高 森， 趙兆瑞*， 陳 曦

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

空氣源熱泵裝置可以將空氣中的低品位熱能轉(zhuǎn)換成生活和工作所需要的高品位熱能，并且高效無污染，使用成本低，可以充分利用可再生能源[1-2]。在中國的能源政策和環(huán)境因素下，空間供暖和熱水供應(yīng)方式正逐漸從傳統(tǒng)的小型燃煤鍋爐和散煤燃燒等方式轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵐嵯到y(tǒng)，空氣源熱泵正是其中一種，因此空氣源熱泵在我國受到極大的推廣，尤其在長江流域及華南地區(qū)得到迅速發(fā)展[3-5]。

空氣源熱泵盡管優(yōu)點眾多，但是受環(huán)境的影響較大，尤其是在冬季。在低溫高濕環(huán)境下運行時（－12.8℃≤環(huán)境溫度≤5.8℃，相對濕度≥67%）[6]，空氣源熱泵受環(huán)境的溫度和空氣中的水分影響，其室外換熱器表面容易發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象，逐漸加厚的霜層會使通過室外換熱器的空氣流動減少，降低空氣與換熱器之間的傳熱系數(shù)，致使系統(tǒng)的性能降低和制熱量減小，甚至導(dǎo)致停機。

為解決上述問題，前人進行了兩個方向的研究，傳統(tǒng)的方法就是在室外換熱器結(jié)霜后進行除霜，如電除霜、逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜和超聲波除霜等，但是在結(jié)霜-除霜循環(huán)中，結(jié)霜時間占運行時間的80%以上，并且普遍存在除霜不均勻等現(xiàn)象，這不僅導(dǎo)致系統(tǒng)能耗升高，而且影響室內(nèi)環(huán)境舒適性[7-11]。而近年提出的全無霜熱泵方法，則利用吸附式除濕技術(shù)對空氣進行干預(yù)，降低空氣濕度，防止室外換熱器發(fā)生結(jié)霜。這種全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)得到了越來越多的關(guān)注[12-19]。張毅等[1]著重介紹了全無霜空氣源熱泵整個系統(tǒng)的運行過程，而沈九兵[6]主要對熱泵無霜化的原理進行了介紹。

本文對全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)進行闡述，介紹國內(nèi)外的全無霜空氣源熱泵技術(shù)的研究成果，概述這些系統(tǒng)的原理，尤其是所應(yīng)用的吸附式除濕原理及方法，著重介紹常見的除濕吸附材料和使用裝置，最后對全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)目前仍存在的問題提出看法。

1 全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)

吸附式除濕技術(shù)作為空氣源熱泵實現(xiàn)無霜化的基礎(chǔ)，按照所選用吸附劑的種類不同，吸附除濕可以分為液體吸附式除濕和固體吸附式除濕[20-21]。因此，全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)可以分成液體吸附式全無霜空氣源熱泵和固體吸附式全無霜空氣源熱泵，如表1 是近十年全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)研究的相關(guān)情況。

表1 全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)研究進展

1.1 液體吸附式全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)

液體吸附式除濕技術(shù)因具有更好的濕度控制、送風(fēng)質(zhì)量和儲熱潛力已成為吸附式除濕未來的發(fā)展方向，但由于其腐蝕性和熱容量底等問題，該技術(shù)目前仍面臨一些限制，處在模擬和實驗階段[22-24]。圖1 所示為一種復(fù)合型全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在熱泵基礎(chǔ)上增加溶液除濕和再生的循環(huán)系統(tǒng)，可以降低室內(nèi)的加濕能耗[13]。室外空氣先經(jīng)過LiCl 溶液除濕，再通過蒸發(fā)器，實現(xiàn)熱泵無霜運行。

圖1 一種全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)

熱泵系統(tǒng)可通過液體除濕和壓縮輔助再生形成全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)，如圖2 所示[14]。環(huán)境空氣在進入室外蒸發(fā)器前用液體干燥劑溶液除濕，吸附劑進入再生器后，其中的水分受熱蒸發(fā)形成水蒸汽，再進入真空壓縮機被壓縮成高溫高壓蒸汽，經(jīng)過再生器放熱，使吸附材料受熱再生，形成再生循環(huán)，以防止結(jié)霜?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)還可以與溶液塔與板式換熱器組成循環(huán)實現(xiàn)全無霜，并且能在冬夏兩季運行[15]。

圖2 帶真空壓縮裝置的全無霜空氣源熱泵

1.2 固體吸附式全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)

固體吸附式除濕技術(shù)由于其使用成本低和操作簡單，已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，因此可以對固體吸附式全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)進行實驗[25-27]。

圖3 是一種室外換熱器上涂有固體吸附材料的全無霜空氣源熱泵熱水器[16]。室外換熱器在除濕時作為蒸發(fā)器帶走吸附熱，解吸時作為冷凝器提供解吸熱，減少該過程中的吸附熱和解析熱對熱泵性能的影響。但是該系統(tǒng)在0℃以下時仍會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。

圖3 全無霜空氣源熱泵熱水器

Wang 等[17-19]在上述研究前提下，提出了一種結(jié)合了蓄熱裝置的無霜空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，利用了蓄熱裝置回收冷凝廢熱，在再生模式下作為低溫?zé)嵩词刮絼┰偕?，如圖4 所示。其通過實驗研究表明，該系統(tǒng)能在低溫環(huán)境中使熱泵高效運行。但是該系統(tǒng)使用了蓄熱裝置使系統(tǒng)變得很復(fù)雜，影響系統(tǒng)性能的原因也隨之增加。

圖4 帶蓄熱器的全無霜空氣源熱泵熱水器

1.3 全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)比較

使用固體吸附劑除濕的無霜空氣源熱泵性能較高，將輔助裝置引入空氣源熱泵中，需要考慮耗能，成本等方面問題。如圖5 所示，輔助裝置能提高吸附劑除濕或再生效率，但也會增加系統(tǒng)耗能，降低COP。

圖5 無霜空氣源熱泵隨溫度變化的COP

吸附式除濕技術(shù)可以利用可再生能源或廢熱再生吸附材料從而實現(xiàn)持續(xù)運作，并且降低除濕技術(shù)的成本。葛天舒等[28]搭建了由太陽能驅(qū)動的自冷式除濕系統(tǒng)，該除濕系統(tǒng)在中、高濕度區(qū)有良好的性能。Hua 等[29]研究了將吸附除濕系統(tǒng)與傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷技術(shù)結(jié)合的系統(tǒng)，利用廢熱進行除濕系統(tǒng)再生。全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)中也可利用上述技術(shù)，從而提高系統(tǒng)的性能。

使用固體吸附式除濕的無霜空氣源熱泵具有以下的優(yōu)點：1）固體吸附材料再生耗能較小，可以通過太陽能和工業(yè)廢熱等熱源進行再生，具有節(jié)能的優(yōu)點；2）固體吸附材料無腐蝕性，且不易揮發(fā)；3）固體除濕系統(tǒng)的部件較少，占地面積小，控制簡單，運行費用較低[30-31]。

液體吸附式除濕全無霜空氣源熱泵優(yōu)勢在于：1）可連續(xù)處理大量濕空氣。2）除濕之后進行再生且被處理的空氣參數(shù)相對穩(wěn)定。而劣勢在于除濕過程中除濕溶液容易隨空氣的流動飛濺出去，因其腐蝕性的特點會導(dǎo)致設(shè)備一定程度上的損壞，為了避免或減少這種情況的發(fā)生，液體除濕基本上都設(shè)計為非連續(xù)的[32]。

2 吸附除濕裝置研究進展

除濕裝置是吸附除濕技術(shù)的核心部件，不同的除濕裝置對除濕效果有著重要的影響。許多種液體式吸附除濕系統(tǒng)形式被提出，如填料式、降膜式、超聲霧化式等[33-37]，并且在不同溶液、空氣入口參數(shù)狀態(tài)下對上述各系統(tǒng)的研究。而固體吸附式除濕的除濕裝置可以分為三類：轉(zhuǎn)輪除濕裝置，固定床除濕裝置和除濕換熱器[38-42]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對吸附除濕裝置的研究結(jié)果見表2。

表2 吸附除濕裝置國內(nèi)外研究結(jié)果

2.1 液體吸附式除濕裝置研究

殷勇高等[33]設(shè)計了一種z 型填料，有較高的再生量和再生效率有望取代規(guī)整型填料。Luo 等[34]對單通道除濕機中流動的LiCl 溶液的膜厚進行了研究，發(fā)現(xiàn)了膜厚的密度可以有效地描述流動條件，溶液流速和空氣速度的增加都增強了表面波速度。由于超聲霧化所得溶液液滴具有較好的跟隨性，在除濕過程中，溶液表面飽和空氣層和濕空氣之間的水蒸氣分壓力差驅(qū)動空氣中的水分傳至溶液，所以提高運行壓力對系統(tǒng)除濕速率的增幅明顯[37]?？紤]到成本和除濕效率，液體吸附式全無霜空氣源熱泵一般選用填料式或降膜式除濕裝置對空氣進行預(yù)除濕。

2.2 固體吸附式除濕裝置研究

Tu 等[38]在轉(zhuǎn)輪除濕的基礎(chǔ)上設(shè)計了兩級和四級的除濕機，該裝置能使干燥劑能在40～50℃的低溫區(qū)再生。Yuan 等人在板翅式換熱器的表面上涂覆硅膠形成除濕換熱器（見圖6），這種對填充方式的改進雖然減少了空氣流動通道中的吸附材料填充量，但是可以降低風(fēng)阻，加強空氣流動，從而有效進行除濕[41]。Sun 等[42]將除濕換熱器與常規(guī)換熱器的傳熱傳質(zhì)特性進行比較，實驗結(jié)果表明，與常規(guī)換熱器相比，由于干燥劑涂層產(chǎn)生的熱阻，其傳熱能力降低了30%。在不改變其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，翅片深度增加一倍，平均除濕效率提高40%，COP 提高10%。

圖6 除濕換熱器

使用固體吸附材料的全無霜空氣源熱泵選用干燥劑涂層翅片管換熱器進行除濕，它不同于干燥劑在吸附過程中受吸附熱影響的轉(zhuǎn)輪除濕，也不同于傳統(tǒng)的換熱器，它在吸附時產(chǎn)生的吸附熱由制冷劑的相變潛熱所抵消。干燥劑涂層翅片管換熱器目前具有成熟的實驗和模擬數(shù)據(jù)，獲得了在不同環(huán)境下使用的傳質(zhì)傳熱經(jīng)驗公式，還可以利用逐步伸長法（the method of stepwise elongation）和無量綱參數(shù)識別換熱器的吸附性能[26,30-31]。

3 吸附材料研究

固體吸附式全無霜空氣源熱泵通過在換熱器表面涂固態(tài)吸附材料實現(xiàn)無霜化，所以吸附材料的吸附和再生性能對整個系統(tǒng)有重要影響。該全無霜熱泵系統(tǒng)需要根據(jù)環(huán)境對傳熱系數(shù)小，成本低廉，吸附量大，再生溫度低和不易揮發(fā)的吸附材料進行選擇[43]。

劉林等[44]總結(jié)出硅膠、分子篩和活性炭等常見物理吸附材料性能穩(wěn)定，成本低，使用頻率較多，但吸附量較低，再生溫度也相對較高，其吸附水汽時的會產(chǎn)生液解等問題，造成系統(tǒng)除濕能力下降。而Mohamed發(fā)現(xiàn)二氧化硅的解吸對除濕性能影響較小[45]。

復(fù)合吸附材料不僅吸附量大、吸附/解吸速度快，而且具有良好的穩(wěn)定性，是近年來固體除濕系統(tǒng)研究中應(yīng)用最為廣泛的材料，其主要分為硅膠基復(fù)合干燥劑、分子篩基復(fù)合干燥劑、碳基復(fù)合干燥劑、天然巖石基復(fù)合干燥劑和高分子復(fù)合干燥劑[46]。

鄭旭等[47-49]對Na+和K+改性的聚丙烯酸聚合物、AC/LiCl 和ACF/LiCl 的水蒸氣平衡吸附性能和吸附動力學(xué)特性進行了測試研究，并與硅膠相對比，性能提升明顯。他還把一系列吸附材料，在吸附溫度為20～30℃，相對壓力為0.4～0.7 的環(huán)境下，按平衡吸附量和再生溫度不同進行區(qū)分。

表3 所示為可以低溫解吸的復(fù)合吸附材料的吸濕性能和再生溫度等特性。

表3 復(fù)合吸附材料特性

隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 一些新型材料如MCM-41、SBA-15 分子篩、高分子聚合物等被用作基質(zhì)來制備復(fù)合干燥劑[56-57]，這些新型的復(fù)合固體吸附材料仍然存在不足，但在今后將成為復(fù)合干燥劑研究的熱點。

使用液體吸附材料的全無霜空氣源熱泵在選用吸附材料時，需考慮選用熱泵運行時泵耗較小、溶液的結(jié)晶溫度適宜、比容大、性質(zhì)穩(wěn)定、低揮發(fā)、低腐蝕性、無毒和成本較低的材料，此外還需根據(jù)熱泵使用環(huán)境的溫度對材料進行進一步的篩選[22]。目前使用液體吸附材料的無霜空氣源熱泵的吸附材料見表4[32]。

表4 液體吸附材料介紹

4 總結(jié)與展望

全無霜熱泵系統(tǒng)具有良好應(yīng)用前景，其開發(fā)與研究不斷得到重視，本文針對全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)及吸附除濕方法進行研究論述與分析。根據(jù)所使用吸附劑的不同，可分為分成固體除濕型全無霜熱泵和液體除濕型全無霜熱泵，應(yīng)用于不同環(huán)境與工況的系統(tǒng)中，固體除濕型全無霜空氣源熱泵主要應(yīng)用于熱泵熱水器，而液體除濕技術(shù)可以保證送風(fēng)質(zhì)量，因此，液體除濕型全無霜空氣源熱泵主要用于空調(diào)系統(tǒng)。盡管參考文獻已證明所提出的無霜空氣源熱泵系統(tǒng)的COP 高于常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)的COP，但為提升全無霜空氣源熱泵性能與適用性，仍有幾個問題有待解決：

1）目前，主要由于吸附劑壽命、吸附量和解吸等問題，全無霜空氣源熱泵系統(tǒng)基本上處于理論和實驗研究階段，尚未實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，其經(jīng)濟性、推廣性和長期運行的可靠性將來需要進一步的現(xiàn)場測試。

2）系統(tǒng)對吸附材料的要求較高，可以選用除濕性能強，能夠在低溫高濕環(huán)境下再生，使用壽命長的復(fù)合吸附材料或高分子吸附材料，并且吸附材料的再生方式需要進一步研究。

3）吸附材料與空氣之間的傳熱傳質(zhì)較為復(fù)雜，但耦合除濕技術(shù)在近年來取得了長足的進步，并擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，將來應(yīng)結(jié)合耦合除濕技術(shù)和廢熱回收技術(shù)來進一步改進和推廣這種無霜技術(shù)。進一步優(yōu)化系統(tǒng)可以從以下幾個方面打破：與太陽能耦合、回收室外空氣的熱量以及新型除濕裝置的研發(fā)。