鐘佳伶 劉雄楊 明佳

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

傳統(tǒng)的蒸汽壓縮系統(tǒng)雖然技術(shù)成熟，但在處理潛熱時依賴于低溫，效果并不卓越，且增加不必要的能耗[1-2]。溶液除濕有利于處理潛熱，將二者結(jié)合起來，組成復(fù)合系統(tǒng)可提高節(jié)能效果[3-6]。

現(xiàn)有溶液除濕復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)研究工作尚未成熟，對于系統(tǒng)整體性能的綜合研究較少。通過總結(jié)前人的研究經(jīng)驗，本文提出了一種無霜空氣源熱泵驅(qū)動的溶液除濕溫濕度分控空調(diào)系統(tǒng)（如圖1 所示）。室內(nèi)濕度、溫度分別由溶液除濕系統(tǒng)、室內(nèi)顯熱末端控制。溶液除濕的再生過程利用熱泵系統(tǒng)的冷凝熱作為熱能，在實現(xiàn)建筑節(jié)能的同時避免對室外環(huán)境的熱污染。在冬季工況運行時，使用溶液除濕系統(tǒng)對進(jìn)入室外換熱器的空氣進(jìn)行除濕處理，使其露點溫度低于翅片表面溫度，避免換熱器結(jié)霜。

圖1 無霜空氣源熱泵驅(qū)動的溶液除濕溫濕度分控空調(diào)系統(tǒng)

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 夏季工況

夏季工況運行時，溶液處理器A 作為除濕器，溶液處理器B 作為再生器。溶液加熱器與室外換熱器均作為熱泵的冷凝器。制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)出口端排出后，經(jīng)四通閥、單向閥1 進(jìn)入溶液加熱器，放出部分冷凝熱后，經(jīng)電磁閥 1 進(jìn)入室外換熱器，冷凝放出剩余熱量，然后通過單向閥5 進(jìn)入節(jié)流閥絕熱節(jié)流，節(jié)流后進(jìn)入冷水換熱器，在室外換熱器內(nèi)吸熱蒸發(fā)后，從四通閥流出，進(jìn)入壓縮機(jī)吸入口，進(jìn)入下一個循環(huán)。

室外新風(fēng)經(jīng)除濕器除濕滿足送風(fēng)含濕量要求后送入室內(nèi)，處理室內(nèi)潛熱。室內(nèi)顯熱末端與冷凍水進(jìn)行換熱，處理室內(nèi)顯熱。

經(jīng)儲液器 2 混合后的稀溶液，通過溶液泵 1 加壓后分為兩路，一路進(jìn)入溶液換熱器，冷卻降溫后，進(jìn)入溶液處理器A 中與新風(fēng)進(jìn)行熱濕交換。另一路進(jìn)入溶液熱交換器，與溶液泵2 加壓后的高溫濃溶液進(jìn)行熱交換，再進(jìn)入儲液器3，與經(jīng)再生器再生后的濃溶液混合，混合后的溶液經(jīng)溶液泵2 加壓，加壓后的濃溶液也被分為兩路。一路通過電動三通閥進(jìn)入溶液加熱器，與高溫高壓制冷劑蒸汽進(jìn)行熱交換，被加熱后的溶液經(jīng)電動三通閥3 進(jìn)入溶液處理器B，與再生空氣進(jìn)行熱濕交換被再生。另一路進(jìn)入溶液熱交換器，經(jīng)電動三通閥2 進(jìn)入儲液器2，與溶液處理器 A 除濕后的溶液混合，進(jìn)入下一個循環(huán)。

1.2 冬季工況

冬季運行時，切換四通閥轉(zhuǎn)向，溶液處理器 A 作為加濕器，溶液處理器 B 為除濕器。冷熱水換熱器作為熱泵的冷凝器，生產(chǎn)熱水，溶液加熱器依舊作為熱泵冷凝器，加熱溶液，室外換熱器作為熱泵的蒸發(fā)器。室外換熱器處理的空氣，先經(jīng)溶液處理器 B 除濕，降低其露點溫度使之低于翅片表面溫度，再進(jìn)入室外換熱器與低溫氣液兩相混合制冷劑進(jìn)行熱交換。

經(jīng)儲液器3 混合后的稀溶液，通過溶液泵2 加壓后分為兩路，一路經(jīng)電動三通閥4 進(jìn)入溶液處理器B，與室外空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)交換，溫度、濃度降低。另一路進(jìn)入溶液熱交換器，經(jīng)電動三通閥 2 進(jìn)入溶液加熱器，被加熱后的溶液經(jīng)電動三通閥3 進(jìn)入儲液器 2，與溶液處理器A 再生后的濃溶液混合，混合后的溶液經(jīng)溶液泵1 加壓，加壓后的濃溶液一路進(jìn)入溶液換熱器，與高溫?zé)崴M(jìn)行熱交換，被加熱后進(jìn)入溶液處理器A中，與室外新風(fēng)進(jìn)行熱濕交換被再生。另一路溶液進(jìn)入溶液熱交換器，進(jìn)入儲液器3，進(jìn)入下一個循環(huán)。

高溫高壓制冷劑蒸汽從壓縮機(jī)出口端排出后，經(jīng)四通閥，進(jìn)入熱水換熱器，在熱水換熱器中放出大部分冷凝熱后，經(jīng)單向閥2 進(jìn)入溶液加熱器，冷凝放出剩余熱量后，通過電磁閥2 進(jìn)入節(jié)流閥絕熱節(jié)流，節(jié)流后的制冷劑進(jìn)入室外換熱器，在室外換熱器內(nèi)吸熱蒸發(fā)后，回到壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個循環(huán)。

2 計算模型及性能評價指標(biāo)

2.1 計算模型

除濕/再生器采用填料結(jié)構(gòu)，空氣與溶液間的流型為逆流，由溶液與空氣質(zhì)量與能量守恒關(guān)系式，氣液界面上的傳熱傳質(zhì)守恒過程，建立微分?jǐn)?shù)學(xué)模型[7]。

除濕系統(tǒng)的除濕劑為LiCl 溶液，其物性參數(shù)的計算采用 Manuel R.Conde[8]提出的經(jīng)驗公式。制冷劑為R410A，通過REFPROP9.0 調(diào)用其物性參數(shù)。

壓縮機(jī)的機(jī)械效率取0.9，指示效率取0.8。溶液熱交換器效率取0.8。風(fēng)機(jī)與泵的效率取0.6。

2.2 性能評價指標(biāo)

1）夏季系統(tǒng)總循環(huán)性能系數(shù)COP

式中：Qc1為除濕系統(tǒng)制冷量，kW；Qc2為室內(nèi)顯熱末端制冷量，kW；W com為壓縮機(jī)耗功，kW；W f為風(fēng)機(jī)軸功，kW；W w為循環(huán)水泵軸功，kW；W s為溶液泵軸功，kW。

2）冬季熱泵循環(huán)性能系數(shù)HCOP

式中：Qk1為熱水換熱器制熱量，kW；Qk2為溶液加熱器制熱量，kW。

3）冬季系統(tǒng)總循環(huán)性能系數(shù)COPd

式中：Qr1為加濕系統(tǒng)制熱量，kW；Qr2為室內(nèi)顯熱末端制熱量，kW 。

3 夏季工況系統(tǒng)性能分析與比較

在本文系統(tǒng)的計算中，室內(nèi)外設(shè)計空氣參數(shù)均以西安地區(qū)為例。室外干球溫度 35 ℃，含濕量17.52 g/kg。室內(nèi)干球溫度為 26 ℃，相對濕度為 50%。系統(tǒng)設(shè)計室內(nèi)顯熱負(fù)荷為8 kW，濕負(fù)荷為0.8 g/s。

3.1 除濕器溶液進(jìn)口濃度對系統(tǒng)性能的影響

溶液濃度的大小對溶液再生溫度影響較大，考慮到再生溫度對冷凝溫度的影響，本文研究選用濃度低于常規(guī)區(qū)間的低濃度溶液。

圖2 所示為除濕器溶液進(jìn)口濃度為 25%、26%、28%、30%、32%時，COP 隨室外空氣含濕量的變化。從圖中可看出，當(dāng)室外空氣含濕量一定時，溶液濃度由32%減小到 25%，COP 值不斷增大，增大幅度為 12%～40%。其主要原因是：在相同條件下，隨著除濕溶液濃度的減小，再生溶液溫度減小，導(dǎo)致冷凝溫度也隨之減?。ㄈ鐖D3 所示冷凝溫度隨溶液濃度減小而減小），從而導(dǎo)致壓縮機(jī)功率減小?？梢娫诒鞠到y(tǒng)中溶液濃度越低，系統(tǒng)性能越高，但溶液濃度不能無限制的降低，溶液濃度降低，溶液表面水蒸汽分壓力增加，溶液吸濕能力減弱，除濕過程的平均傳質(zhì)勢差減小，除濕效果就會減弱，當(dāng)室內(nèi)濕負(fù)荷較大，所需的送風(fēng)含濕量較大時，溶液濃度過低達(dá)不到送風(fēng)含濕量要求。

圖2 不同溶液濃度下室外空氣含濕量對COP 的影響

圖3 不同溶液濃度下室外空氣含濕量對冷凝溫度的影響

3.2 再生流量比例變化對系統(tǒng)性能的影響

再生流量比例是指進(jìn)入溶液熱交換器的溶液與溶液泵1 加壓后的總?cè)芤毫髁康谋戎怠D4 所示為不同再生流量比例下室外空氣含濕量變化對 COP 的影響。從圖中可知：當(dāng)再生流量比例由 0.08 增加到0.20時，COP 值增大，但當(dāng)外循環(huán)流量增大到 0.23 時，在空氣含濕量大于 14 g/kg 時，COP 值小于再生流量比例為0.20 時的COP 值。其原因是：當(dāng)再生流量比增大時，再生溫度降低以至冷凝溫度降低。但同時再生溶液流量增加，流體輸配系統(tǒng)的功率隨之加大，溶液冷卻器入口溶液溫度也在逐漸增大，熱泵的制冷量增加，壓縮機(jī)的軸功也在增加，當(dāng)再生流量比例大于0.2 時，流體輸配系統(tǒng)的功率與壓縮機(jī)軸功提高幅度大于冷凝溫度的降低幅度，COP 值降低。可見，溶液再生比例的加大對系統(tǒng)性能有一定提升，但再生比例過大時，系統(tǒng)性能會降低，因此，針對本系統(tǒng)的研究計算中，再生流量比例可取0.2。

圖4 不同再生流量比例下室外空氣含濕量對COP 的影響

3.3 冷凝熱比變化對系統(tǒng)性能的影響

冷凝熱比是指溶液加熱器使用的冷凝熱與熱泵的總冷凝熱之比。熱泵系統(tǒng)的冷凝熱一部分用于加熱再生溶液，另一部分加熱再生空氣，因此冷凝熱比的大小影響著再生過程溶液與空氣的入口狀態(tài)。

圖5 所示為不同冷凝熱比下，室外空氣含濕量變化對系統(tǒng)性能的影響。在冷凝熱比為 0.4～0.6 時 COP的值變化較小，當(dāng)溶液加熱器冷凝熱利用比由 0.4 減小到0.3、0.6 增加到0.9 時，COP 值均減小，減小的幅度分別為3%～24%、0.06%～22%。其原因是：隨著冷凝熱比的增大，室外換熱器利用冷凝熱占比減小，再生空氣溫升固定為10 ℃，于是再生空氣流量隨之減少，再生空氣流量的減小會使得再生器中空氣與溶液傳質(zhì)壓差降低，傳質(zhì)推動力變小，空氣吸收溶液中水蒸汽的阻力增大，以至再生溫度加大。但同時隨著冷凝熱比的增大，再生溶液流量也增大，且再生溶液流量的增加將降低溶液的再生溫度。

圖5 不同冷凝熱比下室外空氣含濕量對系統(tǒng)性能的影響

3.4 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

通過以上對系統(tǒng)各影響因素的分析，選擇一種最優(yōu)的匹配（溶液濃度取 0.25，再生流量比例取 0.20，冷凝熱之比取0.5）對系統(tǒng)性能進(jìn)行計算。

圖6 所示為最優(yōu)參數(shù)匹配下，室外空氣含濕量由14 g/kg 增加到 29 g/kg，室外空氣溫度變化對 COP 值的影響。由圖可知，COP 值隨著室外空氣相對濕度的增加而減小。隨著室外空氣溫度的升高而增大。在低溫高濕，COP 值達(dá)到最小為2.34。在高溫低濕時 COP值最大為5.23。

圖6 不同室外空氣含濕量下室外空氣溫度變化對COP 的影響

3.5 與常規(guī)系統(tǒng)性能比較

為研究系統(tǒng)的設(shè)計在系統(tǒng)性能提升上是否有優(yōu)勢，在相同的室內(nèi)外參數(shù)下，將本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[5]中利用冷凝熱顯熱（系統(tǒng) 1）和未利用冷凝熱（系統(tǒng) 2）的兩種溶液除濕系統(tǒng)相對比，定義本文所研究系統(tǒng)的性能系數(shù)與系統(tǒng)1、2 的性能系數(shù)比值為COPR。

圖7、圖 8 為COPR 值隨室外空氣溫度、室外空氣含濕量的變化。在同一工況下，與系統(tǒng) 1 的 COPR 值為1.25～2，與系統(tǒng)2 的 COPR 值為1.45～2.2，可見本文研究系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于其他兩種系統(tǒng)，且在高溫高濕的條件下系統(tǒng)性能優(yōu)勢更明顯。

圖7 室外空氣溫度變化對COPR 的影響

圖8 室外空氣含濕量變化對COPR 值的影響

4 冬季工況系統(tǒng)性能分析

冬季高濕低溫條件結(jié)霜問題對熱泵性能影響較大[9]。相關(guān)研究表明，降低室外空氣的露點溫度，使其低于蒸發(fā)器翅片表面溫度可從根本上解決結(jié)霜問題[10]。設(shè)定室內(nèi)干球溫度為20 ℃，相對濕度為50%，系統(tǒng)設(shè)計室內(nèi)顯熱負(fù)荷為6.8kW，濕負(fù)荷為0.68 g/s，對冬季結(jié)霜區(qū)域內(nèi)（室外空氣干球溫度-6～5 ℃之間，相對濕度在65%以上）系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行分析。

圖9 所示為室外空氣露點溫度、除濕后空氣露點溫度、除濕后空氣干球溫度、蒸發(fā)溫度隨室外空氣干球溫度的變化。從圖中可以看出，除濕后空氣干球溫度升高了3 ℃～4 ℃。除濕后空氣的露點溫度比除濕前的露點溫度降低了 4.29 ℃～5.29 ℃，略低于蒸發(fā)溫度，可避免空氣源熱泵室外換熱器結(jié)霜。HCOP 值隨室外空氣溫度值的變化規(guī)律與常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)正常工作時相同，隨室外空氣干球溫度的增大而增大（如圖10 所示）。COPd 值隨著室外空氣干球溫度的增大先增大后減小，在3 ℃時值最大。

圖9 露點溫度、干球溫度、蒸發(fā)溫度隨室外空氣干球溫度的變化

圖10 HCOP、COPd值隨室外空氣干球溫度的變化

5 結(jié)論

1）夏季工況下，當(dāng)各影響因素除濕器溶液進(jìn)口濃度、再生流量比例、冷凝熱比分別為0.25、0.20、0.5 時，系統(tǒng)性能可達(dá)最佳，其 COP 值為2.34～5.23。

2）在同一夏季工況下，本文提出的系統(tǒng)與利用冷凝熱顯熱和未利用冷凝熱的兩種溶液除濕系統(tǒng)的COPR 值均大于1，系統(tǒng)性能優(yōu)勢明顯。

3）在冬季結(jié)霜區(qū)域內(nèi)，HCOP 隨室外空氣干球溫度的增大而增大，COPd 隨室外空氣干球溫度的增大先增大后減小，在 3 ℃時達(dá)到最大值。

4）在冬季結(jié)霜區(qū)域內(nèi)，室外空氣經(jīng)溶液除濕處理后，露點溫度降低了 4.29～5.29 ℃，小于熱泵機(jī)組系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，可使機(jī)組實現(xiàn)無霜運行。