冷却除湿改进技术研究

张 燕，金梧凤，陈 华

（天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津300134）

1 引言

我国属于第三类建筑气候区，夏季闷热，冬季湿冷。潮湿的环境会促使一些微生物的滋生，严重者还会导致呼吸道等疾病的发生，这对人们的生活环境造成了很大的困扰［1］。对工业生产而言，高湿度会导致一些仪器、仪表等精密电子装置的准确性下降甚至失效，环境湿度的变化会对纸张、木制品、纺织品等材料的形状及表面性状产生很大影响，对生产过程也会造成不良影响［2，3］。因此除湿技术的研究具有重要意义。

冷却除湿以其在一般条件下除湿效果好、性能稳定且除湿效率高等优点得到了广泛的应用［4］。但当被处理空气的温湿度较低时，冷却除湿的效率就会变低［2］，且易出现结霜现象，更重要的是目前常用的空调系统基本上都是以调节温度为主，湿度由于其满足舒适度的范围较广，常常不予考虑，这样更加重了结霜的发生和冷却除湿效率的降低，因此为了解决这些问题，并给常用的空调系统找到合适的除湿方式，许多学者在传统冷却除湿技术的基础上进行了创新改进。

2 改进技术概述

2.1 节能型冷却除湿机

对于传统型冷却除湿机而言，湿空气被直接送入到蒸发器进行冷却，待温度降至露点温度时析出冷凝水，然后经再热送入室内，如此则造成了能源的浪费。为了解决这一问题，该节能型冷却除湿机在蒸发器和冷凝器之间增加了一个换热器，用以对进入蒸发器之前的湿空气进行预冷和对经处理后的干空气进行加热，其原理图如图1所示［5］。湿空气被风机从左上方入口吸入，首先在换热器中与从蒸发器出来的低温干空气进行热交换，然后再前行至蒸发器进行再度降温，达到露点温度以下之后将冷凝水析出。

湿空气进入除湿机后先与被处理过的低温干空气进行热交换，温度降低后再进入蒸发器进一步被降温除湿，如此便减少了蒸发器的负荷，使得在输入相同能量时的除湿能力增大，且经处理后的干空气温度升高，减少了再热的耗能，从而达到了节能的目的。通过理论分析和实验验证，表明此方法可节能20%～40%，因此具有一定的推广应用价值［5］。

图1 节能型冷却除湿机原理图

2.2 单元式空调机加室内冷凝盘管

该系统的原理图如图2所示，即在单元式空调机组蒸发器的下风向增加一个盘管作为室内冷凝盘管［4］。高温高湿的空气经蒸发器冷却除湿后，温湿度降低，常需再热方可送入室内，将其通入至室内冷凝盘管则可达到除湿且调温的目的。

这种除湿系统有多种方式可以实现，根据制冷剂流程中室内冷凝盘管、室外冷凝器与室外过冷器连接位置和调节方式的不同，将单元式空调机组的除湿系统归纳为串联型、并联型、并联调节型和复合型等4种主要类型，连接方式如图2（a）～（d）所示。图中虚线框表示其内的部件位于室内机中，其余的部件处于室外机中。

对上述4种连接方式进行比较，可以得出这4种除湿类型存在着较大的区别。在除湿能力方面，从高到低依次为串联型、复合型、并联型；对于并联调节性而言，其除湿能力与冷凝面积有关，可实现从较小到最大的波动。在经过室内冷凝盘管后的空气温升方面，并联型的温升最高，然后依次为复合型、串联型，并联调节型的温升可调，能够实现的最大温升较高。对出风温度而言，并联调节型可实现部分连续调节，其余3种均不可调节。在成本方面，并联调节型最高，复合型与并联型最低，串联型居中。

图2 单元式空调机组的4种除湿技术原理图

这种单元式空调机组加室内冷凝盘管技术的特点是回收了制冷系统的冷凝热，弥补空气中因为冷却除湿而散失的热量，是一种高效节能的除湿方式［6，7］。使用者可根据除湿环境的具体需求来选择适用的类型，以实现对室内温湿度的合理控制。

2.3 具有双级表冷器的新风机

该系统将表冷器分为一、二两级，低温冷媒先进入一级表冷器，通过热湿交换后升温成中间温度的冷媒并供给二级表冷器使用，图3是具有双级表冷器的新风机原理图［8］。从室外进入的高温高湿的新风先与二级表冷器中处于中间温度的冷媒进行热交换，新风温度降低，相对湿度提高，随后该状态空气再与一级表冷器中的低温冷媒进行热交换，达到露点温度以下之后再析出水分。

图3 具有双级表冷器的新风机的原理图

由于进入一级表冷器的是已经经过一次降温的空气，该空气经过二级表冷器处理后，新风参数的波幅减弱，所以该系统的新风机出风状态比较稳定，实验证明具有双级表冷器的新风机在新风参数变化较大时，出风参数较常规的新风机出风参数稳定得多［8］。而且空气经一次降温后相对湿度得到了提高，将其通入到温度较低的一级表冷器时除湿能力得到增强，因此其出风的含湿量也较常规的风机低得多。

2.4 转轮与冷却除湿组合式空调系统（DWCCDS）

DWCCDS就是将具有冷热交换的冷却除湿循环系统与转轮除湿相结合，利用制冷系统的吸热除湿进行前期除湿，而利用转轮除湿机进行深度除湿，同时利用冷凝器的放热作为转轮固态吸附剂再生热源的一部分，再生加热器采用电加热或其他形式的能源，如太阳能等［9］。图4为 DWCCDS系统的简图［10］。

图4 DWCCDS简图

在冷却除湿侧，高温高湿的混合空气首先被通入到蒸发器1进行冷却除湿，温湿度降至状态2时送入到转轮除湿机进行深度除湿（这是一个绝热去湿的过程），由于从转轮除湿机送出的空气温度高于除湿机入口处空气的温度，因此再将其送入到蒸发器2进行等湿冷却至送风状态点4。在再生空气侧，一定数量的室外空气W首先经过冷凝器1，回收冷却循环系统除湿和降温过程所排出的热量，预热至状态5，然后再进入加热器加热至所需的再生温度，用来再生转轮固体吸湿剂，最后被排入到大气中。

DWCCDS系统的特点是将冷却除湿与转轮除湿相结合，用冷却除湿进行初期除湿，由于此时的空气处于高温高湿状态，因此使用冷却除湿不仅效率高而且还不易结霜；用转轮除湿进行深层除湿，突出其在低温低湿条件下，不受露点限制且除湿量大的优点［10］。同时DWCCDS系统还利用了系统内部的冷凝热和太阳能、工业废热等低温热源作为再生加热热源，从而弥补了转轮除湿机再生耗热量大的缺点，达到了节能的目的。

以上几种冷却除湿技术都是适用于在常规场合中使用的，下面对有低湿要求的场合运用冷却除湿技术（也称冷冻除湿）进行介绍。

2.5 冷冻极限除湿空调系统

冷冻极限除湿空调系统即在常规的冷却除湿系统中加入了25%（重量比）以上的乙二醇，这在理论上可保证冷冻水冰点为－10.7℃［11］。其空调系统采用了PAU＋AHU系统，其中：PAU为新风处理机组，AHU为空气处理机组，如图5所示。

图5 冷冻极限除湿空调系统图

该空调方式首先由新风处理机组将室外新风处理到室内露点值，然后由空气处理机组根据室内温度要求调节送风温度，这样即实现了新风的集中处理和送风的根据生产区域分别处理，还减少了PAU的数量和由于过冷除湿带来的冷量浪费，因此节约了能耗。

使用冷冻极限除湿，在初投资和运行费用方面要低于达到相同效果的转轮除湿和复合除湿，因此具有节能的作用。

用冷冻极限除湿方法进行低湿空调的设计与实践，得到冷冻除湿的极限处理露点温度在1.5～2.5℃之间，而且如果冷水温度在－2℃以下，则处理空气的露点温度不能低于3℃，否则可能会结冰［11］。当然为了稳妥起见，最好还是将冷冻除湿与转轮除湿相结合。同时为了避免结冰，可对盘管进行改进，如扩大冷水盘管翅片间距、加大盘管与挡水板的距离等。

3 对策与建议

对于辐射板加新风系统，因新风承担着室内全部的湿负荷，需要新风处理后的露点低于室内空气露点，故可使用具有双级表冷器的新风机，它不仅能够达到除湿要求，还具有稳定的出风状态，能减小吹风感；对于全空气空调系统，其空气处理都是集中于空调机房内完成的［12］，故使用节能型冷却除湿机在新风被通入蒸发器之前将其预冷或将冷却除湿与转轮除湿相结合对空气进行处理均可达到节能的目的；对于单元式空调系统，在空调机组蒸发器的下风向增加一个冷凝盘管来加热被过度冷却的空气同样是一种很好的节能方式。另外，对于有低湿要求的环境，如工艺车间等，使用冷冻极限除湿，不仅能够实现要求，而且成本低于其他达到同样效果的除湿方法，进而可达到实现节能的目的。

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