热湿独立控制系统及其节能分析

姜 赫，龚永奇

0　引言

传统空调系统普遍采用热湿耦合即冷凝除湿的方法，对热湿环境进行调控。随着这种空调方式的普遍使用，它也暴露出许多问题，比如系统效率低下、难以适应热湿比的变化以及由于冷凝水的存在，恶化了室内空气品质等[1～2]。

为了解决传统空调系统存在的问题，热湿独立控制系统被提出，并得到广泛的关注和发展。本文首先介绍热湿独立控制系统，然后对各种热湿独立控制系统性能和热能回收进行阐述，最后指出未来的发展方向。

1　热湿独立控制系统

1.1　热湿独立控制系统的定义

热湿独立控制系统是将传统压缩式空调循环和除湿空调循环组合构成复合式空调系统，使显热负荷和潜热负荷分开处理，其原理图如图1所示。除湿空调循环处理空气中的水蒸气产生干燥空气，干燥空气被送入压缩式空调系统的蒸发器进行显热负荷处理。

图1　热湿独立控制系统原理图Fig.1 The principle of temperature and humidityindependent control system

1.2　热湿独立控制系统的分类

热湿独立控制系统有基于溶液除湿、膜除湿、固体除湿和内冷除湿的空调系统。将热湿独立控制系统的性能比较列于表1。

表1　热湿独立控制系统的性能比较Tab.1 Comparison performance of temperature and humidityindependent control system

2　热湿独立控制系统的研究现状

2.1　基于溶液除湿的空调系统

溶液除湿的空调系统是利用浓溶液表面的水蒸气低于湿空气中的水蒸气分压，在压力梯度的作用下将湿空气的水蒸气吸收到浓溶液中，直至双方的水蒸气分压达到平衡，则吸收被处理空气中的水蒸气，对湿空气进行潜热控制，利用压缩式热泵循环降低空气的温度，实现对空气的显热控制Nayak等[8]采用LiCl复合式除湿热泵循环，结果表明该系统比传统热泵循环性能更高。Lazzarin等[9]采用LiBr复合式系统进行测试，结果表明根据负载不同整体系统的能耗消耗比传统系统降低26%～63%。

图2　溶液除湿的空调系统工作原理图Fig.2 Operating principle of air conditioning system based on liquid dehumidification

溶液除湿的空调系统主要包括蒸发冷却器、换热器、浓溶液除湿器、稀溶液再生器、风机等设备，图2为一个典型的溶液除湿的空调系统工作原理图。

这种系统克服了传统空调系统在低蒸发温度下集中处理负荷的限制，提高了压缩式热泵循环效率，降低了能耗；而且除湿效果好，能够实现较好的温湿度控制。除湿的溶液不会对环境造成污染，实现溶液的再生只要求50℃～80℃的低温热源。但是溶液除湿的空调系统在除湿过程中气体容易带走溶液造成金属腐蚀，而且溶液的流速太快也会产生飞沫。

2.2　膜除湿的空调系统

膜除湿的空调系统的基本原理是湿空气透过膜，过滤出空气中的水分，然后经过热泵空调系统降温，输出达到规定的温湿度的空气。膜的渗透机理是要使水蒸气透过膜，必须在膜的两端产生一个浓度差。这种浓度差既可由膜两端压力差造成，又可由膜两端温度差造成。因为浓度是由温度和压力共同作用的结果。传统的除湿机理是以膜两边的水蒸气分压差除去水分，因此为了强化除湿，应尽量增大膜两侧的压力差。Permea公司[11]推出的 Cactus膜空气除湿技术采用聚砜中空纤维膜制成分离膜，原料气走丝内、渗透气走丝外的操作模式，并且利用一定的原料气作为吹扫气以提高除湿效率。张立志等[13]提出了一种新的空气除湿方式，这种渗透机理是膜中存在温度梯度，膜中水分在这温度梯度作用下形成浓度梯度，从而除去湿空气的水分。

膜除湿空调系统是由膜分离器、风机、压缩机、蒸发器、冷凝器等设备。膜除湿热泵空调系统的工作原理如图3 所示[14]。

图3　膜除湿空调系统的工作原理Fig.3 Operating principle of air conditioning system based on membrane dehumidification

膜除湿空调系统可以实现除湿过程的连续进行，由于热源可以是低品位余热，所以节能降耗，系统可靠；而且膜法除湿设备占地面积更小，且没有运动部件，更利于维修。但是，除湿膜还存在着透湿率低、强度差、成本高的缺点，限制了膜法除湿的发展。

2.3　固体除湿的空调系统

固体除湿的空调系统主要是利用干燥剂吸附空气中的水蒸气，由于在吸附水蒸气的过程中会放出大量的热，为保持较大的吸附能力，必须在吸附过程中对干燥剂进行降温。固体除湿空调系统典型的是转轮除湿，主要包含转轮除湿器和制冷系统组成。转轮除湿器的主体结构是一个不断转动的蜂窝状干燥转轮，用载有固体吸湿剂的特殊复合耐热材料制成，如图3所示。转轮内用隔板分别为270°和90°的两个扇区。前者用来处理湿空气，后者用作空气再生。当湿空气进入270°扇形区时，空气中水分子被转轮内的吸湿剂吸收，干燥后的空气通过风机送出，进入制冷系统降温；吸收了水分子的转轮扇面饱和时自动转到再生空气端扇区再生[15]。

图4　除湿转轮的工作原理示意图Fig.4 Operating principle of air conditioning system based on rotary dehumidification

转轮除湿的空调系统可以连续除湿，同时利用废热实现吸附剂的再生；而且采用固体干燥剂不存在带液问题。但是由于转轮除湿过程是绝热除湿的过程，其除湿效果随着吸附热的产生而变差，而且再生温度也随着吸附温度的提升而提高很多，使冷凝废热的无法达到再生温度，需要辅助热源实现再生。

2.4　内冷型除湿空调系统

内冷型吸附除湿空调系统是将吸附剂涂在热交换器上，其固体除湿床内通有冷流体，利用冷空气、冷水或者制冷剂在空气除湿过程中吸收吸附热，使得吸湿材料维持在较低的温度水平，实现较好的除湿效果。一些研究者[22～24]设计了一种用冷水作为冷流体的内冷型吸附除湿控制系统，如图5所示。冷水系统可以提供较为稳定的内冷温度，吸收吸附热和空气的温度，实现较好的温湿度控制。但是冷水系统需要有恒定温度的冷却水，其体积较为庞大。

图5　内冷型吸附除湿空调系统工作原理图Fig.5 Operating principle of air conditioning system based on inner-cooling dehumidification

新型热泵系统由换热器、压缩机、过滤器、节流元件和恒温槽组成，不同之处在于用涂覆有吸湿剂的除湿换热器取代了传统的翅片管换热器，从而实现空气的热湿耦合处理。

3　热湿独立控制系统的节能分析

随着热湿独立控制系统的使用，热湿独立控制系统也暴露出一些不足。热湿独立控制系统是吸附/吸收除湿热力过与传统冷却降温热力过程的简单叠加，这种简单叠加过程导致整体循环系统的体积较大、成本较高；同时干燥剂的热再生特性，热湿独立控制系统通常需要70℃～140℃外界附加热源进行驱动。将传统热泵空调循环的冷却方式引入热湿独立控制系统并采用部分冷凝废热来驱动除湿循环的再生，这样不仅降低了热泵空调循环的能耗，同时还减少冷凝废热排放，达到节能和废热回收利用的双重效果。下面具体分析一下热泵结合的转轮除湿空调系统和基于热泵的内冷除湿空调系统。

3.1　热泵结合的转轮除湿空调系统

K.S.Rambhad等[19]总结前人经验，介绍了热泵驱动的两级除湿轮空调系统。涂壤等[20]提出了热泵结合的多级固体除湿装置，并进行试验，发现该系统可以降低再生温度，提高了系统的效率。Zhang等[21]设计了两级转轮模型，发现其再生温度比单机转轮要低。其工作原理图如图6所示。

图6　两级除湿转轮空调系统工作原理图Fig.6 Operating principle of air conditioning system based ontwo-stages rotary dehumidification

热泵结合的两级除湿转轮空调系统由两级转轮除湿装置、三个热泵空调系统、压缩机和节流阀组成。热泵结合的多级固体除湿装置采用多级除湿再生及热泵驱动，不仅可以较好的控制温度和湿度，而且可降低再生温度并提高系统性能，提高了热泵效率和避免了热量浪费。

3.2　基于热泵的内冷型除湿空调系统

日本大金公司研制了一种以制冷剂作为冷流体的内冷型固体吸附除湿控制系统，该系统采用硅胶等固体作为吸附剂[25]。热泵系统的蒸发器和冷凝器上均涂有吸湿材料，分别作为除湿吸附剂和再生吸附剂使用，即可实现带有内部冷却的除湿过程与带有内部加热的再生过程，再生温度一般低于50℃。黄溢[26]在其硕士学位论文中，具体介绍了固体除湿热泵（DESICA）和变频多联机（VRV）构成JDVS系统与全热交换器（HRV）和VRV构成JHVS系统，通过冬季与夏季实验，结果表明了JDVS系统不仅比传统JHVS系统分别节能17.2%和9.3%，而且具有较好的除湿性能[27]。

图7　基于热泵的内冷型固体吸附除湿空调系统工作原理图Fig.7 Operating principle of heat-pump air conditioning system based onsolid inner-cooling dehumidification

图7所示为基于热泵的内冷型固体除湿空调系统的工作示意图，基于热泵的内冷除湿空调系统由两个换热器、压缩机、节流元件和四通换向阀组成，不同之处在于用两个涂覆有吸湿剂的除湿换热器取代了传统的翅片管换热器，从而实现空气的热湿耦合处理。

该系统由于在除湿过程中进行了冷却，不仅较好的实现了高蒸发温度（15℃左右）下的内冷除湿，吸附剂的再生一般在45℃左右，由冷凝热可以实现，节约了吸附剂循环再生的能源，提高了循环除湿效率，而且该系统结构简单，体积较小，也不会对环境造成污染。

4　结束语

传统除湿空调系统的弊端日益显现，热湿独立控制的空调系统已经是国内外研究的重点。其中溶液除湿空调系统、膜除湿空调系统以及除湿轮空调系统是目前研究较为成熟的空调系统。内冷型固体吸附除湿空调系统是一种新兴的除湿空调系统，随着相关技术和集成技术的发展，必将得到进一步的发展。除此之外，提高可再生能源比如太阳能、地热能等与空调系统耦合的利用率和寻找具有高吸附性能和高传热性能的复合吸附剂，也是当今研究者研究的热点。

参考文献：

[1]Tao Zhang，Xiaohualiu，Yi Jiang.Development of temperature and humidity independent control （THIC） air conditioning system in china—A review.Renewable and sustainable energy Reviews 29（2014）739-803.

[2]濮伟，刘培琴.制冷技术及设备[M].上海：上海交通大学出版社，2006.

[3]李茜.温湿度独立控制的空调系统[J].暖通空调，2013，25（2）：323.

[4]刘晓华，易晓勤，谢晓云，等.基于溶液除湿方式的温湿度独立控制空调系统性能分析[J].中国科技论文在线，2008，3（7）：469-476.

[5]代彦军，王如竹.混合式除湿空调节能特性研究[J].工程热物理学报，2003，2.

[6]La D，Dai Y J，Li Y et al.Technical development of rotary desiccant dehumidification and air conditioning：A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009.

[7]李震，江忆，陈晓阳，等.溶液除湿空调及热湿独立处理空调系统[J].暖通空调 HV&AC，2003，6.

[8]Nayak S，Ray S，Radermacher R.Second generation integrated combined heat and power engine generator and liquid desiccantsystem[C].Proceeding of 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress，Anaheim，California，USA，Citeseer，2004，1185-1202.

[9]Lazzarin R.M，Castellotti F.A new heat pump desiccant dehumidifier for supermarket application[J].Energy and buildings，39（1）（2007）59-65.

[10]张涛，刘晓华，张海强，等.简谈温湿度独立控制空调系统设计方法[J].暖通空调 HV&AC，2011，1.

[11]严万程.卡斯特膜空气除湿新工艺[J].石油与天然气化工，2001，6.

[12]王倩.膜除湿技术在压缩空气干燥及空调领域的应用[J].煤气与热力，2014，3.

[13]张立志，江亿.膜法空气除湿的研究与进展[J].暖通空调HV&AC，1999，6.

[14]赵伟杰，张立志，裴丽霞.新型除湿技术的研究进展[J].化工进展，2008，27（11）：1710-1718.

[15]Dai Y，Li Z，Jiang Y，et al.Use of liquid desiccant cooling to improve the performance of vapor compression air conditioning[J].Applied Thermal Engineering，2001，21（12）.

[16]周亚素，陈沛霖.转轮除湿复合式空调系统[J].暖通空调HV&AC，1999，4.

[17]周西文，王雨，马爱华.转轮除湿/冷辐射吊顶空调系统及其研究进展[J].制冷与空调，2008，3.

[18]宋倩倩，牛宝联，余跃进.一种新型转轮除湿与双级热泵耦合空调系统及系统设计[J].建筑科学，2009，12.

[19]K.S.Rambhad et al.Solid desiccsnt dehumidificstion and regeneration methods-A review.Renewable and Sustainable Energy Review，59（2016）73-83.

[20]涂壤，曲世琳，马飞.热泵和除湿板结合的固体除湿新风机组特性[J].化工学报，2015，12.

[21]Zhang H，Niu J L.Two-stage desiccant cooling system using lowtemperature heat[J].Building Services Engineering Research and Technology，1999，20（2）：51-55.

[22]Daikin Industries Ltd.Schematic diagram of DESICA[EB/OL].[2012-05].http//www.daikinarcon.corn/catalog/desika/system/sikumi.

[23]Ge T S，Dai Y J，Li Y，Wang R Z，2012.Simulation investigation on solar powered desiccant coated heat exchanger cooling system.Appl.Energy 93，532-540.

[24]Ge T S，Dai Y J，Wang R Z，2012.Simulation investigation on solar powered desiccant coated heat exchanger cooling system based on a developed mathematical model.Energy Convers.Management.52，2329-2338.

[25]YJiang，Ge T S，R E Wang，Y huang.Experimental investigation on a novel temperature and humidity independent control air conditioning system[J].Applied Thermal Engineering ，73（2014）784-793.

[26]黄溢.一种新型热湿独立控制系统实验及模型研究[D].上海：上海交通大学，2014.

[27]江宇，黄溢，葛天舒，等.新型热湿独立控制空调系统的实验研究[J].化工学报，2014，65（S2）.