王濤 胡曉微 胡濤濤

天津商業(yè)大學機械工程學院

近年來，轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)作為新型的除濕空調(diào)系統(tǒng)引起國內(nèi)外很多學者的關注[1～2]。轉(zhuǎn)輪除濕用于空調(diào)系統(tǒng)中的構(gòu)成形式有多種，其目的在于實現(xiàn)對空氣的冷卻和除濕。由于轉(zhuǎn)輪再生能耗是轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的主要能耗之一。國內(nèi)外學者對再生能耗問題作了諸多的研究[3～5]，當前，再生能耗的研究成為轉(zhuǎn)輪除濕研究的主流。用于再生的能量主要來源于電能、廢熱、太陽能以及系統(tǒng)回收的熱量等。其它的方式還有用燃氣直接加熱空氣[6]，燃氣熱泵加熱器[7]，制冷系統(tǒng)的余熱[8]等。關于轉(zhuǎn)輪耦合系統(tǒng)形式的可行性研究也有很多，有轉(zhuǎn)輪與高溫空氣源熱泵的耦合空調(diào)系統(tǒng)的性能的研究，太陽能兩級轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)試驗研究，轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的研究，除濕轉(zhuǎn)輪與冷熱聯(lián)產(chǎn)熱泵藕合式空調(diào)系統(tǒng)性能研究以及轉(zhuǎn)輪兩級除濕空調(diào)系統(tǒng)的研究等，都是近幾年轉(zhuǎn)輪空調(diào)研究的焦點。本文介紹了幾種轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的構(gòu)成形式?？偨Y(jié)了近幾年國內(nèi)對轉(zhuǎn)輪再生能耗的研究，并對其未來發(fā)展所以解決的問題進行探討。

1 轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成形式

1.1 轉(zhuǎn)輪與中高溫熱泵耦合的空調(diào)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)輪的再生能耗是轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)的主要能耗之一。為了使除濕空調(diào)與常規(guī)空調(diào)相比更節(jié)能，很多學者致力于降低再生能耗的研究。熱泵具有高效集熱和轉(zhuǎn)移熱量的特點，其冷凝器釋放出來的冷凝熱可以抵消轉(zhuǎn)輪的再生能耗。

郝紅等研究了轉(zhuǎn)輪與中高溫熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)可行性[9]。提出了利用熱泵來完全滿足制冷負荷和再生負荷要求。通過加熱裝置模擬轉(zhuǎn)輪出口空氣參數(shù)以及不同溫度的室外空氣參數(shù)，對熱泵與轉(zhuǎn)輪的匹配性能進行實驗。圖1是轉(zhuǎn)輪熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)的示意圖。圖2是轉(zhuǎn)輪熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)的溫濕圖。結(jié)果表明在不考慮濕負荷的情況下，標準工況（35.74℃）時，熱泵蒸發(fā)器的出口空氣溫度為20℃，冷凝器出口空氣溫度為64.95℃，熱泵性能系數(shù)略高于2.6；隨室外空氣溫度的升高，蒸發(fā)器出口風溫升高，當室外空氣溫度高達近40℃時，蒸發(fā)器的出口空氣溫度僅高于送風溫度約1℃；熱泵子系統(tǒng)的性能系數(shù)隨室外空氣溫度的升高而降低。不同室外溫度下，中高溫熱泵基本都能滿足送風溫度及再生負荷要求，而且隨室外空氣溫度升高，冷凝器出口風溫升高與要求的再生溫度升高相匹配，所以轉(zhuǎn)輪與中高溫熱泵耦合的空調(diào)系統(tǒng)是可行的。

圖1 轉(zhuǎn)輪熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)的示意圖

圖2 轉(zhuǎn)輪熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)的溫濕圖

胡曉微等研究了除濕轉(zhuǎn)輪在高溫熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的性能[10]。實驗裝置如圖3所示。實驗提出了除濕轉(zhuǎn)輪與高溫熱泵聯(lián)合運行的空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點是，利用熱泵的蒸發(fā)器對除濕后的熱空氣進行降溫處理，并且將冷凝器釋放的熱量為轉(zhuǎn)輪提供再生能耗，在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)冷量和熱量的抵消，從而達到節(jié)能的目的。系統(tǒng)采用的工質(zhì)R142b，將機組置于可模擬轉(zhuǎn)輪處理空氣和再生空氣狀態(tài)的標準空氣焓差室對其性能進行測試。通過改變室外側(cè)環(huán)境溫度和進入冷凝器的風量研究R142b在空氣源熱泵機組中的循環(huán)性能和排氣壓力。研究表明當蒸發(fā)器環(huán)境溫度為（45.02℃）時，冷凝器進風溫度為（27.02℃）時，灌注R142b的空氣源熱泵最高可產(chǎn)生79.2℃的熱風，完全能滿足轉(zhuǎn)輪的再生溫度要求。

1再生器風機；2除濕器風機；3除濕轉(zhuǎn)輪；4壓縮機；5蒸發(fā)器；6毛細管；7冷凝器；8空調(diào)房間

宋倩倩等對轉(zhuǎn)輪除濕與雙級熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)進行了研究[11]。在溫濕度獨立控制的思想基礎上，完全利用雙級熱泵滿足室內(nèi)冷負荷和轉(zhuǎn)輪再生負荷，并建立了系統(tǒng)的物理模型，對該系統(tǒng)的性能參數(shù)進行了計算和分析，結(jié)果表明在滿足室內(nèi)熱濕負荷和轉(zhuǎn)輪再生負荷的要求下，雙級熱泵的2臺機組均可同時工作在較高效率范圍內(nèi)。因此該系統(tǒng)具有很大的發(fā)展?jié)撃堋?/p>

圖4為轉(zhuǎn)輪除濕與雙級熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)的原理圖。該系統(tǒng)主要由除濕轉(zhuǎn)輪機、顯熱換熱器和雙級耦合熱泵組合而成。夏季制冷的運行方式為空調(diào)房間的熱濕負荷獨立處理，由除濕轉(zhuǎn)輪承擔全部濕負荷，顯熱換熱器承擔部分冷負荷，雙級熱泵的一級熱泵承擔余下的冷負荷，而二級熱泵則承擔除濕轉(zhuǎn)輪的再生熱量;冬季供暖的運行方式為高溫級熱泵停止工作，只采用低溫級熱泵向室內(nèi)供熱。因此，這種系統(tǒng)在冬季供暖時不會受到系統(tǒng)改變的影響。

圖4 轉(zhuǎn)輪除濕與雙級熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)原理圖

圖5為轉(zhuǎn)輪除濕與雙級熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程焓濕圖，空氣的處理過程包括除濕和再生兩個部分。除濕過程指室外新風（W）與室內(nèi)回風（N）混合（C），經(jīng)過轉(zhuǎn)輪除濕除去混合空氣中的水分（狀態(tài)點P1），在轉(zhuǎn)輪吸附過程中，水蒸氣潛熱的釋放和再生時轉(zhuǎn)輪的蓄熱使除濕后的空氣溫度升高，經(jīng)過顯熱換熱器，空氣降溫到狀態(tài)點P2，再經(jīng)過一級熱泵蒸發(fā)器處理到送風狀態(tài)點O。再生過程指室外新風（W）先經(jīng)過顯熱換熱器升溫到狀態(tài)點E1，再經(jīng)過二級熱泵冷凝器加熱到要求的再生溫度（E2），進入轉(zhuǎn)輪除濕器對固體吸附劑進行再生，空氣狀態(tài)點變?yōu)镕排出室外。圖中，過程NW＞C→P1→P2→O為系統(tǒng)的除濕過程，過程W→E1→E2→F為系統(tǒng)的再生過程。

圖5 轉(zhuǎn)輪除濕與雙級熱泵耦合空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程焓濕圖

1.2 太陽能驅(qū)動兩級轉(zhuǎn)輪除濕的空調(diào)系統(tǒng)

太陽能具有資源豐富、廉價且對環(huán)境無污染等一系列優(yōu)點，最重要的是初投資大，成本回收期比較漫長。利用太陽能節(jié)能明顯，但受氣候和區(qū)域影響穩(wěn)定性較差，同時太陽能集熱器使系統(tǒng)初始投資大大增加，常常需要輔助熱源才能滿足運行需求[12～13]。由于太陽能一定程度上受到天氣條件和地理位置的限制，已有轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)通常采用穩(wěn)定性較好的低品位熱源來驅(qū)動，并廣泛用于產(chǎn)濕量高或?qū)κ覂?nèi)空氣品質(zhì)有特殊要求場所，如：超市、溜冰場、劇院、倉庫、醫(yī)院等[14～16]。很多學者致力于運用太陽能來提供轉(zhuǎn)輪再生能耗的研究。葛天舒對太陽能驅(qū)動兩級轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的可行性進行了分析，并且結(jié)合熱舒適性條件，以上海夏季工況為例，比較分析了太陽能驅(qū)動轉(zhuǎn)輪式兩級除濕空調(diào)和傳統(tǒng)電壓縮式空調(diào)的熱力性和經(jīng)濟性[17]。結(jié)果表明太陽能兩級轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)都可以提供滿足要求的送風，推薦的再生溫度為85℃。與傳統(tǒng)電壓縮式空調(diào)相比太陽能兩級轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)屬于全新風系統(tǒng)，送風質(zhì)量和室內(nèi)空氣品質(zhì)都大大提高。與此同時除濕系統(tǒng)可以節(jié)省70%的電耗，所以除濕系統(tǒng)高的初投入可以通過節(jié)約的運行成本獲得補償，系統(tǒng)的回收期為7年。

1.3 轉(zhuǎn)輪除濕與冷凍相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)

某些特定場合需要超低相對濕度的潔凈環(huán)境，一些學者提出結(jié)合使用冷凍除濕法和轉(zhuǎn)輪除濕法的一種新型溫度、濕度控制方法。在超低相對濕度要求的環(huán)境下，采用冷凍和轉(zhuǎn)輪除濕相結(jié)合的干式除濕法將是很好的一種除濕方法，可以較好地控制溫度、濕度。干式空調(diào)除濕法由于空調(diào)機表冷器運行在干工況條件下，沒有冷凝水的產(chǎn)生，能夠在空調(diào)系統(tǒng)中有效杜絕微生物的繁殖。因此對于生物制藥、食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生等需要細菌控制的場合，值得推廣應用。

陳中權(quán)等提出結(jié)合冷凍除濕法和轉(zhuǎn)輪除濕法實現(xiàn)超低相對濕度的潔凈環(huán)境[18]。圖7采用轉(zhuǎn)輪除濕機方案原理圖。系統(tǒng)的除濕過程為：新風（W狀態(tài)點）經(jīng)新風機冷卻處理至L狀態(tài)點，然后通過除濕機1除濕至W′狀態(tài)點，同時一次回風（N狀態(tài)點）通過除濕機2除濕至N′狀態(tài)點，W′、N′兩個狀態(tài)點空氣混合至C1狀態(tài)點，然后與二次回風（N狀態(tài)點）混合至C2態(tài)點，再經(jīng)由主空調(diào)機冷卻處理至O狀態(tài)點（即送風狀態(tài)），至此完成了整個空調(diào)過程。從整個過程看，空調(diào)過程被分成3個階段，即新風預冷、新風和回風除濕、表冷處理階段。表冷處理階段是完全的干式表冷，這種空調(diào)除濕過程可稱作干式除濕法，這對制藥廠來說可謂是一個驚喜。沒有冷凝水產(chǎn)生，也就有效杜絕了微生物的繁殖，對制藥潔凈廠房的細菌控制極為有利。在這3個階段中，溫度控制和含濕量的控制已經(jīng)被有效地分離，濕度控制由轉(zhuǎn)輪除濕機實現(xiàn)，而溫度要求則由空調(diào)機來保障。這種分離技術(shù)同時也保證了空調(diào)處理中極端要求的可實現(xiàn)。

圖6 采用轉(zhuǎn)輪除濕機方案原理圖

1.4 轉(zhuǎn)輪除濕/冷輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)輪除濕應用于冷輻射吊頂系統(tǒng)后形成一種復合式空調(diào)系統(tǒng)，解決了冷輻射吊頂系統(tǒng)所存在的除濕問題、冷卻能力問題[19]及室內(nèi)空氣品質(zhì)問題。對于轉(zhuǎn)輪除濕/冷輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)，國內(nèi)外學者進行了大量的研究[20～24]，研究的內(nèi)容主要包括：①熱舒適性；②室內(nèi)空氣品質(zhì)；③能耗問題。

最基本的轉(zhuǎn)輪除濕/冷輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)流程及空氣處理i-d圖如圖7所示。冷凍水系統(tǒng)通過置于吊頂中的金屬管，降低頂板表面溫度。降溫后的冷吊頂通過輻射方式和其它表面（如墻面、地板、家具、人體及其他熱表面）進行熱交換，降低其它表面溫度，并將人體和其它熱源產(chǎn)生的熱量帶走。同時，冷吊頂表面通過對流換熱吸收周圍空氣中的熱量并使周圍空氣溫度降低，冷空氣受浮力作用向下流向工作區(qū)。

而高溫高濕的新風（狀態(tài)點1）先經(jīng)全熱交換器與排風進行全熱交換，充分利用排風的冷量實現(xiàn)初步的降溫除濕后到達狀態(tài)點2，此后再進入轉(zhuǎn)輪除濕機，由于轉(zhuǎn)輪本身的顯熱和吸附產(chǎn)生的吸附熱使得新風在除濕的同時，溫度升高，到達狀態(tài)點3為了滿足送風溫度的要求，高溫狀態(tài)的新風需進行冷卻處理，冷卻后的新風達到狀態(tài)點4送入房間，新風在房間中吸收房間余濕和部分顯熱負荷后到達狀態(tài)點5，最后送入全熱交換器充分利用其冷量后形成高溫高濕的空氣（狀態(tài)點6）后排出室外。

圖7 轉(zhuǎn)輪除濕/冷輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)示意圖

將轉(zhuǎn)輪除濕應用于冷輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)后形成的復合式空調(diào)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比轉(zhuǎn)輪除濕實現(xiàn)了對空氣濕度的獨立處理，室內(nèi)濕度控制精度得以提高。復合式空調(diào)系統(tǒng)擴大了冷輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)的應用范圍，使之可以應用于一些要求低濕、濕負荷較大的環(huán)境，使更多的人能夠享受舒適衛(wèi)生的環(huán)境[25]。

1.5 干空氣和冷凍水聯(lián)產(chǎn)除濕空調(diào)系統(tǒng)

考慮到已有除濕空調(diào)系統(tǒng)為實現(xiàn)潛熱和顯熱負荷的單獨處理，要么通過蒸發(fā)冷卻器來降低處理空氣溫度[26]，要么引入常規(guī)空調(diào)組成混合式除濕空調(diào)[27]。前者是通過增加濕度來降低溫度，難以實現(xiàn)精確控制，后者則仍需消耗一定量電力。上海交通大學最近提出一種基于干燥劑除濕和再生式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的干空氣和冷凍水聯(lián)產(chǎn)除濕空調(diào)系統(tǒng)[28～29]。如圖8所示，該系統(tǒng)可同時制備干空氣和冷凍水，從而克服了傳統(tǒng)除濕空調(diào)的不足。對其節(jié)能特性分析表明，ARI夏季工況下，干空氣和冷凍水聯(lián)產(chǎn)空調(diào)的熱力COP在1左右，電力COP可達9.03，相應電力消耗和CO2排量比常規(guī)空調(diào)減少72.69%之多。此外，可以通過改變干空氣比來調(diào)節(jié)潛/顯熱處理能力，實現(xiàn)無能量浪費地提供全部所需冷量。

圖8 干空氣和冷凍水聯(lián)產(chǎn)除濕空調(diào)系統(tǒng)簡圖

2 發(fā)展方向與關鍵問題

2.1 轉(zhuǎn)輪與高溫熱泵耦合面臨問題及未來發(fā)展方向

轉(zhuǎn)輪的再生溫度一般要60℃以上，普通制冷劑如R22很難在此工況下正常運行。被處理的空氣經(jīng)過轉(zhuǎn)輪除濕后溫升10℃左右，要想經(jīng)過蒸發(fā)器后滿足室內(nèi)送風溫度26℃的要求，蒸發(fā)溫度應該在20℃左右甚至更低。什么樣的制冷劑才能滿足這樣的要求呢？首先新型制冷劑研發(fā)是這項技術(shù)的關鍵問題。其次，新型除濕轉(zhuǎn)輪研究，需要很低的再生溫度就能滿足轉(zhuǎn)輪的再生需求。

2.2 轉(zhuǎn)輪除濕/冷輻射吊頂空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)關鍵問題

高溫冷源的研究。冷輻射吊頂及轉(zhuǎn)輪除濕后空氣的冷卻均需高溫冷水（溫度大于15℃），因此高溫冷水機組的研發(fā)、土壤源換熱裝置及深井回灌系統(tǒng)的研究是今后研究的重點；轉(zhuǎn)輪除濕再生能耗問題。如何有效地利用太陽能、余熱或廢熱等資源以降低系統(tǒng)能耗也是今后研究的一個重要方面；系統(tǒng)的維護管理及運行控制策略的研究。

2.3 太陽能驅(qū)動轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)采用太陽能及廢余熱等低品位熱源驅(qū)動，可以有效地緩解傳統(tǒng)空調(diào)造成的電力供應峰值負荷，有著良好應用前景。目前，轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)已有一定規(guī)模應用，進一步發(fā)展和應用面臨主要問題是[26]：

1）新型的干燥劑材料的研制，應以除濕性能好，再生溫度低和價格低廉為目標。復合干燥劑（硅膠-鹵素鹽等）滿足除濕和再生的要求，是一種很好的選擇，不足之處是加工工藝相對復雜，成本相應提高。

2）發(fā)展多級/分級等再生模式，旨在降低熱源溫度需求和提高熱源利用率。尤其對于高溫高濕地區(qū)（例如上海），在熱源溫度較低時，只有采用多級/分級再生模式才能滿足除濕的需求。當以太陽能作為熱源時，多級/分級再生模式熱源溫度要求低的優(yōu)勢進一步體現(xiàn)為普通的集熱器（平板式或真空管式）、較低的初投資和美觀的建筑結(jié)合。

3）優(yōu)化運行控制以提高適用性。溫濕度獨立控制是轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)的一個重要優(yōu)勢，然而，由于環(huán)境和室內(nèi)的空氣狀態(tài)均會隨時間、天氣、季節(jié)地理位置而變化，機組的熱力和電力性能取決于系統(tǒng)控制和負荷分配（潛熱/顯熱比例）。

4）系統(tǒng)設計緊湊化小型化，開展轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)在民用建筑領域的應用以降低建筑能耗，生產(chǎn)流程規(guī)范化。從研究、設計到應用形成一定規(guī)范并融入空調(diào)設計程序，不僅會降低成本，而且有利于市場拓展。

5）加大宣傳力度。轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)作為一種新型空調(diào)，從制冷空調(diào)行業(yè)內(nèi)到廣大民眾都還對其缺乏認識，普及相關知識將促進其發(fā)展?？偟膩砜?，進一步提高能源利用效率、降低設備的成本和尺寸、并將相應技術(shù)與產(chǎn)品定型化和規(guī)?；寝D(zhuǎn)輪除濕空調(diào)廣泛應用的關鍵所在，也是未來轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)技術(shù)研究和發(fā)展的主導方向。

3 結(jié)語

本文結(jié)合近幾年轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)的研究現(xiàn)狀，介紹了幾種轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的構(gòu)成形式。分析比較了“構(gòu)成形式”將來的發(fā)展方向以及進一步發(fā)展需要解決的關鍵問題。轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)的構(gòu)成形式都是以解決再生能耗為主線，利用太陽能，冷凝器余熱等其他可以利用的熱源滿足轉(zhuǎn)輪再生能耗。目的在節(jié)能的前提下降低轉(zhuǎn)輪的運行成本，提高轉(zhuǎn)輪的效率?？偟膩砜?，進一步提高能源利用效率、降低設備的成本和尺寸、并將相應技術(shù)與產(chǎn)品定型化和規(guī)?；寝D(zhuǎn)輪除濕空調(diào)廣泛應用的關鍵所在，也是未來轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)技術(shù)研究和發(fā)展的主導方向。

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