熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)及其節(jié)能分析

姜 赫，龔永奇

0　引言

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)普遍采用熱濕耦合即冷凝除濕的方法，對(duì)熱濕環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。隨著這種空調(diào)方式的普遍使用，它也暴露出許多問(wèn)題，比如系統(tǒng)效率低下、難以適應(yīng)熱濕比的變化以及由于冷凝水的存在，惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)等[1～2]。

為了解決傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)被提出，并得到廣泛的關(guān)注和發(fā)展。本文首先介紹熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)，然后對(duì)各種熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)性能和熱能回收進(jìn)行闡述，最后指出未來(lái)的發(fā)展方向。

1　熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)

1.1　熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)的定義

熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)是將傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)循環(huán)和除濕空調(diào)循環(huán)組合構(gòu)成復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)，使顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷分開處理，其原理圖如圖1所示。除濕空調(diào)循環(huán)處理空氣中的水蒸氣產(chǎn)生干燥空氣，干燥空氣被送入壓縮式空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器進(jìn)行顯熱負(fù)荷處理。

圖1　熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle of temperature and humidityindependent control system

1.2　熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)的分類

熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)有基于溶液除濕、膜除濕、固體除濕和內(nèi)冷除濕的空調(diào)系統(tǒng)。將熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)的性能比較列于表1。

表1　熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)的性能比較Tab.1 Comparison performance of temperature and humidityindependent control system

2　熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

2.1　基于溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)

溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)是利用濃溶液表面的水蒸氣低于濕空氣中的水蒸氣分壓，在壓力梯度的作用下將濕空氣的水蒸氣吸收到濃溶液中，直至雙方的水蒸氣分壓達(dá)到平衡，則吸收被處理空氣中的水蒸氣，對(duì)濕空氣進(jìn)行潛熱控制，利用壓縮式熱泵循環(huán)降低空氣的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的顯熱控制Nayak等[8]采用LiCl復(fù)合式除濕熱泵循環(huán)，結(jié)果表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)熱泵循環(huán)性能更高。Lazzarin等[9]采用LiBr復(fù)合式系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明根據(jù)負(fù)載不同整體系統(tǒng)的能耗消耗比傳統(tǒng)系統(tǒng)降低26%～63%。

圖2　溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Operating principle of air conditioning system based on liquid dehumidification

溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)冷卻器、換熱器、濃溶液除濕器、稀溶液再生器、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，圖2為一個(gè)典型的溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖。

這種系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)在低蒸發(fā)溫度下集中處理負(fù)荷的限制，提高了壓縮式熱泵循環(huán)效率，降低了能耗；而且除濕效果好，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的溫濕度控制。除濕的溶液不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，實(shí)現(xiàn)溶液的再生只要求50℃～80℃的低溫?zé)嵩?。但是溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)在除濕過(guò)程中氣體容易帶走溶液造成金屬腐蝕，而且溶液的流速太快也會(huì)產(chǎn)生飛沫。

2.2　膜除濕的空調(diào)系統(tǒng)

膜除濕的空調(diào)系統(tǒng)的基本原理是濕空氣透過(guò)膜，過(guò)濾出空氣中的水分，然后經(jīng)過(guò)熱泵空調(diào)系統(tǒng)降溫，輸出達(dá)到規(guī)定的溫濕度的空氣。膜的滲透機(jī)理是要使水蒸氣透過(guò)膜，必須在膜的兩端產(chǎn)生一個(gè)濃度差。這種濃度差既可由膜兩端壓力差造成，又可由膜兩端溫度差造成。因?yàn)闈舛仁怯蓽囟群蛪毫餐饔玫慕Y(jié)果。傳統(tǒng)的除濕機(jī)理是以膜兩邊的水蒸氣分壓差除去水分，因此為了強(qiáng)化除濕，應(yīng)盡量增大膜兩側(cè)的壓力差。Permea公司[11]推出的 Cactus膜空氣除濕技術(shù)采用聚砜中空纖維膜制成分離膜，原料氣走絲內(nèi)、滲透氣走絲外的操作模式，并且利用一定的原料氣作為吹掃氣以提高除濕效率。張立志等[13]提出了一種新的空氣除濕方式，這種滲透機(jī)理是膜中存在溫度梯度，膜中水分在這溫度梯度作用下形成濃度梯度，從而除去濕空氣的水分。

膜除濕空調(diào)系統(tǒng)是由膜分離器、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器等設(shè)備。膜除濕熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如圖3 所示[14]。

圖3　膜除濕空調(diào)系統(tǒng)的工作原理Fig.3 Operating principle of air conditioning system based on membrane dehumidification

膜除濕空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)除濕過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行，由于熱源可以是低品位余熱，所以節(jié)能降耗，系統(tǒng)可靠；而且膜法除濕設(shè)備占地面積更小，且沒有運(yùn)動(dòng)部件，更利于維修。但是，除濕膜還存在著透濕率低、強(qiáng)度差、成本高的缺點(diǎn)，限制了膜法除濕的發(fā)展。

2.3　固體除濕的空調(diào)系統(tǒng)

固體除濕的空調(diào)系統(tǒng)主要是利用干燥劑吸附空氣中的水蒸氣，由于在吸附水蒸氣的過(guò)程中會(huì)放出大量的熱，為保持較大的吸附能力，必須在吸附過(guò)程中對(duì)干燥劑進(jìn)行降溫。固體除濕空調(diào)系統(tǒng)典型的是轉(zhuǎn)輪除濕，主要包含轉(zhuǎn)輪除濕器和制冷系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)輪除濕器的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的蜂窩狀干燥轉(zhuǎn)輪，用載有固體吸濕劑的特殊復(fù)合耐熱材料制成，如圖3所示。轉(zhuǎn)輪內(nèi)用隔板分別為270°和90°的兩個(gè)扇區(qū)。前者用來(lái)處理濕空氣，后者用作空氣再生。當(dāng)濕空氣進(jìn)入270°扇形區(qū)時(shí)，空氣中水分子被轉(zhuǎn)輪內(nèi)的吸濕劑吸收，干燥后的空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)送出，進(jìn)入制冷系統(tǒng)降溫；吸收了水分子的轉(zhuǎn)輪扇面飽和時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)到再生空氣端扇區(qū)再生[15]。

圖4　除濕轉(zhuǎn)輪的工作原理示意圖Fig.4 Operating principle of air conditioning system based on rotary dehumidification

轉(zhuǎn)輪除濕的空調(diào)系統(tǒng)可以連續(xù)除濕，同時(shí)利用廢熱實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生；而且采用固體干燥劑不存在帶液?jiǎn)栴}。但是由于轉(zhuǎn)輪除濕過(guò)程是絕熱除濕的過(guò)程，其除濕效果隨著吸附熱的產(chǎn)生而變差，而且再生溫度也隨著吸附溫度的提升而提高很多，使冷凝廢熱的無(wú)法達(dá)到再生溫度，需要輔助熱源實(shí)現(xiàn)再生。

2.4　內(nèi)冷型除濕空調(diào)系統(tǒng)

內(nèi)冷型吸附除濕空調(diào)系統(tǒng)是將吸附劑涂在熱交換器上，其固體除濕床內(nèi)通有冷流體，利用冷空氣、冷水或者制冷劑在空氣除濕過(guò)程中吸收吸附熱，使得吸濕材料維持在較低的溫度水平，實(shí)現(xiàn)較好的除濕效果。一些研究者[22～24]設(shè)計(jì)了一種用冷水作為冷流體的內(nèi)冷型吸附除濕控制系統(tǒng)，如圖5所示。冷水系統(tǒng)可以提供較為穩(wěn)定的內(nèi)冷溫度，吸收吸附熱和空氣的溫度，實(shí)現(xiàn)較好的溫濕度控制。但是冷水系統(tǒng)需要有恒定溫度的冷卻水，其體積較為龐大。

圖5　內(nèi)冷型吸附除濕空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖Fig.5 Operating principle of air conditioning system based on inner-cooling dehumidification

新型熱泵系統(tǒng)由換熱器、壓縮機(jī)、過(guò)濾器、節(jié)流元件和恒溫槽組成，不同之處在于用涂覆有吸濕劑的除濕換熱器取代了傳統(tǒng)的翅片管換熱器，從而實(shí)現(xiàn)空氣的熱濕耦合處理。

3　熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)的節(jié)能分析

隨著熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)的使用，熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)也暴露出一些不足。熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)是吸附/吸收除濕熱力過(guò)與傳統(tǒng)冷卻降溫?zé)崃^(guò)程的簡(jiǎn)單疊加，這種簡(jiǎn)單疊加過(guò)程導(dǎo)致整體循環(huán)系統(tǒng)的體積較大、成本較高；同時(shí)干燥劑的熱再生特性，熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)通常需要70℃～140℃外界附加熱源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。將傳統(tǒng)熱泵空調(diào)循環(huán)的冷卻方式引入熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)并采用部分冷凝廢熱來(lái)驅(qū)動(dòng)除濕循環(huán)的再生，這樣不僅降低了熱泵空調(diào)循環(huán)的能耗，同時(shí)還減少冷凝廢熱排放，達(dá)到節(jié)能和廢熱回收利用的雙重效果。下面具體分析一下熱泵結(jié)合的轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)和基于熱泵的內(nèi)冷除濕空調(diào)系統(tǒng)。

3.1　熱泵結(jié)合的轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)

K.S.Rambhad等[19]總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，介紹了熱泵驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)除濕輪空調(diào)系統(tǒng)。涂壤等[20]提出了熱泵結(jié)合的多級(jí)固體除濕裝置，并進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以降低再生溫度，提高了系統(tǒng)的效率。Zhang等[21]設(shè)計(jì)了兩級(jí)轉(zhuǎn)輪模型，發(fā)現(xiàn)其再生溫度比單機(jī)轉(zhuǎn)輪要低。其工作原理圖如圖6所示。

圖6　兩級(jí)除濕轉(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖Fig.6 Operating principle of air conditioning system based ontwo-stages rotary dehumidification

熱泵結(jié)合的兩級(jí)除濕轉(zhuǎn)輪空調(diào)系統(tǒng)由兩級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕裝置、三個(gè)熱泵空調(diào)系統(tǒng)、壓縮機(jī)和節(jié)流閥組成。熱泵結(jié)合的多級(jí)固體除濕裝置采用多級(jí)除濕再生及熱泵驅(qū)動(dòng)，不僅可以較好的控制溫度和濕度，而且可降低再生溫度并提高系統(tǒng)性能，提高了熱泵效率和避免了熱量浪費(fèi)。

3.2　基于熱泵的內(nèi)冷型除濕空調(diào)系統(tǒng)

日本大金公司研制了一種以制冷劑作為冷流體的內(nèi)冷型固體吸附除濕控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用硅膠等固體作為吸附劑[25]。熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器上均涂有吸濕材料，分別作為除濕吸附劑和再生吸附劑使用，即可實(shí)現(xiàn)帶有內(nèi)部冷卻的除濕過(guò)程與帶有內(nèi)部加熱的再生過(guò)程，再生溫度一般低于50℃。黃溢[26]在其碩士學(xué)位論文中，具體介紹了固體除濕熱泵（DESICA）和變頻多聯(lián)機(jī)（VRV）構(gòu)成JDVS系統(tǒng)與全熱交換器（HRV）和VRV構(gòu)成JHVS系統(tǒng)，通過(guò)冬季與夏季實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明了JDVS系統(tǒng)不僅比傳統(tǒng)JHVS系統(tǒng)分別節(jié)能17.2%和9.3%，而且具有較好的除濕性能[27]。

圖7　基于熱泵的內(nèi)冷型固體吸附除濕空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖Fig.7 Operating principle of heat-pump air conditioning system based onsolid inner-cooling dehumidification

圖7所示為基于熱泵的內(nèi)冷型固體除濕空調(diào)系統(tǒng)的工作示意圖，基于熱泵的內(nèi)冷除濕空調(diào)系統(tǒng)由兩個(gè)換熱器、壓縮機(jī)、節(jié)流元件和四通換向閥組成，不同之處在于用兩個(gè)涂覆有吸濕劑的除濕換熱器取代了傳統(tǒng)的翅片管換熱器，從而實(shí)現(xiàn)空氣的熱濕耦合處理。

該系統(tǒng)由于在除濕過(guò)程中進(jìn)行了冷卻，不僅較好的實(shí)現(xiàn)了高蒸發(fā)溫度（15℃左右）下的內(nèi)冷除濕，吸附劑的再生一般在45℃左右，由冷凝熱可以實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了吸附劑循環(huán)再生的能源，提高了循環(huán)除濕效率，而且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

4　結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)除濕空調(diào)系統(tǒng)的弊端日益顯現(xiàn)，熱濕獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。其中溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)、膜除濕空調(diào)系統(tǒng)以及除濕輪空調(diào)系統(tǒng)是目前研究較為成熟的空調(diào)系統(tǒng)。內(nèi)冷型固體吸附除濕空調(diào)系統(tǒng)是一種新興的除濕空調(diào)系統(tǒng)，隨著相關(guān)技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展，必將得到進(jìn)一步的發(fā)展。除此之外，提高可再生能源比如太陽(yáng)能、地?zé)崮艿扰c空調(diào)系統(tǒng)耦合的利用率和尋找具有高吸附性能和高傳熱性能的復(fù)合吸附劑，也是當(dāng)今研究者研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Tao Zhang，Xiaohualiu，Yi Jiang.Development of temperature and humidity independent control （THIC） air conditioning system in china—A review.Renewable and sustainable energy Reviews 29（2014）739-803.

[2]濮偉，劉培琴.制冷技術(shù)及設(shè)備[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2006.

[3]李茜.溫濕度獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)[J].暖通空調(diào)，2013，25（2）：323.

[4]劉曉華，易曉勤，謝曉云，等.基于溶液除濕方式的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)性能分析[J].中國(guó)科技論文在線，2008，3（7）：469-476.

[5]代彥軍，王如竹.混合式除濕空調(diào)節(jié)能特性研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，2.

[6]La D，Dai Y J，Li Y et al.Technical development of rotary desiccant dehumidification and air conditioning：A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009.

[7]李震，江憶，陳曉陽(yáng)，等.溶液除濕空調(diào)及熱濕獨(dú)立處理空調(diào)系統(tǒng)[J].暖通空調(diào) HV&AC，2003，6.

[8]Nayak S，Ray S，Radermacher R.Second generation integrated combined heat and power engine generator and liquid desiccantsystem[C].Proceeding of 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress，Anaheim，California，USA，Citeseer，2004，1185-1202.

[9]Lazzarin R.M，Castellotti F.A new heat pump desiccant dehumidifier for supermarket application[J].Energy and buildings，39（1）（2007）59-65.

[10]張濤，劉曉華，張海強(qiáng)，等.簡(jiǎn)談溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].暖通空調(diào) HV&AC，2011，1.

[11]嚴(yán)萬(wàn)程.卡斯特膜空氣除濕新工藝[J].石油與天然氣化工，2001，6.

[12]王倩.膜除濕技術(shù)在壓縮空氣干燥及空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2014，3.

[13]張立志，江億.膜法空氣除濕的研究與進(jìn)展[J].暖通空調(diào)HV&AC，1999，6.

[14]趙偉杰，張立志，裴麗霞.新型除濕技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2008，27（11）：1710-1718.

[15]Dai Y，Li Z，Jiang Y，et al.Use of liquid desiccant cooling to improve the performance of vapor compression air conditioning[J].Applied Thermal Engineering，2001，21（12）.

[16]周亞素，陳沛霖.轉(zhuǎn)輪除濕復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)[J].暖通空調(diào)HV&AC，1999，4.

[17]周西文，王雨，馬愛華.轉(zhuǎn)輪除濕/冷輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)及其研究進(jìn)展[J].制冷與空調(diào)，2008，3.

[18]宋倩倩，牛寶聯(lián)，余躍進(jìn).一種新型轉(zhuǎn)輪除濕與雙級(jí)熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)，2009，12.

[19]K.S.Rambhad et al.Solid desiccsnt dehumidificstion and regeneration methods-A review.Renewable and Sustainable Energy Review，59（2016）73-83.

[20]涂壤，曲世琳，馬飛.熱泵和除濕板結(jié)合的固體除濕新風(fēng)機(jī)組特性[J].化工學(xué)報(bào)，2015，12.

[21]Zhang H，Niu J L.Two-stage desiccant cooling system using lowtemperature heat[J].Building Services Engineering Research and Technology，1999，20（2）：51-55.

[22]Daikin Industries Ltd.Schematic diagram of DESICA[EB/OL].[2012-05].http//www.daikinarcon.corn/catalog/desika/system/sikumi.

[23]Ge T S，Dai Y J，Li Y，Wang R Z，2012.Simulation investigation on solar powered desiccant coated heat exchanger cooling system.Appl.Energy 93，532-540.

[24]Ge T S，Dai Y J，Wang R Z，2012.Simulation investigation on solar powered desiccant coated heat exchanger cooling system based on a developed mathematical model.Energy Convers.Management.52，2329-2338.

[25]YJiang，Ge T S，R E Wang，Y huang.Experimental investigation on a novel temperature and humidity independent control air conditioning system[J].Applied Thermal Engineering ，73（2014）784-793.

[26]黃溢.一種新型熱濕獨(dú)立控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及模型研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2014.

[27]江宇，黃溢，葛天舒，等.新型熱濕獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào)，2014，65（S2）.