基于新風(fēng)機(jī)的空氣除濕解決方案研究

張玉峰

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

空氣濕度作為一個評價空氣質(zhì)量情況的重要參數(shù)，是各種空氣調(diào)節(jié)過程和熱設(shè)計中設(shè)計人員的重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)。我國南方大部分地區(qū)全年室外空氣相對濕度超過70%，而過高的空氣濕度會給人帶來明顯的不舒適感[1-2]，因此需要采取有效的措施來適當(dāng)降低建筑內(nèi)的空氣濕度。目前市場上除濕技術(shù)多樣且應(yīng)用廣泛，主要用到的氣體除濕方法有膜法除濕、冷凝除濕和吸附除濕等[3]。膜法除濕的原理是以膜兩側(cè)水蒸氣壓力差為驅(qū)動力，利用膜材料對水蒸氣的選擇滲透性使水蒸氣與其他氣體分離，達(dá)到氣體除濕目的。按材料分類，主要為高分子聚合膜、無機(jī)膜、液膜等[4]。目前此項技術(shù)在新風(fēng)產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，代表產(chǎn)品為全熱交換芯體，使用的是高分子聚合膜。不同交換膜的性能對比見表1。

表1 不同交換膜的性能對比

冷凝除濕的原理是利用制冷劑蒸發(fā)給空氣降溫，將濕空氣通過熱交換方法除濕，使?jié)窨諝饨禍?，?dāng)濕空氣的溫度達(dá)到該溫度空氣的露點(diǎn)溫度時水汽飽和結(jié)露，空氣中的水蒸氣以凝結(jié)方式去除[5]。冷凝除濕的優(yōu)勢在于除濕效果快，可連續(xù)作業(yè)。目前市面上常見的除濕機(jī)在制冷除濕的基礎(chǔ)上增加了換熱器或電輔熱用于對除濕后的空氣再熱，避免空氣持續(xù)降溫。但電輔熱的應(yīng)用存在能耗過高的問題，而只能加冷凝器再熱會使室內(nèi)溫度持續(xù)升高。此外制冷除濕還存在在低溫環(huán)境下除濕效果下降的問題[6]。

吸附除濕原理是通過吸附劑的吸水性和加熱再生特性，實(shí)現(xiàn)對空氣的水分去除。其優(yōu)勢在于可在低溫低濕狀態(tài)獲得低露點(diǎn)空氣，可利用低品位能源進(jìn)行再生，結(jié)構(gòu)和維護(hù)簡單，噪聲低以及運(yùn)行可靠性高。但存在再生耗熱量大的問題，使得這類除濕機(jī)能耗較高，同時會使空氣溫度升高，許多學(xué)者在其循環(huán)利用，低耗再生的方向進(jìn)行了深入研究[7]。在吸附除濕原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合冷凝除濕，發(fā)明了內(nèi)冷除濕方法，其原理是將固體吸附劑均勻涂在換熱器上。除濕工況下，換熱器內(nèi)部通入冷流體，對吸附劑進(jìn)行降溫，并對被處理空氣進(jìn)行降溫除濕；再生工況下，換熱器內(nèi)部通入熱流體，吸附劑被加熱，并對再生空氣進(jìn)行加熱加濕。因此，內(nèi)冷除濕床的再生溫度得以降低，使得低溫?zé)嵩吹膽?yīng)用得以實(shí)現(xiàn)[8]。本文根據(jù)膜法除濕、制冷除濕以及吸附除濕原理，在全熱交換新風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上對這3 種方法的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了一種基于新風(fēng)機(jī)的除濕解決方案，并取得了較好的除濕效果。

1 樣品制備與結(jié)果分析

1.1 膜法除濕

在對全熱交換芯體進(jìn)行高效率應(yīng)用時，研究者對芯體的膜材[9]、迎風(fēng)面氣流分布[10]以及芯體流道結(jié)構(gòu)[11]等多方面進(jìn)行了仿真計算和實(shí)驗(yàn)測試。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，如果需要提高其交換性能，一般從芯體尺寸入手進(jìn)行調(diào)整，包括增加芯體長度、擴(kuò)大進(jìn)風(fēng)面積、增加逆流道長度，或者減小芯體層高。亦或是通過調(diào)整交換膜，如使用高分子膜、在交換膜中加入石墨烯等材料，強(qiáng)化換熱換濕效果。以上方式在實(shí)踐中均有應(yīng)用，并取得不錯的效果。但存在提高物料成本、增大機(jī)內(nèi)阻力等情況。因此優(yōu)化芯體內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)，通過改善氣流組織、增大紙膜有效利用率成為了一種既可以提高芯體換熱換濕性能，又可控制成本的方法。本文通過一種采用中空板為芯體框架基材的六邊形全熱交換芯體內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，全新設(shè)計形體流道結(jié)構(gòu)，提升氣流通過芯體截面的均勻性，改善不同通道間氣流速度的差異，提高對換熱膜材利用效率[12]。從而達(dá)到降低芯體阻力，提升熱交換性能的目的。解決了傳統(tǒng)六邊形全熱交換芯體內(nèi)部流道框架單獨(dú)流道內(nèi)支撐不足，容易塌陷導(dǎo)致阻力增大的問題。同時可以避免因芯體進(jìn)風(fēng)面上下過風(fēng)不均，造成的芯體新風(fēng)通道流速大的區(qū)域?qū)?yīng)的排風(fēng)通道區(qū)域流速反而低，風(fēng)量分配不平衡，阻力大，熱交換效率低的問題。

單片框架示意圖如圖1 所示。

圖1 單片框架示意圖

相比于S 型流道芯體，在相交于框架通A～B，C～D的方向上設(shè)置多組加強(qiáng)筋，用于保持交換膜的支撐強(qiáng)度，加強(qiáng)筋方向可垂直于通道方向，也可形成一定角度，因具有通孔，并不會阻礙氣體流動，又能夠?qū)崿F(xiàn)芯體膜間垂直方向上的支撐，避免了芯體受潮塌陷造成的阻力增大。經(jīng)過流道優(yōu)化，中空板平行流（P）道芯體阻力較S 型流道芯體（S）平均降低了15%左右，如圖2所示，且AB 通道之間的阻力值更為平衡，相同情況下新排風(fēng)不會因全熱交換芯體內(nèi)部流道阻力不平衡而導(dǎo)致交換膜塌陷。此外，在芯體測試中發(fā)現(xiàn)的六邊形芯體直角端（A 端）風(fēng)速明顯小于鈍角端（B 端），對于同一張交換膜來說，膜兩側(cè)的新排風(fēng)風(fēng)量不均，導(dǎo)致?lián)Q濕性能降低。為此芯體采用了平行流道設(shè)計，且流道之間被中空板的分隔筋分開，避免了不同流道間因串流導(dǎo)致的分配不均，A 端與B 端風(fēng)量基本一致，因此提高了換熱換濕能力。

圖2 平行流道與S 型流道設(shè)計的芯體阻力對比

經(jīng)交換效率實(shí)驗(yàn)測試，單個芯體制冷工況換濕效率提高了約8%，制熱工況換濕效率提高了約3%，見表2。

表2 濕度交換效率優(yōu)化

1.2 冷凝除濕

根據(jù)計算要求，換熱器能力按實(shí)際需求的110%設(shè)計，換熱系數(shù)因管排數(shù)增加，按70%進(jìn)行計算，計算換熱器制冷能力為5.2 kW。換熱器參數(shù)見表3。

表3 換熱器參數(shù)

如圖3 所示，換熱器制冷能力達(dá)到5.41 kW，整機(jī)新風(fēng)含濕量降低了9.55 g/kg，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50019—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定夏季室內(nèi)房間空調(diào)設(shè)計的相對濕度為40%～65%，該方案通過再升溫即可滿足室內(nèi)27℃，51.4%RH 的舒適度要求。此時整機(jī)除濕量可達(dá)到6.88 kg/h。新風(fēng)機(jī)在進(jìn)行新風(fēng)除濕的過程中，還會進(jìn)行房屋空氣置換，即可滿足在0.5 h 內(nèi)將層高2.8 m，建筑面積100 m2空間空氣調(diào)整至穩(wěn)定舒適的狀態(tài)。

圖3 冷凝與膜法搭配組合除濕能力

1.3 吸附除濕

盡管通過全熱交換芯體的應(yīng)用，可以節(jié)省一部分換熱器能力，但全熱交換芯體自身的被動換熱換濕性能導(dǎo)致其交換效率依賴于室內(nèi)外空氣溫濕度的不平衡工況，當(dāng)溫度梯度和含濕量梯度不明顯時，其被動交換效果會降低。為此設(shè)計使用吸附劑來彌補(bǔ)這方面缺陷。采用由格力電器與上海交通大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的活性氧化鋁基的新型復(fù)合吸附劑對新風(fēng)進(jìn)行除濕[13]。測試使用鋁基蜂窩式填料模塊，尺寸為60 mm*167 mm*458 mm，阻力測試值如圖4 所示。

圖4 填料模塊阻力匹配

單個填料模塊適用風(fēng)量段為150～250 m3/h，阻力為54～126 Pa，填料1.5 kg。

使用吸附劑粒徑2～3 mm，30℃條件，60%RH：0.28 g/g；再生溫度50℃[13]。兩塊填料模塊即可代替換熱器30%除濕能力。并設(shè)計了轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，用于將吸附劑在吸附后轉(zhuǎn)至安放在新風(fēng)機(jī)排風(fēng)風(fēng)道的解析室，利用在排風(fēng)風(fēng)道的冷凝器散熱對吸附劑進(jìn)行解析。其結(jié)構(gòu)密封性能仍不理想，需進(jìn)一步改進(jìn)滿足新排風(fēng)串風(fēng)的問題。

2 結(jié)論

（1）整體上，新風(fēng)機(jī)通過膜法、冷凝和吸附除濕，在保證600 m3/h 新風(fēng)量的情況下，整機(jī)平均每小時除濕量約為6.88 kg/h，能夠滿足層高2.8 m、100 m2室內(nèi)半小時內(nèi)空氣溫濕度達(dá)到目標(biāo)值。

（2）將全熱交換芯體內(nèi)部優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)，通過中空垂直支撐筋設(shè)計和可以使同尺寸的芯體阻力平均降低15%，最大風(fēng)量情況降低21.05%；通過平行流道設(shè)計最大可使全熱交換芯體交換效率提高8%。

（3）吸附劑除濕在新風(fēng)機(jī)中有著良好的應(yīng)用前景，在本文實(shí)驗(yàn)條件下可代替30%蒸發(fā)器的冷凝除濕能力，其再生裝置結(jié)構(gòu)在家用新風(fēng)機(jī)上的新、排風(fēng)密封方式是急需解決的問題。