王惠惠，葛天舒，章學來，趙耀

（1-上海海事大學商船學院，上海 201306；2-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

固體除濕空調技術克服了壓縮空氣除濕和冷凍除濕共有的耗電量大的缺點，具有節(jié)約資源、保護環(huán)境、溫濕度獨立控制和可利用低品位熱源的優(yōu)點，是最具有發(fā)展前景的空調技術之一[1-2]。近年來，國內外的研究人員對固體除濕空調技術進行了大量研究。轉輪除濕技術是目前應用最廣泛的固體除濕技術[3]。在轉輪除濕過程中，由于吸附熱的釋放，導致吸附過程中產生溫度升高和除濕效率降低的問題[4-5]。鐘彩霞等[6]和賈晶等[7]研究了將轉輪除濕和冷凝除濕結合的系統(tǒng)。吳亞琴等[8]研究了轉芯中加冷卻區(qū)的新型轉輪。臘棟等[9]研究了兩極式轉輪除濕系統(tǒng)。以上關于轉輪除濕系統(tǒng)的研究雖然能一定程度上解決轉除濕過程中溫度升高的問題，但由于轉輪結構本身傳熱能力較差，無法從根本上實現等溫除濕。GE等[10-11]提出了除濕換熱器（Desiccant Coated Heat Exchanger，DCHE）的概念，將干燥劑材料（如硅膠）涂覆于傳統(tǒng)翅片管式換熱器表面，通過管內通冷熱流體控制干燥劑吸附和再生，由于翅片管式換熱器良好的導熱性能，該裝置可以很好地實現等溫除濕。趙耀等[12-13]建立并優(yōu)化了太陽能驅動的除濕換熱器空調系統(tǒng)。為了彌補除濕換熱器空調系統(tǒng)降溫能力的不足，江宇等[14]和HUA等[15]研究了將除濕換熱器與傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷技術結合的系統(tǒng)。

蒸發(fā)冷卻技術作為零費用冷卻技術，廣泛應用于制冷系統(tǒng)中[16-17]。CONSTANZE等[18-19]提出采用蒸發(fā)冷卻技術為除濕換熱器提供冷源。GE等[20-21]通過數值模擬的方法建立數學模型對該新型系統(tǒng)的性能進行動態(tài)模擬[14-15]，從理論的角度證明了其可行性，并指出該系統(tǒng)熱力性能系數（Coefficient of Performance，COP）可大于 1.0，電力 COP 高達 8.0。

本文在上海夏季工況下，搭建了太陽能驅動的自冷式除濕空調系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”），實驗研究了切換時間、入口空氣含濕量和再生熱水入口溫度對系統(tǒng)除濕性能的影響。

1 系統(tǒng)原理及實驗裝置

圖1所示為太陽能驅動的自冷式除濕空調系統(tǒng)原理。主要包括：兩個涂覆有干燥劑的翅片管式換熱器（除濕換熱器 A（DCHE-A）和除濕換熱器 B（DCHE-B））、蒸發(fā)冷卻器和太陽能集熱器。

圖1 太陽能驅動的自冷式除濕空調系統(tǒng)原理

系統(tǒng)運行過程中除濕換熱器主要包括除濕和再生兩個階段，系統(tǒng)測試時間內平均熱力過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)測試時間內平均熱力過程

待處理空氣（1-2）在風機驅動作用下進入處于除濕階段的DCHE-A空氣側流道，待處理空氣中的水分被換熱器翅片表面的干燥劑涂層吸附。吸附過程中干燥劑材料釋放的吸附熱被管內循環(huán)流動的冷卻水及時帶走，最終達到等溫除濕的理想除濕過程。經處理后的干燥空氣一部分送入空調房間，另一部分送入蒸發(fā)冷卻器（2-3）。干燥空氣在蒸發(fā)冷卻器中與除濕換熱器中流出的冷卻水換熱，期間空氣升溫加濕，而冷卻水溫度降低，溫度降低的冷卻水再由水泵送入除濕換熱器帶走吸附熱。再生風在風機驅動作用下進入 DCHE-B中的空氣側流道（4-5），此時換熱器管內通以太陽能系統(tǒng)產生的熱水，DCHE-B處于再生階段。在除濕階段中接近吸附飽和的干燥劑，被管內熱水加熱再生，由此完成一個周期的除濕和再生過程。

圖3所示為除濕空調系統(tǒng)實驗臺。為了保證系統(tǒng)除濕連續(xù)性，實驗采用兩個除濕換熱器切換工作，通過電磁閥和風閥的切換，保證一組除濕換熱器中的干燥劑除濕的同時另一組除濕換熱器中的干燥劑再生，當半個周期運行結束時，兩個除濕換熱器切換工作模式，即DCHE-A進入再生階段，DCHE-B進入除濕階段。

除濕換熱器、干燥劑及蒸發(fā)冷卻器相關參數如表1所示。

圖3 除濕空調系統(tǒng)實驗臺

表1 除濕換熱器、干燥劑及蒸發(fā)冷卻器相關參數

2 系統(tǒng)測試

實驗中需要測量的變量參數包括：空氣側在除濕換熱器進出口處的溫度、相對濕度、質量流量和冷卻水/再生熱水側的進出口溫度與質量流量。

表2所示為傳感器及測量參數。由于直接測量空氣的質量流量較困難，因此通過多次測量空氣流速取平均值的方法，結合空氣密度和風管管路橫截面積計算得到空氣的質量流量。

表2 傳感器及測量參數

3 性能評價指標

除濕性能評價指標為平均除濕量Dave。

式中：

da,in——處理空氣在除濕換熱器入口狀態(tài)點的含濕量，g/(kg干空氣)；

da,out——處理空氣在除濕換熱器出口狀態(tài)點的含濕量，g/(kg干空氣)；

t——除濕時間，s。

除濕換熱器熱力性能系數COPth是除濕過程中的潛熱制冷量與再生過程中熱水熱量的比值。由于再生過程主要由熱能驅動，因此忽略水泵和風機等的耗電量。

式中：

Ql——處理空氣潛熱制冷量，W；

Qr——再生熱水的熱量，W；

hal,in——處理空氣入口水蒸氣焓值，kJ/kg；

hal,out——處理空氣出口水蒸氣焓值，kJ/kg；

Ma——處理空氣質量流量，kg/s；

Mr——再生熱水的質量流量，kg/s；

cr——再生熱水熱容，kJ/(kg·℃)；

Tr,in——再生熱水在除濕換熱器入口的溫度，℃；

Tr,out——再生熱水在除濕換熱器出口的溫度，℃。

4 性能實驗與分析

系統(tǒng)運行過程中，除濕階段和再生階段的切換時間對干燥劑的吸附及干燥程度的影響較大。在實際應用中，隨著氣候條件的變化和除濕系統(tǒng)應用地點的不同，除濕系統(tǒng)中待處理空氣的入口狀態(tài)以及再生熱水的溫度不停變化，因此研究不同的空氣入口狀態(tài)和不同條件的再生熱水對系統(tǒng)性能的影響十分必要。

系統(tǒng)中待處理空氣、再生熱水和冷卻水的質量流量分別為0.14、0.40和0.33 kg/s，實驗中數據采集時間間隔為1 s，采用控制變量法進行研究。

4.1 切換時間對系統(tǒng)除濕性能的影響

圖4所示為在除濕階段和再生階段的切換時間對系統(tǒng)除濕性能的影響。由圖4可知，當系統(tǒng)的切換時間由4 min增至6 min時，除濕量和COPth分別增加了1.61 g/(kg干空氣)和0.11。原因是隨著切換時間的增加，干燥劑再生更完全，在除濕階段增大了干燥劑與處理空氣之間的水蒸氣分壓力差，進而提高系統(tǒng)的除濕效果。

當切換時間從6 min增加到10 min時，除濕量和COPth隨切換時間的增加而降低，除濕量從9.23 g/(kg干空氣)降至6.86 g/(kg干空氣)，COPth從0.53降至0.43。雖然切換時間的增加使干燥劑再生更完全，隨著除濕階段的進行，干燥劑逐漸接近吸附飽和的狀態(tài)，在除濕的最后階段干燥劑幾乎失去除濕能力，平均除濕量隨著切換時間的增加而降低，從而影響系統(tǒng)除濕性能。從實驗結果可以確定該系統(tǒng)除濕階段和再生階段的最佳切換時間為6 min，因此，設定其他變參數工況下的系統(tǒng)除濕階段和再生階段的切換時間為6 min。

圖4 切換時間對系統(tǒng)除濕性能的影響

4.2 處理空氣入口含濕量對系統(tǒng)除濕性能的影響

圖5所示為處理空氣入口含濕量對系統(tǒng)除濕性能的影響。由圖5可知，除濕量和COPth均隨著處理空氣入口含濕量的增加而增大。當處理空氣入口含濕量從9.5 g/(kg干空氣)增至18.5 g/(kg干空氣)時，除濕量從4.96 g/(kg干空氣)增至11.2 g/(kg干空氣)，COPth約增加0.12。由于空氣水蒸氣分壓力隨著處理空氣入口含濕量的增加而升高，強化了空氣與除濕劑之間的質量傳遞，系統(tǒng)的除濕能力和處理潛熱負荷的能力增強，整個系統(tǒng)的性能大幅度提升。當處理空氣入口含濕量小于10 g/(kg干空氣)時，系統(tǒng)除濕性能削弱，此類系統(tǒng)更適用于中、高濕地區(qū)。

圖5 處理空氣入口含濕量對系統(tǒng)除濕性能的影響

4.3 再生熱水溫度對系統(tǒng)除濕性能的影響

再生熱水的溫度決定干燥劑的再生程度，在空調系統(tǒng)的應用過程中除濕換熱器再生熱水的入口溫度受氣候、地點以及太陽輻射強度等情況的影響而變化。圖6所示為當處理空氣入口條件相同時，再生熱水入口溫度對系統(tǒng)除濕性能的影響。

由圖6可知，除濕量隨著再生溫度的升高而增大。當再生熱水入口溫度從55℃升至70℃時，除濕量從7.25 g/(kg干空氣)增至9.23 g/(kg干空氣)，COPth從0.43增至0.53。原因是在相同的實驗條件下，再生熱水溫度越高，干燥劑再生更完全，即吸附能力更強，系統(tǒng)的除濕性能更好。實驗結果表明，當再生熱水溫度為70℃時，系統(tǒng)性能最佳。此類系統(tǒng)可與太陽能等低品位熱源相結合利用。

圖6 再生熱水入口溫度對系統(tǒng)除濕性能的影響

5 結論

本文研究了太陽能驅動的自冷式除濕空調系統(tǒng)，在上海夏季工況下，實驗研究了除濕階段和再生階段的切換時間、處理空氣入口含濕量和再生熱水入口溫度對系統(tǒng)除濕性能的影響，得到如下結論：

1）和再生階段切換時間的增加先增大后減小，在上海夏季工況下，系統(tǒng)運行的最佳切換時間為6 min；

2）除濕量和 COPth均隨處理空氣入口含濕量的升高而增大，即該除濕換熱器系統(tǒng)在中、高濕地區(qū)性能更好；

3）在上海夏季工況下，該系統(tǒng)的除濕量和COPth隨再生熱水入口溫度的升高而增大，當再生熱水溫度為 70℃時，系統(tǒng)性能最佳。此類系統(tǒng)可與太陽能等低品位熱源相結合利用。