(上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所 上海 200240)

目前，熱泵空調(diào)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(dǎo)致系統(tǒng)能效不高，且出風(fēng)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(xué)者提出了復(fù)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(gòu)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(fù)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(diào)循環(huán)。針對該新型除濕熱泵空調(diào)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(guān)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(diào)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)熱泵能源系統(tǒng)基礎(chǔ)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(diào)風(fēng)閥等裝置，如圖1所示。

圖1 新型一體式除濕熱泵空調(diào)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(fēng)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(fēng)被處理為干燥冷風(fēng)送入室內(nèi)。同時，回風(fēng)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(nèi)回風(fēng)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(fēng)溫差，從而提高室內(nèi)送風(fēng)的熱舒適性，這種除濕熱泵空調(diào)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(fù)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(fù)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(fù)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(diào)循環(huán)實驗樣機結(jié)構(gòu)。圖5所示為新型一體式除濕熱泵空調(diào)循環(huán)實驗樣機，系統(tǒng)通過混風(fēng)機構(gòu)③風(fēng)閥的開閉程度調(diào)整新風(fēng)①和回風(fēng)②的混風(fēng)比，通過導(dǎo)風(fēng)機構(gòu)④風(fēng)閥的開閉調(diào)整新風(fēng)和回風(fēng)的走向，配合四通閥⑥切換，在夏季制冷工況下保證新風(fēng)通過蒸發(fā)器⑤，回風(fēng)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(zhuǎn)。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(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of experimental prototype

2 實驗結(jié)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(yīng)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(nèi)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(jié)果分析

為了測試新型一體式除濕熱泵空調(diào)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(fēng)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(nèi)工況即回風(fēng)工況為溫度為25 ℃，含濕量為11.1 g/(kg干空氣)；混風(fēng)比為新風(fēng)65%，回風(fēng)35%；系統(tǒng)蒸發(fā)器冷凝器切換時間為3 min；新風(fēng)風(fēng)量為0.095 kg/s，回風(fēng)風(fēng)量為0.179 kg/s，混風(fēng)后通過蒸發(fā)器風(fēng)量為0.124 kg/s，通過冷凝器風(fēng)量為0.15 kg/s。

通常使用送風(fēng)含濕量da,out(g/(kg干空氣))、單位時間除濕量Wt(g/s)、送風(fēng)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(fēng)含濕量、回風(fēng)含濕量、送風(fēng)含濕量及蒸發(fā)器進風(fēng)含濕量隨時間的變化。測試中新風(fēng)含濕量約為21.9 g/(kg干空氣)，回風(fēng)含濕量約為11.1 g/(kg干空氣)，蒸發(fā)器進風(fēng)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(jié)果表明前半個切換周期中，平均送風(fēng)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(fēng)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(jié)果表明新型循環(huán)具有良好的潛熱負荷處理能力，導(dǎo)致前后半個周期平均送風(fēng)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(dǎo)致兩個除濕換熱器分別作為蒸發(fā)器時送風(fēng)溫度及送風(fēng)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(fēng)溫度、回風(fēng)溫度及送風(fēng)溫度隨時間的變化。新風(fēng)溫度約為35 ℃，回風(fēng)溫度約為25 ℃。

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

測試結(jié)果顯示，在前、后兩個切換周期中，平均送風(fēng)溫度分別為22.5 ℃和23.3 ℃。整個周期中，送風(fēng)溫度均在21～24 ℃，滿足一般空調(diào)對新風(fēng)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(fēng)焓、回風(fēng)焓、送風(fēng)焓以及蒸發(fā)器進風(fēng)焓隨時間的變化。新風(fēng)焓約為96.3 kJ/kg，回風(fēng)焓約為56.7 kJ/kg，蒸發(fā)器進風(fēng)焓約為82.4 kJ/kg。

測試結(jié)果顯示，前、后半個切換周期平均送風(fēng)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(jié)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(diào)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(diào)。與除濕和冷卻過程異時獨立處理的空調(diào)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(guān)鍵運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

為了研究關(guān)鍵運行參數(shù)對新型一體式除濕熱泵空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，本文采用控制變量法，改變新風(fēng)溫度、新風(fēng)含濕量、回風(fēng)溫度、回風(fēng)含濕量4個關(guān)鍵運行參數(shù)，對新型一體式除濕熱泵空調(diào)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(fēng)溫度

為了研究新風(fēng)溫度變化對新型一體式除濕熱泵空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，保持新風(fēng)含濕量為21.4 g/(kg干空氣)，回風(fēng)溫度為25 ℃，回風(fēng)含濕量為11.1 g/(kg干空氣)，調(diào)整新風(fēng)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(fēng)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(fēng)含濕量、回風(fēng)溫度、回風(fēng)含濕量基本保持不變時，新風(fēng)溫度由32.8 ℃增至36.2 ℃。圖12～圖14所示分別為平均送風(fēng)溫度、平均送風(fēng)含濕量及平均除濕量、系統(tǒng)COP隨新風(fēng)溫度的變化。由圖12～圖14可知，隨著新風(fēng)溫度的增加：平均送風(fēng)溫度由21.9 ℃增至23.8 ℃；平均送風(fēng)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(fēng)溫度隨新風(fēng)溫度的變化Fig.12 Average air supply temperature under different fresh air temperature

圖13 平均送風(fēng)含濕量及平均除濕量隨新風(fēng)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(fēng)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(nèi)，新風(fēng)溫度的變化只會影響平均送風(fēng)溫度，對平均送風(fēng)含濕量、平均除濕量及系統(tǒng)COP的影響較小。

2.3.2新風(fēng)含濕量

為了研究新風(fēng)含濕量對新型一體式除濕熱泵空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，保持新風(fēng)溫度為35 ℃，回風(fēng)溫度為25 ℃，回風(fēng)含濕量為11.1 g/(kg干空氣)，調(diào)整新風(fēng)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(fēng)溫度、回風(fēng)溫度、回風(fēng)含濕量基本不變時，新風(fēng)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(fēng)溫度、平均送風(fēng)含濕量及平均除濕量、系統(tǒng)COP隨新風(fēng)含濕量的變化。由圖15～圖17可知，隨著新風(fēng)含濕量的增加：平均送風(fēng)溫度由22.4 ℃增至23.3 ℃，原因是隨著新風(fēng)含濕量的增加，通過除濕蒸發(fā)器的混合風(fēng)含濕量也相應(yīng)提高，導(dǎo)致吸附量和吸附過程釋放出的吸附熱增大，因此平均送風(fēng)溫度增加；平均送風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)含濕量的增加而提升。

表2 新風(fēng)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(fēng)溫度隨新風(fēng)含濕量的變化Fig.15 Average air supply temperature under different fresh air moisture content

圖16 平均送風(fēng)含濕量及平均除濕量隨新風(fēng)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(fēng)含濕量的變化Fig.17 COP under different fresh air moisture content

2.3.3回風(fēng)溫度

為了研究回風(fēng)溫度對新型一體式除濕熱泵空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，保持新風(fēng)溫度為35 ℃，新風(fēng)含濕量為21.4 g/(kg干空氣)，回風(fēng)含濕量為11.1 g/(kg干空氣)，調(diào)整回風(fēng)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(fēng)溫度、新風(fēng)含濕量、回風(fēng)含濕量基本保持不變時，回風(fēng)溫度由23 ℃增至27.4 ℃。圖18～圖20所示分別為平均送風(fēng)溫度、平均送風(fēng)含濕量及平均除濕量、系統(tǒng)COP隨回風(fēng)溫度的變化。由圖18～圖20可知，隨著回風(fēng)溫度的增加：平均送風(fēng)溫度由22 ℃增至24.2 ℃；平均送風(fēng)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(fēng)溫度的增加，系統(tǒng)冷凝溫度升高，排風(fēng)溫度及系統(tǒng)過熱度也增加，導(dǎo)致壓縮機功率增加，因此系統(tǒng)COP降低。

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

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

圖19 平均送風(fēng)含濕量及平均除濕量隨回風(fēng)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(fēng)溫度的變化Fig.20 COP under different return air temperature

2.3.4回風(fēng)含濕量

為了研究回風(fēng)含濕量變化對新型一體式除濕熱泵空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，保持新風(fēng)溫度為35 ℃，新風(fēng)含濕量為21.4 g/(kg干空氣)，回風(fēng)溫度為25 ℃，調(diào)整回風(fēng)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(fēng)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(fēng)溫度、新風(fēng)含濕量、回風(fēng)溫度基本保持不變時，回風(fēng)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(fēng)溫度、平均送風(fēng)含濕量及平均除濕量、系統(tǒng)COP隨回風(fēng)含濕量的變化。由圖21～圖23可知，隨著回風(fēng)含濕量的增加：平均送風(fēng)溫度基本保持23 ℃不變，原因是隨著回風(fēng)含濕量的增加，通過除濕蒸發(fā)器的混合風(fēng)含濕量也增加，導(dǎo)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(fēng)溫度，但是回風(fēng)混風(fēng)比僅為0.35，所以影響遠小于新風(fēng)含濕量，平均送風(fēng)溫度基本保持不變；平均送風(fēng)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(fēng)含濕量的增加而提升，但回風(fēng)混風(fēng)比僅為0.35，影響遠小于新風(fēng)含濕量，因此系統(tǒng)COP僅有小幅度增加。

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

圖22 平均送風(fēng)含濕量及平均除濕量隨回風(fēng)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(fēng)含濕量的變化Fig.23 COP under different return air moisture content

3 結(jié)論

本文測試和分析了新型一體式除濕熱泵空調(diào)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(fēng)溫度、新風(fēng)含濕量、回風(fēng)溫度、回風(fēng)含濕量，分析了4個關(guān)鍵運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。通過分析，得出以下結(jié)論：

1)新型一體式除濕熱泵空調(diào)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(diào)，與除濕過程和冷卻過程異時獨立處理的空調(diào)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(fēng)溫度由32.8 ℃增至36.2 ℃，平均送風(fēng)溫度由21.9 ℃增至23.8 ℃；平均送風(fēng)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(fēng)含濕量由17.9 g/(kg干空氣)增至22.4 g/(kg干空氣)，平均送風(fēng)溫度由22.4 ℃增至23.3 ℃，平均送風(fēng)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(fēng)溫度由23 ℃增至27.4 ℃，平均送風(fēng)溫度由22 ℃增至24.2 ℃；平均送風(fēng)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(fēng)含濕量由11.1 g/(kg干空氣)增至16.1 g/(kg干空氣)，平均送風(fēng)溫度基本保持23 ℃不變；平均送風(fēng)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。