某品牌的低溫轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪的直徑為該風(fēng)量下的最大尺寸1 600 mm[25]，為了降低再生溫度，處理側(cè)與再生側(cè)面積比為1:1[26]。轉(zhuǎn)輪模型所需的數(shù)據(jù)使用制造商提供的選型軟件，轉(zhuǎn)輪效率模型使用廠商提供的數(shù)據(jù)的可靠性也得到了證實(shí)[22]。

為了簡(jiǎn)明表示，下文圖表內(nèi)將后冷卻熱回收系統(tǒng)、預(yù)冷熱回收系統(tǒng)、雙蒸發(fā)雙冷凝熱回收系統(tǒng)及帶室外排熱的雙蒸發(fā)雙冷凝系統(tǒng)分別表示為系統(tǒng)(a)～系統(tǒng)(d)。

系統(tǒng)處理側(cè)運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖3，后冷卻熱回收系統(tǒng)從新風(fēng)狀態(tài)A 點(diǎn)先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪除濕，后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器降溫至狀態(tài)點(diǎn)B1。此時(shí)轉(zhuǎn)輪的再生溫度treg已達(dá)到最高70 ℃，送風(fēng)溫度可控制在24 ℃，熱泵回收的多余熱量由冷凝器的旁通風(fēng)帶走。新風(fēng)狀態(tài)A 下所需的除濕量約為7.2 g/s，但由于系統(tǒng)中轉(zhuǎn)輪的除濕量Gd僅有5.28 g/s，僅能將送風(fēng)露點(diǎn)控制在18.4 ℃，超出了轉(zhuǎn)輪的除濕能力范圍。見(jiàn)圖3，當(dāng)新風(fēng)溫度不變，含濕量降低至A'點(diǎn)（35 ℃/25.6 ℃）時(shí)，冷卻熱回收系統(tǒng)的再生溫度已經(jīng)達(dá)到最高，剛好達(dá)到所需的送風(fēng)狀態(tài)。

圖3 舒適性空調(diào)領(lǐng)域下的系統(tǒng)處理側(cè)空氣狀態(tài)變化過(guò)程

預(yù)冷熱回收系統(tǒng)采用蒸發(fā)器先對(duì)新風(fēng)預(yù)冷除濕，預(yù)冷除濕量Ge約2.23 g/s，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪除濕達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)B2，送風(fēng)露點(diǎn)為15 ℃。但經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪后空氣溫度升高，約為45 ℃，超出送風(fēng)溫度要求。要降低系統(tǒng)的送風(fēng)溫度只能增加預(yù)冷量，同時(shí)降低再生溫度。但根據(jù)能量守恒，系統(tǒng)無(wú)法排出多余熱量，因此不能滿足送風(fēng)露點(diǎn)需求，可見(jiàn)余熱排出方式對(duì)HPDW 系統(tǒng)的調(diào)控運(yùn)行尤為重要。

雙蒸發(fā)雙冷凝熱回收系統(tǒng)和帶室外排熱的雙蒸發(fā)雙冷凝系統(tǒng)中均使用了并聯(lián)的蒸發(fā)器及排熱冷凝器，送風(fēng)狀態(tài)均可滿足目標(biāo)值。如表4 所示，其中雙蒸發(fā)雙冷凝熱回收系統(tǒng)中預(yù)冷除濕量的占比為14.2%。與之相比，相同工況下帶室外排熱的雙蒸發(fā)雙冷凝系統(tǒng)的預(yù)冷除濕量可達(dá)17.6%，且再生溫度降低2.2 ℃，系統(tǒng)總功耗W降低6.5%。其中前表冷器制冷量Q1與后表冷器制冷量Q2相當(dāng)，可見(jiàn)預(yù)冷除濕量越大，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的空氣溫度及濕度越低，轉(zhuǎn)輪的再生溫度越低，從而整體能耗降低。

表4 舒適性空調(diào)領(lǐng)域下的系統(tǒng)性能參數(shù)

雙蒸發(fā)雙冷凝熱回收系統(tǒng)采用再生側(cè)排風(fēng)作為冷凝散熱熱源，其溫度較高，為41 ℃。而帶室外排熱的雙蒸發(fā)雙冷凝系統(tǒng)采用溫度更低的室外新風(fēng)排熱，可以將熱泵的冷凝溫度從67.8 ℃降低至64 ℃，如圖4 所示。但該系統(tǒng)需要額外增加室外散熱風(fēng)機(jī)，形式略為復(fù)雜。

圖4 系統(tǒng)熱泵側(cè)循環(huán)比較

3.2 低露點(diǎn)場(chǎng)景下的應(yīng)用分析

在低露點(diǎn)除濕領(lǐng)域，-20 ℃以下的露點(diǎn)溫度采用雙級(jí)轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)，不在本文討論范圍之內(nèi)。而單級(jí)兩區(qū)轉(zhuǎn)輪所能除到的最低露點(diǎn)溫度約-10 ℃[27]，故將復(fù)合除濕系統(tǒng)推廣至此送風(fēng)露點(diǎn)下進(jìn)行分析。

選用了某品牌的3:1 高溫轉(zhuǎn)輪，再生風(fēng)量調(diào)整為新風(fēng)風(fēng)量的1/3。新風(fēng)狀態(tài)及風(fēng)量不變，送風(fēng)目標(biāo)露點(diǎn)為-10 ℃，選型軟件中此風(fēng)量下轉(zhuǎn)輪的最大直徑為1 050 mm。高溫轉(zhuǎn)輪的除濕能力更強(qiáng)，再生溫度可達(dá)100 ℃以上，且處理側(cè)與再生側(cè)的溫差較大，因此將單級(jí)熱泵改為復(fù)疊熱泵系統(tǒng)。系統(tǒng)中低溫級(jí)制冷劑采用R134a，高溫級(jí)制冷劑采用R245fa。高溫級(jí)壓縮機(jī)由于技術(shù)限制采用定頻壓縮機(jī)。

后冷卻熱回收系統(tǒng)中由于使用高溫轉(zhuǎn)輪，除濕量上升，但僅能將露點(diǎn)溫度降至17 ℃，見(jiàn)圖5。轉(zhuǎn)輪的再生溫度并沒(méi)有達(dá)到最高，是因?yàn)楦邷丶?jí)熱泵系統(tǒng)自身的限制（排氣溫度最高不超過(guò)150 ℃）。

圖5 低露點(diǎn)場(chǎng)景下的系統(tǒng)處理側(cè)空氣狀態(tài)變化過(guò)程

預(yù)冷熱回收系統(tǒng)由于含有電輔熱輔助再生，再生溫度可達(dá)到轉(zhuǎn)輪最高限度165 ℃，并且通過(guò)預(yù)冷除濕，送風(fēng)露點(diǎn)與后冷卻熱回收系統(tǒng)相比可降低6.4 ℃，但仍不能達(dá)到所需的露點(diǎn)溫度。

雙蒸發(fā)雙冷凝熱回收系統(tǒng)及帶室外排熱的雙蒸發(fā)雙冷凝系統(tǒng)為了首先保證露點(diǎn)溫度要求，在熱泵系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)將全部制冷量用于預(yù)冷除濕。見(jiàn)圖6，高溫級(jí)冷凝溫度均已達(dá)到最高，此時(shí)雙蒸發(fā)雙冷凝熱回收系統(tǒng)的低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為16.9 ℃，送風(fēng)露點(diǎn)僅達(dá)到8.6 ℃，再降低蒸發(fā)溫度會(huì)導(dǎo)致高溫級(jí)冷凝側(cè)超出壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍。相比，帶室外排熱的雙蒸發(fā)雙冷凝系統(tǒng)采用新風(fēng)排熱，此時(shí)低溫級(jí)的蒸發(fā)溫度更低，預(yù)冷除濕能力更強(qiáng)，可達(dá)到需求的-10 ℃露點(diǎn)溫度。其中熱泵除濕量占比達(dá)到64%，此時(shí)轉(zhuǎn)輪已經(jīng)達(dá)到此風(fēng)量下的最大直徑并且再生溫度達(dá)到120 ℃，只有通過(guò)進(jìn)一步提升熱泵預(yù)冷除濕量才能處理至更低的露點(diǎn)溫度，同時(shí)降低再生溫度，增加轉(zhuǎn)輪選擇的靈活性。

圖6 熱泵側(cè)高溫級(jí)循環(huán)比較

單個(gè)熱泵系統(tǒng)的除濕能力有限，如表5 所示，單個(gè)復(fù)疊熱泵系統(tǒng)能提供37.6 kW 的冷量，僅能滿足系統(tǒng)除濕需求，處理側(cè)的送風(fēng)溫度仍較高為39 ℃。

表5 低露點(diǎn)領(lǐng)域下的系統(tǒng)性能參數(shù)

4 結(jié)論

本文采用基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的仿真分析方法，研究了單級(jí)轉(zhuǎn)輪與熱泵復(fù)合除濕系統(tǒng)的性能，得出如下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)輪的除濕能力受到熱泵技術(shù)的限制；低露點(diǎn)除濕中使用高溫轉(zhuǎn)輪時(shí)，熱泵兩側(cè)的飽和溫升可高達(dá)120 ℃，單級(jí)熱泵系統(tǒng)很難滿足處理側(cè)至再生側(cè)的供熱溫差，可考慮使用復(fù)疊熱泵系統(tǒng)；同時(shí)轉(zhuǎn)輪的再生溫度也受到熱泵冷凝溫度的限制；

2）后冷卻熱回收系統(tǒng)僅依靠轉(zhuǎn)輪除濕，除濕能力較弱，在熱泵對(duì)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷除濕的應(yīng)用中，提升熱泵除濕量，可降低再生溫度及系統(tǒng)能耗，并且提升復(fù)合系統(tǒng)的總除濕量；預(yù)冷熱回收系統(tǒng)無(wú)法在增加預(yù)冷量的同時(shí)降低再生溫度，帶室外排熱的雙蒸發(fā)雙冷凝系統(tǒng)中熱泵的除濕量可從雙蒸發(fā)雙冷凝熱回收系統(tǒng)中所占的14.2%提升至17.6%，使系統(tǒng)功耗降低6.5%；-10 ℃送風(fēng)露點(diǎn)下熱泵除濕量的占比更高，僅有帶室外排熱的雙蒸發(fā)雙冷凝系統(tǒng)滿足此要求，熱泵除濕量占比約為64%；

3）單個(gè)熱泵系統(tǒng)的預(yù)冷除濕能力有限，在低露點(diǎn)除濕中可提供37.6 kW 的冷量，僅能滿足轉(zhuǎn)輪處理側(cè)前的預(yù)冷除濕需求；因此在低露點(diǎn)除濕系統(tǒng)中應(yīng)考慮使用多個(gè)熱泵系統(tǒng)，分級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)輪處理區(qū)兩側(cè)的空氣進(jìn)行除濕冷卻，提升熱泵的制冷能效；

4）總體而言，在低露點(diǎn)除濕領(lǐng)域采用單級(jí)轉(zhuǎn)輪的HPDW 系統(tǒng)應(yīng)用中，高溫?zé)岜玫募夹g(shù)性能、轉(zhuǎn)輪和熱泵的復(fù)合系統(tǒng)形式、復(fù)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及成本是廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在，同時(shí)也是未來(lái)研究和發(fā)展的主導(dǎo)方向。