新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)夏季工況實驗研究

(上海交通大學制冷與低溫研究所 上海 200240)

目前，熱泵空調仍以壓縮式制冷循環(huán)為主。在夏季，系統(tǒng)要達到除濕的目的需要將空氣溫度冷卻至露點溫度以下，因此循環(huán)蒸發(fā)溫度較低(5～7 ℃)，導致系統(tǒng)能效不高，且出風溫度較低，在一些商用建筑場合甚至需要對低溫空氣進行再熱，進一步造成能源的損耗。

為解決這一問題，許多學者提出了復合式除濕熱泵循環(huán)，該系統(tǒng)通常由除濕子系統(tǒng)和壓縮式降溫子系統(tǒng)構成，由于除濕系統(tǒng)承擔了潛熱負荷的處理，壓縮式系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度提升，從而COP提高[1-3]。但此類復合系統(tǒng)通常體積較大，需要附加熱源實現(xiàn)除濕子系統(tǒng)再生。

基于近期除濕換熱器的提出和研究[4-14]，作者所在研究小組提出一種新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)。針對該新型除濕熱泵空調循環(huán)，本文搭建了實驗測試臺，測試系統(tǒng)在典型夏季工況下的主要性能，并研究關鍵運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

1 系統(tǒng)原理及實驗樣機

該新型一體式除濕熱泵空調系統(tǒng)是在傳統(tǒng)熱泵能源系統(tǒng)基礎上進行改進而建立，主要區(qū)別在于用表面涂覆吸附劑的除濕換熱器取代傳統(tǒng)換熱器，將蒸發(fā)溫度提高至約15 ℃。此外系統(tǒng)還包括壓縮機、四通閥、膨脹閥和調風閥等裝置，如圖1所示。

圖1 新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)系統(tǒng)原理Fig.1 System principle of the novel integrated dehumidification heat pump air-conditioning cycle

該系統(tǒng)中使用了兩個表面涂覆了吸附劑的除濕換熱器，并通過四通閥改變制冷劑的流向，使兩個除濕換熱器周期性地交替作為蒸發(fā)器和冷凝器。在夏季制冷除濕工況中，新風通過除濕蒸發(fā)器，在降溫的同時多余的水蒸氣被涂覆在除濕蒸發(fā)器上的吸附劑吸附，新風被處理為干燥冷風送入室內。同時，回風通過冷凝器，冷凝器釋放的冷凝熱對涂覆在其表面的吸附劑進行加熱再生，解吸的水蒸氣被室內回風帶走。由于蒸發(fā)溫度的提高，熱泵系統(tǒng)的能效也將提高，但同時會降低送風溫差，從而提高室內送風的熱舒適性，這種除濕熱泵空調循環(huán)系統(tǒng)無需附加熱源即可持續(xù)實現(xiàn)吸附劑的吸附與再生。

本實驗臺中除濕換熱器所涂覆的吸附劑為硅膠氯化鋰復合固體吸附劑[15-16]，鹽含量為16.2%，動態(tài)吸附曲線如圖2所示，靜態(tài)吸附曲線如圖3所示。

圖2 硅膠氯化鋰復合固體吸附劑動態(tài)吸附曲線Fig.2 Water sorption kinetic curve of silica gel-LiCl

圖3 硅膠氯化鋰復合固體吸附劑靜態(tài)吸附曲線Fig.3 Water sorption isotherms of silica gel-Licl

圖4所示為新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)實驗樣機結構。圖5所示為新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)實驗樣機，系統(tǒng)通過混風機構③風閥的開閉程度調整新風①和回風②的混風比，通過導風機構④風閥的開閉調整新風和回風的走向，配合四通閥⑥切換，在夏季制冷工況下保證新風通過蒸發(fā)器⑤，回風通過冷凝器⑤。實現(xiàn)除濕蒸發(fā)器和除濕冷凝器功能的平穩(wěn)切換，實現(xiàn)吸附劑的再生和系統(tǒng)的連續(xù)運轉。本實驗樣機使用的制冷劑為R410A，制冷劑充注量約為0.6 kg。所有溫濕度傳感器在使用前均通過露點溫度儀校準，溫度精確度為±0.2 ℃，相對濕度校準不確定度為±0.8%。

圖4 實驗樣機結構Fig.4 Structure of experimental prototype

2 實驗結果與討論

2.1 能量平衡驗證

為了確保后文分析的準確性，需要進行能量平衡驗證。在一個循環(huán)中壓縮機的功耗應等于制冷劑散熱量Q1與制冷劑在循環(huán)中獲得熱量Q2的差值。由于本實驗中制冷劑流量難以獲取，故利用空氣焓變估算制冷劑的傳熱量。本文實驗數(shù)據(jù)的能量平衡情況如圖6所示。由圖6可知，所有工況下的實驗數(shù)據(jù)均可在±25%的誤差內達到能量平衡，且大部分實驗數(shù)據(jù)誤差小于10%。

圖6 能量平衡驗證Fig.6 Energy balance verification

2.2 典型夏季制冷工況實驗結果分析

為了測試新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)在典型夏季工況的系統(tǒng)性能，實驗采用的室外工況即新風工況為上海夏季典型工況，溫度為35 ℃，含濕量為21.4 g/(kg干空氣)；室內工況即回風工況為溫度為25 ℃，含濕量為11.1 g/(kg干空氣)；混風比為新風65%，回風35%；系統(tǒng)蒸發(fā)器冷凝器切換時間為3 min；新風風量為0.095 kg/s，回風風量為0.179 kg/s，混風后通過蒸發(fā)器風量為0.124 kg/s，通過冷凝器風量為0.15 kg/s。

通常使用送風含濕量da,out(g/(kg干空氣))、單位時間除濕量Wt(g/s)、送風溫度Tout(℃)、COP等來衡量系統(tǒng)性能。其中除濕量Wt和系統(tǒng)COP的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

2.2.1除濕效果

圖7所示為系統(tǒng)切換周期中，新風含濕量、回風含濕量、送風含濕量及蒸發(fā)器進風含濕量隨時間的變化。測試中新風含濕量約為21.9 g/(kg干空氣)，回風含濕量約為11.1 g/(kg干空氣)，蒸發(fā)器進風含濕量約為18.0 g/(kg干空氣)。

圖7 含濕量隨時間的變化Fig.7 Moisture content changes with time

結果表明前半個切換周期中，平均送風含濕量為10.3 g/(kg干空氣)，除濕量為7.1 g/(kg干空氣)；在后半個切換周期中，平均送風含濕量為9.2 g/(kg干空氣)，除濕量達到8.7 g/(kg干空氣)，整個切換周期除濕量約為7.9 g/(kg干空氣)。結果表明新型循環(huán)具有良好的潛熱負荷處理能力，導致前后半個周期平均送風含濕量和除濕量區(qū)別的主要原因是實驗樣機中兩個除濕換熱器所連制冷劑管路不對稱，且兩個除濕換熱器均為手工涂覆吸附劑，不能保證完全相同。這些原因也導致兩個除濕換熱器分別作為蒸發(fā)器時送風溫度及送風焓的偏差。

2.2.2熱處理能力

圖8所示為實驗系統(tǒng)切換周期中，新風溫度、回風溫度及送風溫度隨時間的變化。新風溫度約為35 ℃，回風溫度約為25 ℃。

圖8 溫度隨時間變化Fig.8 Temperature changes with time

測試結果顯示，在前、后兩個切換周期中，平均送風溫度分別為22.5 ℃和23.3 ℃。整個周期中，送風溫度均在21～24 ℃，滿足一般空調對新風溫度的需求。說明新型循環(huán)具有良好的顯熱負荷處理能力。

圖9 焓隨時間的變化Fig.9 Enthalpy changes with time

圖9所示為實驗系統(tǒng)切換周期中，新風焓、回風焓、送風焓以及蒸發(fā)器進風焓隨時間的變化。新風焓約為96.3 kJ/kg，回風焓約為56.7 kJ/kg，蒸發(fā)器進風焓約為82.4 kJ/kg。

測試結果顯示，前、后半個切換周期平均送風焓分別為52.0 kJ/kg和49.6 kJ/kg，有用功分別為672.4 kJ和750.7 kJ。結果表明新型循環(huán)具有良好的潛熱顯熱負荷處理能力。

2.2.3能耗分析

圖10所示為實驗系統(tǒng)切換周期中，壓縮機功率隨時間的變化。通過計算可得，在前、后半個切換周期壓縮機能耗分別為113.7 kJ和113.6 kJ，整個切換周期壓縮機能耗為227.3 kJ。兩個風機功率之和約為125 W，所以在前、后半個切換周期系統(tǒng)能耗分別為136.2 kJ和136.1 kJ，總能耗為272.3 kJ。

圖10 壓縮機功率隨時間變化Fig.10 The power of compressor changes with time

圖11所示為系統(tǒng)COP隨時間的變化。計算可得，不考慮風機能耗時，前、后半個切換周期COP分別為5.91和6.61，整個切換周期COP為6.26。考慮風機能耗時，前、后半個切換周期系統(tǒng)COP分別為4.94和5.52，整個切換周期系統(tǒng)COP為5.23。

圖11 COP隨時間變化Fig.11 COP changes with time

通過以上分析可知，新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)系統(tǒng)除濕能力強，且能效比遠高于常見的小型家用空調。與除濕和冷卻過程異時獨立處理的空調系統(tǒng)相比，能效比得到很大提高，體積小，無需附加熱源即可持續(xù)實現(xiàn)吸附劑的吸附與再生。

2.3 關鍵運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

為了研究關鍵運行參數(shù)對新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，本文采用控制變量法，改變新風溫度、新風含濕量、回風溫度、回風含濕量4個關鍵運行參數(shù)，對新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)在不同工況下的系統(tǒng)性能進行對比和分析。

2.3.1新風溫度

為了研究新風溫度變化對新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，保持新風含濕量為21.4 g/(kg干空氣)，回風溫度為25 ℃，回風含濕量為11.1 g/(kg干空氣)，調整新風溫度分別為33、34、35、36 ℃工況下進行實驗。但由于溫濕度控制誤差，所得實際工況如表1所示。

表1 新風溫度變化實際工況Tab.1 Air conditions with variable fresh air temprature

對比表1中4個工況下所得實驗數(shù)據(jù)，當新風含濕量、回風溫度、回風含濕量基本保持不變時，新風溫度由32.8 ℃增至36.2 ℃。圖12～圖14所示分別為平均送風溫度、平均送風含濕量及平均除濕量、系統(tǒng)COP隨新風溫度的變化。由圖12～圖14可知，隨著新風溫度的增加：平均送風溫度由21.9 ℃增至23.8 ℃；平均送風含濕量和平均除濕量基本分別保持9.6 g/(kg干空氣)和8.2 g/(kg干空氣)不變；系統(tǒng)COP稍有下降，基本保持5.25不變。

圖12 平均送風溫度隨新風溫度的變化Fig.12 Average air supply temperature under different fresh air temperature

圖13 平均送風含濕量及平均除濕量隨新風溫度的變化Fig.13 Average moisture content of air supply and average dehumidification capacity under different fresh air temperature

圖14 系統(tǒng)COP隨新風溫度的變化Fig.14 COP under different fresh air temperature

由此可見，在一定溫度范圍內，新風溫度的變化只會影響平均送風溫度，對平均送風含濕量、平均除濕量及系統(tǒng)COP的影響較小。

2.3.2新風含濕量

為了研究新風含濕量對新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，保持新風溫度為35 ℃，回風溫度為25 ℃，回風含濕量為11.1 g/(kg干空氣)，調整新風含濕量分別為17.8、19.6、21.4、23.3 g/(kg干空氣)工況下進行實驗。但由于溫濕度控制誤差，所得實際工況如表2所示。

對比在表2中4個工況下所得實驗數(shù)據(jù)，當新風溫度、回風溫度、回風含濕量基本不變時，新風含濕量由17.9 g/(kg干空氣)增至22.4 g/(kg干空氣)。圖15～圖17所示分別為平均送風溫度、平均送風含濕量及平均除濕量、系統(tǒng)COP隨新風含濕量的變化。由圖15～圖17可知，隨著新風含濕量的增加：平均送風溫度由22.4 ℃增至23.3 ℃，原因是隨著新風含濕量的增加，通過除濕蒸發(fā)器的混合風含濕量也相應提高，導致吸附量和吸附過程釋放出的吸附熱增大，因此平均送風溫度增加；平均送風含濕量和平均除濕量均增加，前者由8.5 g/(kg干空氣)增至10.0 g/(kg干空氣)，后者由6.9 g/(kg干空氣)增至8.6 g/(kg干空氣)，因此當新風含濕量增加時，吸附劑的吸附增加量不能完全吸附通過除濕蒸發(fā)器的混合風含濕量的增加量；系統(tǒng)COP由4.6增至5.5，原因是系統(tǒng)潛熱處理能力隨新風含濕量的增加而提升。

表2 新風含濕量變化實際工況Tab.2 Air conditions with variable fresh air moisture content

圖15 平均送風溫度隨新風含濕量的變化Fig.15 Average air supply temperature under different fresh air moisture content

圖16 平均送風含濕量及平均除濕量隨新風含濕量的變化Fig.16 Average moisture content of air supply and average dehumidification capacity under different fresh air moisture content

圖17 系統(tǒng)COP隨新風含濕量的變化Fig.17 COP under different fresh air moisture content

2.3.3回風溫度

為了研究回風溫度對新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，保持新風溫度為35 ℃，新風含濕量為21.4 g/(kg干空氣)，回風含濕量為11.1 g/(kg干空氣)，調整回風溫度分別為23、24、25、27 ℃工況下進行了實驗。但是由于溫濕度控制誤差，所得實際工況如表3所示。

對比表3中4個工況下所得實驗數(shù)據(jù)，當新風溫度、新風含濕量、回風含濕量基本保持不變時，回風溫度由23 ℃增至27.4 ℃。圖18～圖20所示分別為平均送風溫度、平均送風含濕量及平均除濕量、系統(tǒng)COP隨回風溫度的變化。由圖18～圖20可知，隨著回風溫度的增加：平均送風溫度由22 ℃增至24.2 ℃；平均送風含濕量和平均除濕量基本不變，分別為9.8 g/(kg干空氣)和8.2 g/(kg干空氣)；系統(tǒng)COP由5.5將至5，原因是隨著回風溫度的增加，系統(tǒng)冷凝溫度升高，排風溫度及系統(tǒng)過熱度也增加，導致壓縮機功率增加，因此系統(tǒng)COP降低。

表3 回風溫度變化實際工況Tab.3 Air conditions with variable return air temperature

圖18 平均送風溫度隨回風溫度的變化Fig.18 Average air supply temperature under different return air temperature

圖19 平均送風含濕量及平均除濕量隨回風溫度的變化Fig.19 Average moisture content of air supply and average dehumidification capacity under different return air temperature

圖20 系統(tǒng)COP隨回風溫度的變化Fig.20 COP under different return air temperature

2.3.4回風含濕量

為了研究回風含濕量變化對新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，保持新風溫度為35 ℃，新風含濕量為21.4 g/(kg干空氣)，回風溫度為25 ℃，調整回風含濕量分別為11.1、12.5、13.9、15.3 g/(kg干空氣)工況下進行實驗。但由于溫濕度控制誤差，所得實際工況如表4所示。

表4 新風含濕量變化實際工況Tab.4 Air conditions with variable return air moisture content

對比表4中4個工況下所得實驗數(shù)據(jù)，當新風溫度、新風含濕量、回風溫度基本保持不變時，回風含濕量由11.1 g/(kg干空氣)增至16.1 g/(kg干空氣)。圖21～圖23所示分別為平均送風溫度、平均送風含濕量及平均除濕量、系統(tǒng)COP隨回風含濕量的變化。由圖21～圖23可知，隨著回風含濕量的增加：平均送風溫度基本保持23 ℃不變，原因是隨著回風含濕量的增加，通過除濕蒸發(fā)器的混合風含濕量也增加，導致吸附量和吸附過程釋放出的吸附熱增大，提高了平均送風溫度，但是回風混風比僅為0.35，所以影響遠小于新風含濕量，平均送風溫度基本保持不變；平均送風含濕量和平均除濕量均增加，前者由9.7 g/(kg干空氣)增至11.1 g/(kg干空氣)，后者由7.9 g/(kg干空氣)增至8.5 g/(kg干空氣)；系統(tǒng)COP由5.2增至5.4，有小幅度增加，原因是系統(tǒng)潛熱處理能力隨著回風含濕量的增加而提升，但回風混風比僅為0.35，影響遠小于新風含濕量，因此系統(tǒng)COP僅有小幅度增加。

圖21 平均送風溫度隨回風含濕量的變化Fig.21 Average air supply temperature under different return air moisture content

圖22 平均送風含濕量及平均除濕量隨回風含濕量的變化Fig.22 Average moisture content of air supply and average dehumidification capacity under different return air moisture content

圖23 系統(tǒng)COP隨回風含濕量的變化Fig.23 COP under different return air moisture content

3 結論

本文測試和分析了新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)在典型夏季工況下的性能，采用控制變量法分別改變新風溫度、新風含濕量、回風溫度、回風含濕量，分析了4個關鍵運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。通過分析，得出以下結論：

1)新型一體式除濕熱泵空調循環(huán)在典型夏季工況下除濕量達到7.9 g/(kg干空氣)，COP達到5.23，不僅除濕能力強，而且能效比遠高于常見的小型家用空調，與除濕過程和冷卻過程異時獨立處理的空調系統(tǒng)相比，能效比得到很大提高，且體積小，不需附加熱源就可持續(xù)實現(xiàn)吸附劑的吸附與再生。

2)隨著新風溫度由32.8 ℃增至36.2 ℃，平均送風溫度由21.9 ℃增至23.8 ℃；平均送風含濕量和平均除濕量基本分別保持9.6 g/(kg干空氣)和8.2 g/(kg干空氣)不變；系統(tǒng)COP稍有下降，基本保持5.25不變。

3)隨著新風含濕量由17.9 g/(kg干空氣)增至22.4 g/(kg干空氣)，平均送風溫度由22.4 ℃增至23.3 ℃，平均送風含濕量和平均除濕量均增加，前者由8.5 g/(kg干空氣)增至10 g/(kg干空氣)，后者由6.9 g/(kg干空氣)增至8.6 g/(kg干空氣)；系統(tǒng)COP由4.6增至5.5。

4)隨著回風溫度由23 ℃增至27.4 ℃，平均送風溫度由22 ℃增至24.2 ℃；平均送風含濕量和平均除濕量基本保持不變，分別為9.8 g/(kg干空氣)和8.2 g/(kg干空氣)；系統(tǒng)COP由5.5將至5。

5)隨著回風含濕量由11.1 g/(kg干空氣)增至16.1 g/(kg干空氣)，平均送風溫度基本保持23 ℃不變；平均送風含濕量和平均除濕量均增加，前者由9.7 g/(kg干空氣)增至11.1 g/(kg干空氣)，后者由7.9 g/(kg干空氣)增至8.5 g/(kg干空氣)；系統(tǒng)COP由5.2增至5.4，有小幅度增加。