轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生排風(fēng)熱濕回收性能試驗(yàn)研究

范 紅，石全成，褚于頡，陳 柳

（西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，西安 710054）

關(guān)鍵字：轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)；再生排風(fēng)；熱回收；空氣取水

0 引言

傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)采用熱濕聯(lián)合處理，過冷后的空氣再加熱的空氣處理方法，需要消耗大量電能[1]。眾多研究人員致力于研究傳統(tǒng)空調(diào)替代技術(shù)以克服上述問題，轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)是一種新的空調(diào)方法，該系統(tǒng)可充分利用太陽能、地?zé)崮芎陀酂釓U熱等低品位熱能驅(qū)動(dòng)，顯著降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗[2-6]。

空調(diào)系統(tǒng)的排熱會(huì)影響城市熱環(huán)境[7]，對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的熱回收有利于減輕城市熱島效應(yīng)。袁艷等[8]設(shè)置顯熱換熱器回收轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)吸附熱，把除濕過程產(chǎn)生的吸附熱轉(zhuǎn)移到再生空氣加熱側(cè)。張于峰等[9]研究了一種新型的高溫?zé)岜眯娃D(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用蒸發(fā)器對(duì)除濕升溫后的熱空氣進(jìn)行熱回收處理，同時(shí)冷凝熱作為再生熱量，在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)冷量和熱量的回收利用。葛鳳華等[10]建立了空氣源熱泵機(jī)組與小型固體除濕轉(zhuǎn)輪機(jī)組相結(jié)合的復(fù)合機(jī)組，用冷凝器提供系統(tǒng)一部分的再生能耗。上述研究熱回收主要集中在轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的除濕側(cè)，而再生側(cè)排出的高溫空氣則被忽略排出系統(tǒng)，從轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)排出的高溫高濕空氣，會(huì)加劇城市的溫室效應(yīng)。

從轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生側(cè)排出的熱濕空氣會(huì)造成室外水蒸氣增加?，F(xiàn)如今，水已成為一種受限的資源，缺水成為一個(gè)世界性的普遍現(xiàn)象，從熱濕空氣中取水被許多學(xué)者研究，王星天等[11]設(shè)計(jì)了一種新型空氣取水系統(tǒng)，利用溫度較為恒定的土壤作為冷源，通過降溫的方式達(dá)到空氣取水的效果。HABEEBULLAH[12]將新鮮的濕熱空氣通過蒸發(fā)器盤管冷卻，評(píng)估了冷凝取水的能力。歷德義等[13]利用半導(dǎo)體的帕爾貼效應(yīng)從濕度大的空氣獲得水分。PATEL等[14]開發(fā)并研究了一種大氣取水設(shè)備，實(shí)驗(yàn)研究了在不同氣候條件下設(shè)備取水性能，結(jié)果表明，平均提取率為1.78 L/h。HEIDARI等[15]提出轉(zhuǎn)輪除濕與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的系統(tǒng)，再生空氣的含水量被回收以用于蒸發(fā)冷卻用水。張瑞賢等[16]選用了兩臺(tái)并聯(lián)蒸發(fā)器和兩臺(tái)串聯(lián)冷凝器對(duì)空氣取水。

本文提出了一種轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生排風(fēng)熱量回收及空氣取水系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生排風(fēng)進(jìn)行熱量回收及空氣取水，提高能源利用效率。搭建了轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生排風(fēng)熱量回收及空氣取水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了供水溫度和再生排風(fēng)對(duì)熱量回收及空氣取水的影響。

1 系統(tǒng)及試驗(yàn)裝置

1.1 系統(tǒng)原理

轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)排風(fēng)熱回收及空氣取水系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)、再生排風(fēng)熱回收及空氣取水裝置構(gòu)成，系統(tǒng)有3種模式。

模式1：單一排風(fēng)熱回收模式，即對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生排風(fēng)設(shè)置空氣-水熱回收換熱器，供水溫度高于排風(fēng)空氣9的露點(diǎn)溫度并低于排風(fēng)空氣9的干球溫度（如自來水），空氣-水熱回收換熱器可回收排風(fēng)顯熱，加熱空氣-水熱回收換熱器的管內(nèi)冷水，用于轉(zhuǎn)輪除濕的再生加熱的預(yù)熱器（空氣水換熱器）；

模式2：單一空氣取水模式，即對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生排風(fēng)設(shè)置空氣-水取水換熱器，供水溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度，空氣-水取水換熱器可預(yù)冷空氣，并同時(shí)對(duì)排風(fēng)空氣取水。預(yù)冷后空氣作為轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)處理側(cè)的進(jìn)風(fēng)空氣；

模式3：排風(fēng)熱回收聯(lián)合空氣取水模式，即對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生排風(fēng)分別設(shè)置2臺(tái)空氣-水換熱器，再生排風(fēng)先通過空氣-水熱回收換熱器，對(duì)再生排風(fēng)9進(jìn)行熱回收后，空氣9等濕冷卻至空氣10，再經(jīng)過空氣-水取水換熱器，空氣10冷卻減濕到空氣11，對(duì)排風(fēng)空氣進(jìn)行預(yù)冷取水，空氣11和室外新風(fēng)1混合后用于轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)處理側(cè)進(jìn)風(fēng)，模式3的工作原理如圖1所示，焓濕圖如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)排風(fēng)熱回收及空氣取水系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of the system for recovery of heat from exhaust air and water extraction from air in desiccant wheel air conditioning system

圖2 轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生排風(fēng)熱濕回收焓濕圖Fig.2 Psychrometric chart of recovery of heat from exhaust air and water extraction from air in desiccant wheel air conditioning system

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生側(cè)只有電加熱器，處理側(cè)由轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)和表冷器組成，處理空氣側(cè)空氣處理過程如下：處理空氣1經(jīng)除濕轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)升溫減濕到狀態(tài)點(diǎn)2，由于吸附熱的產(chǎn)生，使?fàn)顟B(tài)點(diǎn)2的溫度較高，后經(jīng)表冷器干工況冷卻到滿足送風(fēng)要求的狀態(tài)點(diǎn)3。再生空氣側(cè)空氣處理過程為：再生空氣1經(jīng)空氣加熱器加熱到滿足除濕要求的再生空氣5，送入除濕轉(zhuǎn)輪的再生區(qū)，使再生區(qū)的干燥劑脫附水份，冷卻增濕到狀態(tài)點(diǎn)6。空氣處理過程焓濕圖如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)焓濕圖Fig.3 Psychrometric chart of traditional desiccant wheel air conditioning system

與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)相比，本文所提出的系統(tǒng)通過設(shè)置空氣-水熱回收換熱器對(duì)再生排風(fēng)進(jìn)行熱回收，并將熱量通過空氣-水換熱器對(duì)再生風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱處理，節(jié)約了電加熱器的能耗，進(jìn)而大大節(jié)約了系統(tǒng)再生能耗；同時(shí)，將取水處理后溫度較低的再生排風(fēng)送入處理側(cè)，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)能耗。

1.2 試驗(yàn)裝置

為了進(jìn)行轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)夏季再生排風(fēng)回收研究，建立了一套試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)原理同圖1，試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置Fig.4 Diagram of experimental device for desiccant wheel air conditioning system

該系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，自動(dòng)采集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，試驗(yàn)裝置的測量參數(shù)及傳感器的類型和精度見表1。試驗(yàn)分別對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)排風(fēng)熱回收及空氣取水系統(tǒng)模式1，2進(jìn)行排風(fēng)熱回收及空氣取水研究。模式3為模式1，2的聯(lián)合作用，其性能由模式1，2的性能進(jìn)行分析即可獲得。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 Sensor parameters

2 性能指標(biāo)

（1）熱回收量。

式中 QR——熱回收量，kW，反映系統(tǒng)熱回收能力；

C——再生空氣排風(fēng)比熱容，kJ/（kg·℃）；

mp——再生空氣質(zhì)量流量，kg/s；

T9——空氣-水熱回收換熱器進(jìn)風(fēng)溫度，℃；

T10——空氣-水熱回收換熱器出風(fēng)溫度，℃。

（2）預(yù)冷制冷量。

式中 Qc——預(yù)冷制冷量，kW；

h10——空氣-水取水換熱器進(jìn)風(fēng)焓值，kJ/kg；

h11——空氣-水取水換熱器出風(fēng)焓值，kJ/kg。

（3）熱力系統(tǒng)性能系數(shù)。

熱力系統(tǒng)性能系數(shù)TCOP是系統(tǒng)制冷量除以再生加熱器的加熱量，計(jì)算式為：

式中 TCOP——熱力系統(tǒng)性能系數(shù)，反映系統(tǒng)性能；

QCC——系統(tǒng)制冷量，kW；

Qt——再生熱耗，kW；

mc——處理空氣質(zhì)量流量，kg/s；

h1——系統(tǒng)處理空氣進(jìn)風(fēng)焓值，kJ/kg；

h5——系統(tǒng)處理空氣出風(fēng)焓值，kJ/kg；

h8——電加熱器出口空氣焓值，kJ/kg；

h7——電加熱器進(jìn)口空氣焓值，kJ/kg。

3 試驗(yàn)研究

3.1 再生排風(fēng)性能

3.1.1 再生溫度對(duì)再生排風(fēng)性能影響

當(dāng)除濕側(cè)入口（狀態(tài)點(diǎn)2）溫度32 ℃、風(fēng)量0.49 m3/s、含濕量24.1 g/kg；表冷器供水溫度15 ℃；再生空氣（狀態(tài)點(diǎn)8）含濕量為9.2 g/kg、風(fēng)量0.16 m3/s；再生溫度從90 ℃增加到120 ℃，研究再生溫度T再生對(duì)再生側(cè)出口溫度T9及出口含濕量d9的影響。

再生溫度從90 ℃增加到120 ℃，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)出口溫度從38.9 ℃增加到50.1 ℃，漲幅為22.2%，如圖5所示；轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)出口含濕量從26.8 g/kg增加到38.6 g/kg，漲幅為45.1%，如圖6所示。

圖5 T再生對(duì)再生排風(fēng)溫度的影響Fig.5 Effect of regeneration temperature on regeneration exhaust air temperature

圖6 T再生對(duì)再生排風(fēng)含濕量的影響Fig.6 Effect of regeneration temperature on regeneration exhaust air humidity

再生溫度的提高導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪的吸附能力和解吸能力加強(qiáng)，由于吸附熱的增加導(dǎo)致再生側(cè)排風(fēng)溫度增加，解吸能力增加導(dǎo)致再生側(cè)排風(fēng)含濕量增加。轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)的出口溫度達(dá)到38.9～50.1 ℃，出口含濕量達(dá)到 26.8～38.6 g/kg，故具有很高的熱濕回收價(jià)值。

如圖7所示，當(dāng)再生溫度從90 ℃增加到120 ℃，系統(tǒng)熱力性能系數(shù)從0.81降低到0.6，降幅為26.3%。再生溫度的提高會(huì)增加再生熱耗，導(dǎo)致系統(tǒng)TCOP降低，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)以增加TCOP為主，兼顧熱濕回收性能，合理選擇再生溫度。

圖7 T再生對(duì)TCOP的影響Fig.7 Effect of regeneration temperature on TCOP

3.1.2 再生空氣入口含濕量對(duì)再生排風(fēng)性能影響

當(dāng)除濕側(cè)入口（狀態(tài)點(diǎn)2）溫度為32 ℃、風(fēng)量為0.49 m3/s、含濕量為24.1 g/kg；表冷器供水溫度為15 ℃；再生風(fēng)量為0.16 m3/s；再生溫度為120 ℃，研究再生空氣（狀態(tài)點(diǎn)8）含濕量d再生對(duì)再生側(cè)出口溫度T9及出口含濕量d9的影響。

如圖8所示，再生空氣含濕量從7.1 g/kg增加到10.2 g/kg，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)出口溫度從48.2 ℃降低到46.0 ℃，降幅為4.5%。

圖8 d再生對(duì)再生排風(fēng)溫度的影響Fig.8 Effect of regeneration humidity on regeneration exhaust air temperature

如圖9所示，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)出口含濕量從37.0 g/kg增加到38.4 g/kg，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)出口和進(jìn)口含濕量差值從29.9 g/kg減少到28.2 g/kg。再生空氣含濕量的提高導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力下降，再生側(cè)解吸能力下降，因此解吸出的水蒸氣減少，同時(shí)也削弱了除濕側(cè)的吸附能力，降低了吸附熱，導(dǎo)致再生側(cè)出口溫度降低。因此，干燥再生空氣更有利于轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的再生。

圖9 d再生對(duì)再生排風(fēng)含濕量的影響Fig.9 Effect of regeneration humidity on regeneration exhaust air humidity

3.2 熱回收性能

3.2.1 熱回收換熱器供水溫度對(duì)熱回收性能影響

當(dāng)再生排風(fēng)空氣溫度為50.1 ℃、含濕量為38.1 g/kg、風(fēng)量為0.16 m3/s，研究熱回收換熱器供水溫度從18 ℃增加到22 ℃變化對(duì)熱回收性能的影響。

如圖10所示，當(dāng)供水溫度從18 ℃增加到22 ℃時(shí)，回水溫度從34.0 ℃增加到35.4 ℃，漲幅為16.25 %，供回水溫差從16.0 ℃降低到13.4 ℃。因排風(fēng)空氣參數(shù)一定，供水溫度增大，降低了傳熱溫差，所以供回水溫差降低。

圖10 T供水對(duì)T回水的影響Fig.10 Effect of water supply temperature on return water temperature

如圖11所示，當(dāng)供水溫度從18 ℃增加到22 ℃時(shí)，熱回收量從3.5 kW降低到3.1 kW，降幅為11.4%。因排風(fēng)參數(shù)一定，供水溫度增大，降低了傳熱溫差，從而減小了熱回收的驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致熱回收量降低。熱回收換熱器可以回收排風(fēng)空氣的熱量，制備出再生空氣預(yù)熱器熱水，可以提高轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)能源的利用率。試驗(yàn)用熱回收換熱器性能一般，采用高效熱回收換熱器可進(jìn)一步提高熱回收能力。

圖11 T供水對(duì)熱回收量的影響Fig.11 Effect of water supply temperature on heat recovery capacity

3.2.2 再生排風(fēng)溫度對(duì)熱回收性能影響

當(dāng)熱回收換熱器供水溫度為20 ℃、再生排風(fēng)空氣含濕量為38.1 g/kg、排風(fēng)風(fēng)量為0.16 m3/s時(shí)，研究再生排風(fēng)溫度從46 ℃增加到50 ℃對(duì)熱回收性能的影響。如圖12所示，當(dāng)再生空氣出口溫度從46 ℃增加到50 ℃時(shí)，回水溫度從33.9 ℃增加到35.7 ℃，漲幅為5.3 %，供回水溫的差值從13.9 ℃增加到15.7 ℃。如圖13所示，熱回收量從2.8 kW增加到3.3 kW，漲幅為17.9 %。因供水溫度一定，當(dāng)再生排風(fēng)溫度增加時(shí)，增大了排風(fēng)空氣和熱回收裝置的傳熱溫差，使得熱回收量增加。

圖12 T9對(duì)T回水的影響Fig.12 Effect of regeneration temperature on return water temperature

圖13 T9對(duì)熱回收量的影響Fig.13 Effect of regeneration temperature on heat recovery capacity

3.3 再生排風(fēng)預(yù)冷取水性能

3.3.1 取水換熱器供水溫度對(duì)再生排風(fēng)預(yù)冷取水影響

當(dāng)再生排風(fēng)溫度50.1 ℃、含濕量為38.1 g/kg、風(fēng)量為0.16 m3/s，研究取水換熱器供水溫度變化對(duì)預(yù)冷制冷量和取水量的影響，供水溫度從12 ℃增加到17 ℃（取水量從5.6 kg/h降低到4.2 kg/h，降幅為25%），如圖14所示，在排風(fēng)空氣參數(shù)一定的條件下，供水溫度增大，降低了排風(fēng)空氣與熱濕回收裝置的傳熱溫差，因此冷卻能力降低，取水量降低。供水溫度從16 ℃增加到17 ℃時(shí)，取水量基本不變。如圖15所示，預(yù)制冷量從10.6 kW降低到8.8 kW，降幅為17%。在排風(fēng)空氣參數(shù)一定的條件下，供水溫度增大，降低了排風(fēng)空氣與熱濕回收裝置的傳熱溫差，因此制冷能力降低，預(yù)制冷量降低。實(shí)際應(yīng)用中，以滿足送風(fēng)溫度為前提，盡可能提高供水溫度，從而降低冷源的能耗。

圖14 T供水對(duì)取水量的影響Fig.14 Effect of water supply temperature on water extraction capacity

圖15 T供水對(duì)預(yù)制冷量的影響Fig.15 Effect of water supply temperature on precooling capacity

3.3.2 再生排風(fēng)溫度對(duì)再生排風(fēng)預(yù)冷取水影響

當(dāng)供水溫度為14 ℃，風(fēng)量為0.16 m3/s；研究再生排風(fēng)溫度，即空氣取水換熱器進(jìn)口溫度變化對(duì)取水量的影響，再生空氣出口溫度從46 ℃增加到50 ℃。如圖16所示，當(dāng)再生空氣進(jìn)口溫度從46 ℃增加到50 ℃，取水量從4.6 kg/h升高到5.7 kg/h，漲幅為24%。轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生空氣出口溫度增加，空氣取水換熱器的傳熱推動(dòng)力和傳質(zhì)推動(dòng)力增加，因此會(huì)析出更多的水分，所以取水量會(huì)增加。如圖17所示，預(yù)制冷量從9.6 kW增加到10.1 kW，漲幅為5.2%。因供水溫度一定，當(dāng)再生空氣進(jìn)口溫度增加，增加了排風(fēng)空氣與熱濕回收裝置的傳熱溫差，制冷能力增強(qiáng)，所以預(yù)制冷量增加。

圖16 T9對(duì)取水量的影響Fig.16 Effect of regeneration temperature on water extraction capacity

圖17 T9對(duì)預(yù)制冷量的影響Fig.17 Effect of regeneration temperature on precooling capacity

3.4 再生排風(fēng)取水水質(zhì)檢測

再生排風(fēng)取水水質(zhì)檢測結(jié)果見表2。再生排風(fēng)取水、自來水和蒸餾水水質(zhì)比較見表3。pH值為7.04，電導(dǎo)率為24.7 μs/cm，渾濁度未檢出。再生排風(fēng)取水的酸性略高于蒸餾水，因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)代城市的大氣中都存在酸性沉積物；然而，再生排風(fēng)取水的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自來水，略高于蒸餾水，表明其受無機(jī)溶解固體（如氯化物、硫酸鹽、鈉、鈣等）的影響較小，通過分析比較可得該水質(zhì)更優(yōu)。

表2 再生排風(fēng)取水水質(zhì)檢測結(jié)果Tab.2 Test results of quality of water extracted from the regeneration side exhaust air

表3 再生排風(fēng)取水、自來水和蒸餾水水質(zhì)比較Tab.3 Comparison of water quality of water extracted from the regeneration side exhaust air，tap water and distilled water

4 結(jié)論

（1）再生溫度從90 ℃增加到120 ℃，轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生側(cè)出口溫度從38.9 ℃增加到50.1 ℃；轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)再生側(cè)出口含濕量從26.8 g/kg增加到38.6 g/kg。轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)的出口溫度達(dá)到38.9～50.1 ℃，出口含濕量達(dá)到26.8～38.6 g/kg，故具有很高的熱濕回收價(jià)值。

（2）再生空氣含濕量從7.1 g/kg增加到10.2 g/kg，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)出口溫度從48.2 ℃降低到46.0 ℃；轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)出口含濕量從37.0 g/kg增加到38.4 g/kg，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生側(cè)出口和進(jìn)口含濕量差值從29.9 g/kg減少到28.2 g/kg。

（3）通過對(duì)排風(fēng)空氣進(jìn)行熱回收試驗(yàn)表明，當(dāng)供水溫度從18 ℃增加到22 ℃時(shí)，熱回收量從3.5 kW降低到3.1 kW；當(dāng)再生空氣出口溫度從46 ℃增加到50 ℃時(shí)，熱回收量從2.8 kW增加到3.3 kW。

（4）通過對(duì)再生排風(fēng)預(yù)冷取水性能試驗(yàn)表明，當(dāng)供水溫度從12 ℃增加到17 ℃，取水量從5.6 kg/h降低到4.2 kg/h，預(yù)制冷量從10.6 kW降低到8.8 kW；當(dāng)再生空氣進(jìn)口溫度從46 ℃增加到50 ℃，取水量從4.6 kg/h升高到5.7 kg/h，預(yù)制冷量從9.6 kW增加到10.1 kW。通過水質(zhì)檢測，再生排風(fēng)取水水質(zhì)優(yōu)于自來水。