帶有再熱除濕功能的房間空調(diào)器的設(shè)計(jì)研究

陸東銘 盧云

上海三菱電機(jī)·上菱空調(diào)機(jī)電器有限公司 上海 200135

1 引言

中國(guó)很多地區(qū)雨水充沛，有些地區(qū)甚至全年潮濕，例如：華南、華中、西南地區(qū)，全年濕度偏高，華東地區(qū)春夏，特別是5、6月份的梅雨季節(jié)更是悶熱潮濕，十分難熬。還有華北及其他沿海地區(qū)也同樣受到濕度過(guò)高的困擾。但目前家用空調(diào)對(duì)于濕度調(diào)節(jié)方面的關(guān)注較少，相關(guān)的空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有對(duì)除濕方面的指標(biāo)規(guī)定和考核，大部分的家用空調(diào)廠(chǎng)家都把設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在對(duì)溫度的調(diào)節(jié)上，絕大部分家用空調(diào)都只具備簡(jiǎn)單的弱制冷除濕功能，不能對(duì)濕度進(jìn)行自由調(diào)節(jié)。在環(huán)境溫度較低的高濕度條件下，這種除濕方式會(huì)因?yàn)榇党龅娘L(fēng)太冷而無(wú)法使用，無(wú)法滿(mǎn)足環(huán)境溫度較低時(shí)的除濕需求。

在此背景下，本公司研究開(kāi)發(fā)了帶有再熱除濕功能的房間空調(diào)器，能在降低濕度的同時(shí)，維持溫度基本不變，即使在寬氣候環(huán)境溫度下也能使用。本文從理論上闡述了溫度維持不變的除濕的必要性，對(duì)比了弱制冷除濕和再熱除濕的工作原理與優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了再熱除濕的制冷回路和控制思路，并給出了實(shí)機(jī)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

2 溫度維持不變的除濕的必要性

體感溫度的影響因子主要有氣溫、風(fēng)速、空氣濕度、太陽(yáng)輻射和著裝。其中空氣濕度對(duì)體感溫度的影響在特定條件下比較明顯。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，濕度增大會(huì)影響人體排汗，從而加劇人體對(duì)熱的感覺(jué)。在低溫條件下，高濕會(huì)使人感覺(jué)陰冷，從而加劇人的不適感。而高溫低濕的環(huán)境，則會(huì)使人產(chǎn)生燥熱的不適感。由于男女差異、年齡差異以及運(yùn)動(dòng)量的差異，人們的體感溫度也會(huì)有差異，怕熱者和怕冷者分別在相對(duì)濕度為75%和50%時(shí)的體感溫度舒適區(qū)間如圖1和圖2所示。

在濕度高的場(chǎng)合，怕熱者和怕冷者感到舒適的溫度區(qū)間是不一樣的，如果按照怕熱者的舒適溫度來(lái)設(shè)定房間溫度的話(huà)，怕冷者會(huì)感到太冷。在濕度低的場(chǎng)合，即使房間溫度高一些，也會(huì)感到舒適。因此存在怕熱者和怕冷者同時(shí)感到舒適的區(qū)間。由此可見(jiàn)，維持溫度不變、只降低濕度的除濕方式是很有必要的。

3 再熱除濕方式的研究

3.1 弱制冷除濕的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)

目前市場(chǎng)上的房間空調(diào)器一般都帶有除濕功能，但大多采用的是弱制冷除濕方式（又稱(chēng)作電子除濕方式）。弱制冷除濕的工作原理如圖3所示，將空調(diào)的室內(nèi)熱交換器作為蒸發(fā)器，使其溫度降到空氣的露點(diǎn)溫度以下，讓空氣中的水凝結(jié)到室內(nèi)熱交換器上并排出，從而達(dá)到除濕的目的。制冷勢(shì)必會(huì)引起空氣溫度的下降，導(dǎo)致人感到太冷、不舒適，因此為避免溫度下降過(guò)多，只能采取開(kāi)開(kāi)停停的方式，被稱(chēng)作弱制冷。

弱制冷除濕的優(yōu)點(diǎn)是消費(fèi)電力低，回路構(gòu)成簡(jiǎn)單和價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是盡管濕度下降了，但溫度也下降了，導(dǎo)致吹出的風(fēng)偏冷，舒適性差。在環(huán)境溫度低時(shí)，由于吹出的風(fēng)太冷而無(wú)法使用，無(wú)法滿(mǎn)足低環(huán)境溫度下的除濕需求。另外由于頻繁開(kāi)停，除濕量有限，即濕度不容易下降。

3.2 再熱除濕方式的研究

鑒于弱制冷除濕方式在除濕的同時(shí)溫度也隨之下降，無(wú)法滿(mǎn)足前述的溫度不變只下降濕度的需求。因此我們研究了再熱除濕方式，即可實(shí)現(xiàn)溫度基本維持不變的除濕。

3.2.1 再熱除濕方式的工作原理

再熱除濕的工作原理如圖4所示，將室內(nèi)熱交換器分為兩部分，一部分作為蒸發(fā)器，用來(lái)制冷以除濕；另一部分作為冷凝器，用來(lái)制熱，將冷卻的空氣加熱后送出。這樣能在降低濕度的同時(shí)、維持溫度的基本不變，在寬氣候環(huán)境溫度下也能使用。

3.2.2 再熱除濕的制冷系統(tǒng)回路

通常的弱制冷除濕的制冷系統(tǒng)回路如圖5所示，我們?cè)O(shè)計(jì)的再熱除濕的制冷系統(tǒng)回路如圖6所示。

如圖6所示，我們?cè)谠贌岢凉竦闹评湎到y(tǒng)中，在室內(nèi)熱交換器的回路中間增設(shè)了一個(gè)節(jié)流閥。節(jié)流裝置的動(dòng)作如下：

（1）再熱除濕運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)

A. 室外的節(jié)流裝置不節(jié)流，高溫高壓的制冷劑直接流進(jìn)室內(nèi)機(jī)→室外的節(jié)流裝置采用電子膨脹閥，設(shè)定為全開(kāi)。

B. 室內(nèi)熱交換器的回路中間的節(jié)流裝置進(jìn)行節(jié)流，該節(jié)流裝置上游的室內(nèi)熱交換器部分為冷凝器，該節(jié)流裝置下游的室內(nèi)熱交換器部分為蒸發(fā)器。

（2）通常的制冷、制熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將室內(nèi)側(cè)的節(jié)流裝置全開(kāi)，通過(guò)室外的節(jié)流裝置進(jìn)行節(jié)流減壓。

再熱除濕的壓焓圖和空氣線(xiàn)圖如圖7、圖8所示。

3.3 再熱除濕的控制思路

通過(guò)調(diào)整室外風(fēng)量、壓縮機(jī)頻率、室內(nèi)風(fēng)量、室內(nèi)節(jié)流量和室外節(jié)流量等變量，相關(guān)參數(shù)在壓焓圖上的變動(dòng)如圖9所示。為了簡(jiǎn)化控制，我們只對(duì)影響大的變量進(jìn)行調(diào)節(jié)：

（1）室內(nèi)側(cè)節(jié)流，室外側(cè)不節(jié)流；

（2）由于室內(nèi)風(fēng)量受用戶(hù)的喜好影響，設(shè)定權(quán)應(yīng)交給用戶(hù)，因此不作為變量調(diào)節(jié)；

（3）通過(guò)調(diào)整室外側(cè)風(fēng)量來(lái)調(diào)整室外冷凝能力，從而間接調(diào)整室內(nèi)側(cè)的冷凝能力，以調(diào)整顯熱能力和吹出溫度；

（4）通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)的頻率來(lái)調(diào)整潛熱能力、控制除濕量；

（5）通過(guò)設(shè)置濕度傳感器，對(duì)濕度進(jìn)行顯示和控制。

3.4 實(shí)機(jī)研制及對(duì)比測(cè)試結(jié)果

3.4.1 再熱除濕時(shí)室內(nèi)冷凝器部分與蒸發(fā)器部分的劃分

圖1 濕度75%的舒適區(qū)間

圖2 濕度50%的舒適區(qū)間

圖3弱制冷除濕的工作原理

圖4 再熱除濕的工作原理

圖5 弱制冷除濕制冷系統(tǒng)回路

圖6 再熱除濕制冷系統(tǒng)回路

圖7 再熱除濕的壓焓圖

圖9 壓焓圖

我們研制了某1.5匹掛壁機(jī)，該機(jī)組室內(nèi)冷凝器部分和蒸發(fā)器部分的劃分如圖4所示。節(jié)流裝置配置在室內(nèi)冷凝器部分和蒸發(fā)器部分之間。配置時(shí)，要注意避免蒸發(fā)器上的凝結(jié)水下滴到冷凝器上引起水分的再次蒸發(fā)。關(guān)于節(jié)流裝置的位置如何設(shè)置最佳，即室內(nèi)冷凝器部分和蒸發(fā)器部分如何配比最佳，今后還需要進(jìn)行更深入的研究。

表1 弱制冷除濕和再熱除濕下某1.5匹掛壁機(jī)的參數(shù)

圖8 再熱除濕的空氣線(xiàn)圖

3.4.2 關(guān)于除濕量的比較

我們對(duì)比測(cè)試了某1.5匹掛壁機(jī)分別在弱制冷除濕和再熱除濕下的參數(shù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，在同等初始室內(nèi)工況條件（室溫21.0℃/相對(duì)濕度90%）、同等室外工況條件（24.0℃）和同等運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（2Hr）下，弱制冷除濕時(shí)室溫下降較多，但相對(duì)濕度并沒(méi)有下降多少，且吹出溫度低，人會(huì)感到太冷。而再熱除濕方式則能維持室溫基本不變，相對(duì)濕度得到了有效下降，吹出溫度明顯比弱制冷溫和舒適，除濕量比弱制冷提高了約39%。

3.4.3 關(guān)于相對(duì)濕度、室溫及耗電量的比較

我們對(duì)比測(cè)試了某1.5匹掛壁機(jī)在弱制冷除濕和再熱除濕下運(yùn)轉(zhuǎn)200分鐘左右的相對(duì)濕度、室溫及耗電量，測(cè)試結(jié)果如圖10、圖11所示。兩種運(yùn)轉(zhuǎn)模式的試驗(yàn)工況條件相同，均為：室內(nèi)房間初始溫度為30℃，初始相對(duì)濕度為70%，室外環(huán)境溫度為29℃。

如圖10所示，開(kāi)機(jī)時(shí)先運(yùn)行通常的制冷運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)定溫度24℃，約10分鐘后房間溫度達(dá)到24℃后轉(zhuǎn)為弱制冷除濕運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)開(kāi)開(kāi)停停，整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中直至試驗(yàn)結(jié)束（運(yùn)行187分鐘后），室溫基本能維持在24℃，但相對(duì)濕度一直在70%附近波動(dòng)，沒(méi)有下降。累計(jì)耗電量約600W?h。

圖10弱制冷除濕模式

圖11 再熱除濕模式

如圖11所示，開(kāi)機(jī)即按再熱除濕模式運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)定溫度24℃，設(shè)定濕度40%，約運(yùn)轉(zhuǎn)20分鐘后，房間溫度達(dá)到設(shè)定溫度24℃，之后室溫一直維持在24℃左右，約60分鐘后，壓縮機(jī)維持低頻運(yùn)轉(zhuǎn)，在約140分鐘時(shí)，相對(duì)濕度達(dá)到設(shè)定的40%，之后一直維持在該濕度直至停止試驗(yàn)，在與如圖10所示的弱制冷運(yùn)轉(zhuǎn)相同的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)187分鐘時(shí)，累計(jì)耗電量約850W?h，比弱制冷提高約40%。但是弱制冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相對(duì)濕度無(wú)法降低，無(wú)法滿(mǎn)足使用需求，因此再熱除濕時(shí)累計(jì)耗電量的提高是合理的。

3.5 再熱除濕的優(yōu)缺點(diǎn)

再熱除濕的優(yōu)點(diǎn)是在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的自由控制，除濕量大（濕度容易下降），可以實(shí)現(xiàn)溫度基本不變的除濕，體感舒適。再熱除濕的缺點(diǎn)是相對(duì)弱制冷來(lái)說(shuō)，消費(fèi)電力略高；回路構(gòu)成較復(fù)雜、價(jià)格較高。

4 結(jié)論

本文論述了再熱除濕的工作原理、制冷劑回路、壓焓圖、空氣線(xiàn)圖、控制思路、實(shí)機(jī)驗(yàn)證和優(yōu)缺點(diǎn)等諸多方面。結(jié)論如下：

（1）通過(guò)對(duì)室內(nèi)蒸發(fā)器的分割，可同時(shí)提供對(duì)空氣加熱和除濕的功能。利用增設(shè)的室內(nèi)電子膨脹閥和室外節(jié)流裝置配合，實(shí)現(xiàn)制冷、制熱和再熱除濕功能。

（2）通過(guò)對(duì)電子膨脹閥開(kāi)度、室外換熱量、壓縮機(jī)頻率的調(diào)整，可以對(duì)除濕量和降溫量進(jìn)行精確的調(diào)整，除濕能力遠(yuǎn)大于目前使用的弱制冷除濕方式。