冷凝再熱空氣的不同方式比較研究

楊智，曹祥，邵亮亮，張春路

（同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所，上海 201804）

冷凝再熱空氣的不同方式比較研究

楊智，曹祥，邵亮亮，張春路*

（同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所，上海 201804）

在恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)中，為了節(jié)能環(huán)保、減少再熱過程中的能量損失，提出利用制冷系統(tǒng)的冷凝熱用于再熱來代替電加熱的方式。本文以此為基礎(chǔ)，利用仿真平臺對采用不同再熱方式的各系統(tǒng)進行了系統(tǒng)建模與理想循環(huán)分析。通過對仿真結(jié)果的定性分析，得到了使用冷凝熱再熱的方式比過冷再熱方式范圍較廣，但系統(tǒng)性能系數(shù)較低。

恒溫恒濕；再熱；冷凝熱回收；節(jié)能

0 引言

恒溫恒濕空調(diào)機組在許多行業(yè)特別是工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1-2]，可滿足生產(chǎn)工藝所需的溫濕度要求。普通恒溫恒濕機組是將新風(fēng)和回風(fēng)混合后的空氣冷卻至足夠低的露點溫度，再通過二次加熱、加濕等手段分別處理，使其達到設(shè)定的溫濕度。這種方法同時存在著冷卻、加熱、加濕的過程，無疑會引起巨大的能源浪費[3]。隨著節(jié)能與環(huán)保的越發(fā)重要，如何在恒溫恒濕空調(diào)工程中改用合理的空氣處理方式，減少再熱過程中的能源消耗就成為了一個十分重要的課題。

目前國內(nèi)外學(xué)者為了降低再熱過程中的能源消耗，提出用制冷劑的冷凝熱量來代替電加熱用于二次加熱的方法。一般來說，空調(diào)冷凝熱量是作為“廢熱”通過風(fēng)冷或者水冷的方式直接排向環(huán)境，若能回收利用這部分熱量用于再熱除濕后的低溫空氣，一方面可以減少對環(huán)境的熱污染，另一方面可以有效解決恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的能耗過大的問題。在現(xiàn)有的回收冷凝熱的系統(tǒng)中，根據(jù)再熱器與冷凝器的相對位置不同，可分為并聯(lián)式與串聯(lián)式兩種[3-7]，其本質(zhì)均是主要利用制冷劑冷凝時的全熱進行再熱，且已存在實際的設(shè)計案例[8]。而對于壓縮機出口處制冷劑過熱蒸汽的“廢熱”利用，國內(nèi)外的主要研究在于回收這部分熱量對生活用水進行加熱[8-12]，這部分熱量同樣也可以對低溫低濕空氣進行再熱。另外，也有學(xué)者提出利用冷凝器出口處制冷劑由飽和狀態(tài)到過冷狀態(tài)所攜帶的顯熱對低溫空氣進行再熱的方式，并已將其運用至超市的冷凍冷藏陳列柜上[13]。

利用制冷劑的熱量進行再熱，一方面雖可以有效降低能源的消耗，但同時也會局限于制冷劑所攜帶的熱量多少，其再熱量有限，因此可以處理的濕度范圍也是有限的，且對于不同的再熱方式，系統(tǒng)的能耗也會不盡相同。根據(jù)這一情況，本文以仿真軟件[14-15]為平臺進行系統(tǒng)的仿真優(yōu)化，橫向?qū)Ρ壬鲜鏊峒暗?種利用制冷劑再熱方式的系統(tǒng)性能，探尋他們在相同負荷下除濕能力的范圍，并與傳統(tǒng)的利用電加熱再熱的系統(tǒng)進行對比，評判各系統(tǒng)的優(yōu)劣，為實際設(shè)計選用空調(diào)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 系統(tǒng)原理與流程簡圖

為了方便理解記憶，本文所研究的恒溫恒濕一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)其利用的再熱熱源不同，在后文中分別稱其為電加熱再熱系統(tǒng)，過冷再熱系統(tǒng)，冷凝再熱系統(tǒng)以及過熱再熱系統(tǒng)。這些系統(tǒng)分別主要利用了電加熱、制冷劑的過冷顯熱、制冷劑的冷凝全熱、制冷劑的過熱蒸汽進行再熱。

對于電加熱系統(tǒng)，相較于普通系統(tǒng)，僅僅多了一個電加熱器用來加熱蒸發(fā)器出口處的低溫低濕空氣，故在此不再贅述。

對于冷凝再熱系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。從壓縮機出來的制冷劑分為兩路，一路進入冷凝器冷凝，另外一路進入再熱器冷凝。再熱器作為“第二冷凝器”，制冷劑在其中冷凝的同時再熱空氣。其中，進入再熱器的制冷劑流量是根據(jù)系統(tǒng)所需的再熱量來調(diào)整三通閥的開度決定的。

圖1 冷凝再熱系統(tǒng)原理圖

對于過冷再熱系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理圖如圖2所示。從冷凝器中出來的飽和制冷劑液體部分先進入再熱器進行過冷，并利用過冷時產(chǎn)生的熱量來再熱蒸發(fā)器出口處的空氣，再和另一部分制冷劑匯合后共同進入膨脹閥。進入再熱器的制冷劑流量大小與所需的再熱量有關(guān)。

圖2 過冷再熱系統(tǒng)原理圖

對于過熱再熱系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。從壓縮機出來的過熱制冷劑蒸汽部分先進入再熱器，然后在再熱器中冷卻的同時再熱空氣。最后與另一部分制冷劑蒸汽匯合共同進入冷凝器。同樣，進入再熱器的制冷劑蒸汽流量大小也是根據(jù)所需再熱量來調(diào)節(jié)。由于一部分制冷劑先冷凝，再與另一部分相混合，若系統(tǒng)所需再熱量大時，可能會出現(xiàn)匯合后的制冷劑為兩相的問題。

圖3 過熱再熱系統(tǒng)原理圖

2 物理模型與計算參數(shù)設(shè)定

物理模型主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、再熱器、壓縮機、房間負荷模型5個部分。本文使用仿真軟件為平臺進行仿真模擬，以過冷再熱系統(tǒng)為例，其在軟件中的建模如圖4所示。

其中為了排除蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機本身能力對系統(tǒng)性能的影響，在本研究中均采用仿真軟件所提供的理想化模型，即蒸發(fā)器、冷凝器的換熱能力僅與其對應(yīng)的蒸發(fā)溫度Te和冷凝溫度Tc有關(guān)，而與其換熱器的大小無關(guān)；壓縮機性能僅與其等熵效率η有關(guān)。壓縮機吸氣過熱度Tsh按經(jīng)驗值選取。相關(guān)的設(shè)定參數(shù)如表1所示。

房間負荷模型初始設(shè)定參數(shù)如表2所示。蒸發(fā)器出口空氣干球溫度Tout與該系統(tǒng)的除濕量W成正比，即出口溫度越低，除掉的濕負荷越多，再熱至送風(fēng)溫度所需的再熱量也就越多。由于理想蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度為7.5 ℃，考慮空氣與制冷劑存在換熱溫差，所以Tout最低取7.6 ℃。

圖4 GREATLAB建立的過冷再熱空調(diào)機組模型

表1 理想模型設(shè)定參數(shù)

表2 房間模型初始設(shè)定參數(shù)

再熱器模型采用翅片管式換熱器，換熱管類型為螺旋強化管，翅片類型為鋁制百葉窗片。

最后還需設(shè)置系統(tǒng)的過冷度Tsub。由于過冷再熱系統(tǒng)利用過冷段作為再熱源，所以過冷度的選取對于其可處理的范圍以及系統(tǒng)的COP（Coefficient of performance）均有較大的影響。因此，在此將分別討論選擇各系統(tǒng)的過冷度。

1) 對于電加熱再熱系統(tǒng)，由于采用了理想化模型，無法優(yōu)化求解出最佳過冷度。根據(jù)經(jīng)驗，此處設(shè)為5 K。

2) 對于過熱再熱系統(tǒng)，由于再熱量是由制冷劑過熱蒸汽提供，與過冷度的關(guān)聯(lián)不大，為了比較方便，此處也設(shè)為5 K。

3) 對于過冷再熱系統(tǒng)，由于其再熱量由制冷劑的過冷顯熱提供，即把制冷劑從冷凝器出口狀態(tài)冷卻到過冷狀態(tài)這個過程所獲取的熱量。因此過冷度的大小直接影響了再熱量的大小，也就影響了系統(tǒng)可以處理濕負荷W的范圍。因此，設(shè)置該系統(tǒng)過冷度為0 K。

4) 對于冷凝再熱系統(tǒng)，其系統(tǒng)可處理的最大濕負荷Wmax隨過冷度的變化如圖5所示?？梢婋S著過冷度的增加，系統(tǒng)最大可處理濕負荷呈增長趨勢，但增幅不大，為了比較方便，該系統(tǒng)過冷度同樣也設(shè)為5 K。

圖5 可處理濕負荷隨過冷度變化圖

3 計算結(jié)果與分析

根據(jù)以上設(shè)置的參數(shù)，在仿真平臺中，對以上幾種利用不同再熱源的系統(tǒng)進行變濕負荷計算，得到的結(jié)果與分析如下。

3.1 系統(tǒng)性能與蒸發(fā)器出口溫度的關(guān)系

由于系統(tǒng)可處理的濕負荷能力W與蒸發(fā)器出口溫度Tout成正比，蒸發(fā)器出口的溫度范圍就可以反映出系統(tǒng)除濕的能力大小。對于冷凝再熱系統(tǒng)、電加熱再熱系統(tǒng)以及過熱再熱系統(tǒng)來說，由于其過冷度相同，僅再熱方式不同。所以其系統(tǒng)性能隨房間濕負荷變化的趨勢是相同的，差別僅在于所處理的范圍不同。因此，在此以過熱再熱系統(tǒng)為例，分析其系統(tǒng)性能與蒸發(fā)器出風(fēng)溫度的聯(lián)系。系統(tǒng)COP隨蒸發(fā)器出口溫度的變化如圖6所示。當(dāng)房間濕負荷減小時，所需再熱量減小，蒸發(fā)器出口的空氣溫度升高，系統(tǒng)所需制冷量減小，系統(tǒng)COP隨之升高。

圖6 過熱再熱系統(tǒng)性能隨出口溫度變化圖

對于過冷再熱系統(tǒng)，其系統(tǒng)性能隨出口溫度變化如圖7所示。與上述3種再熱系統(tǒng)不同，過冷再熱系統(tǒng)的COP隨著空氣側(cè)出風(fēng)溫度的升高而略微降低。這可能是因為，當(dāng)需要處理的濕負荷變小，空氣側(cè)出風(fēng)溫度升高，所需要的再熱量減小，系統(tǒng)過冷度降低。雖然所需要的系統(tǒng)制冷量減小，但過冷度的減小使系統(tǒng)單位制冷量也隨之減小。兩者共同作用下，系統(tǒng)COP反而略有下降。

圖7 過冷再熱系統(tǒng)性能隨出口溫度變化圖

3.2 不同再熱方式可處理濕負荷范圍

上述恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)在相同溫度不同再熱方式下的可處理濕負荷范圍與系統(tǒng)COP如表3所示。

其中，蒸發(fā)器出口空氣溫度的范圍不同是由于再熱方式的不同造成的。當(dāng)采用電加熱的形式時，無加熱量的限制，因此出風(fēng)溫度最低可以接近蒸發(fā)溫度，此時能處理的濕負荷最多；而使用冷凝再熱和過冷再熱這兩種形式時，由于受到流向再熱盤管的制冷劑流量的比例限制，其可提供的再熱值是有限的，因此可處理濕負荷范圍要窄于電加熱再熱的系統(tǒng)。把冷凝再熱和過冷再熱這兩種再熱形式進行對比，由于冷凝再熱主要使用的是制冷劑的全熱進行再熱，而過冷再熱使用的是制冷劑的顯熱進行再熱，其所含再熱量要低于冷凝再熱，因此過冷再熱的可處理濕負荷范圍要窄于冷凝再熱。對于過熱再熱系統(tǒng)，如理論分析一致，當(dāng)蒸發(fā)器出口溫度為8 ℃時（如圖8），其冷凝器進口處的制冷劑已為兩相，這會導(dǎo)致冷凝器分液不均，影響系統(tǒng)性能，因此該再熱方式的工作極限范圍就是在冷凝器進口干度x=1處。

對比4個系統(tǒng)在同樣的出風(fēng)溫度范圍內(nèi)進行的系統(tǒng)性能，對比結(jié)果如圖9所示。

表3 可處理濕負荷范圍表

圖8 過熱再熱系統(tǒng)冷凝器進口狀態(tài)

圖9 系統(tǒng)性能對比圖（改進前）

3.3 過冷再熱系統(tǒng)優(yōu)化

以上結(jié)論可以看出，過冷再熱系統(tǒng)處理范圍有限，但COP較高。由于系統(tǒng)濕負荷處理范圍與系統(tǒng)可提供的再熱量多少有關(guān)，而過冷再熱系統(tǒng)的再熱量是由制冷劑過熱段的顯熱所提供。為了增加可利用再熱量，現(xiàn)考慮在過冷再熱系統(tǒng)中，使冷凝器出口狀態(tài)為兩相狀態(tài)，以此來增大系統(tǒng)可處理的范圍。將冷凝器出口干度x設(shè)為0.05，與原系統(tǒng)對比如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)性能對比圖（改進后）

可以看出，當(dāng)過冷再熱系統(tǒng)的進口狀態(tài)由過冷度0 K變?yōu)閮上喔啥?.05時，蒸發(fā)器出口溫度下限變低，即系統(tǒng)可處理濕負荷范圍變大，但系統(tǒng)COP有一定幅度的下降。但在房間濕負荷不是很小時，系統(tǒng)性能仍優(yōu)于冷凝再熱系統(tǒng)和過熱再熱系統(tǒng)。

4 模型驗證

為了驗證理論結(jié)果的正確性，利用GREATLAB通用仿真平臺設(shè)計并制作了一臺采用冷凝再熱的樣機，樣機實物如圖11所示。

圖11 樣機內(nèi)機結(jié)構(gòu)圖

樣機性能的實驗值與GREATLAB中的的仿真值對比如表4所示，表中前6行為實驗/仿真設(shè)定參數(shù)。

表4 房間模型初始設(shè)定參數(shù)

將實驗值與仿真值相對比，考慮到測量儀器還存在一定的測量誤差，可以看出兩者在系統(tǒng)高低壓、蒸發(fā)器出口溫度以及送風(fēng)溫度等關(guān)鍵參數(shù)上基本相符，從系統(tǒng)制冷量、功耗以及最后系統(tǒng)的COP來看，其最大誤差也未超過3%，表明本文建立的系統(tǒng)模型計算出的結(jié)果是真實可靠的，不同再熱系統(tǒng)之間對比的理論分析也是具有可信度的。

5 結(jié)論

在恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)中，為了節(jié)能環(huán)保，減少再熱過程中的能量損失，提出利用空調(diào)機組制冷劑本身存在的“廢熱”進行再熱的方式。本文利用仿真平臺（通過實際測試驗證了仿真平臺模型的可靠性），對利用不同狀態(tài)的制冷劑熱量再熱的系統(tǒng)進行了仿真模擬，并將其與傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)中所使用的電加熱的再熱方式進行對比，得到了以下結(jié)論。

使用電加熱進行再熱的系統(tǒng)COP最低，系統(tǒng)功耗最高，不滿足節(jié)能的要求。但由于其加熱量不受限制，在相同熱負荷的情況下，可處理的濕負荷范圍最廣，可考慮在濕負荷波動較大且嚴(yán)格要求恒溫恒濕的場景下使用。

使用制冷劑過冷段顯熱再熱時，系統(tǒng)COP最高，但由于該部分顯熱熱量較少，所以其可以處理的范圍有限，適合濕負荷不太大的情況下使用；可以通過改變冷凝器出口的制冷劑狀態(tài)來擴展其范圍，但COP也會有相應(yīng)的下降?？偟膩碚f，過冷再熱系統(tǒng)由于其再熱能力較弱因而使用范圍有限。

使用制冷劑冷凝全熱以及制冷劑過熱蒸汽段進行再熱的兩個系統(tǒng)性能相仿，處理范圍相同，但由于過熱再熱系統(tǒng)存在冷凝器進口制冷劑兩相的問題，因此不推薦使用。在一般工程項目中，由于冷凝再熱系統(tǒng)范圍較廣，COP適中，因此可以考慮用此方式代替電加熱再熱的方式而廣泛使用。

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Investigation on Comparison of Different Methods of Supply Air Reheat Using Condenser Heat

YANG zhi, CAO Xiang, SHAO Liangliang, ZHANG Chunlu*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In the constant temperature and humidity air condition system, the condenser heat is used to reheat supply air instead of electric heating in order to reduce the energy consumption of reheating air, to save energy and to protect environment. Based on this heat recovery theory, system models are set up based on the simulation platform, and different parts of condenser heat for supply air reheating are numerically compared. Some meaningful conclusions for actual system design are achieved: the working range of condensing heat is wider than that of subcooling heat, while its coefficient of system performance is lower than the latter.

Constant temperature and humidity; Reheat; Condensing heat recovery; Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.207

*張春路（1971-），男，教授，博士。研究方向：制冷系統(tǒng)仿真與控制。聯(lián)系地址：上海市曹安公路4800號同濟大學(xué)，郵編：201804。聯(lián)系電話：13671825133。E-mail：chunlu.zhang@gmail.com。

本論文選自2016年第九屆全國制冷空調(diào)新技術(shù)研討會。