新型一体式除湿热泵空调循环夏季工况实验研究

(上海交通大学制冷与低温研究所 上海 200240)

目前，热泵空调仍以压缩式制冷循环为主。在夏季，系统要达到除湿的目的需要将空气温度冷却至露点温度以下，因此循环蒸发温度较低(5～7 ℃)，导致系统能效不高，且出风温度较低，在一些商用建筑场合甚至需要对低温空气进行再热，进一步造成能源的损耗。

为解决这一问题，许多学者提出了复合式除湿热泵循环，该系统通常由除湿子系统和压缩式降温子系统构成，由于除湿系统承担了潜热负荷的处理，压缩式系统的蒸发温度提升，从而COP提高[1-3]。但此类复合系统通常体积较大，需要附加热源实现除湿子系统再生。

基于近期除湿换热器的提出和研究[4-14]，作者所在研究小组提出一种新型一体式除湿热泵空调循环。针对该新型除湿热泵空调循环，本文搭建了实验测试台，测试系统在典型夏季工况下的主要性能，并研究关键运行参数对系统性能的影响。

1 系统原理及实验样机

该新型一体式除湿热泵空调系统是在传统热泵能源系统基础上进行改进而建立，主要区别在于用表面涂覆吸附剂的除湿换热器取代传统换热器，将蒸发温度提高至约15 ℃。此外系统还包括压缩机、四通阀、膨胀阀和调风阀等装置，如图1所示。

图1 新型一体式除湿热泵空调循环系统原理Fig.1 System principle of the novel integrated dehumidification heat pump air-conditioning cycle

该系统中使用了两个表面涂覆了吸附剂的除湿换热器，并通过四通阀改变制冷剂的流向，使两个除湿换热器周期性地交替作为蒸发器和冷凝器。在夏季制冷除湿工况中，新风通过除湿蒸发器，在降温的同时多余的水蒸气被涂覆在除湿蒸发器上的吸附剂吸附，新风被处理为干燥冷风送入室内。同时，回风通过冷凝器，冷凝器释放的冷凝热对涂覆在其表面的吸附剂进行加热再生，解吸的水蒸气被室内回风带走。由于蒸发温度的提高，热泵系统的能效也将提高，但同时会降低送风温差，从而提高室内送风的热舒适性，这种除湿热泵空调循环系统无需附加热源即可持续实现吸附剂的吸附与再生。

本实验台中除湿换热器所涂覆的吸附剂为硅胶氯化锂复合固体吸附剂[15-16]，盐含量为16.2%，动态吸附曲线如图2所示，静态吸附曲线如图3所示。

图2 硅胶氯化锂复合固体吸附剂动态吸附曲线Fig.2 Water sorption kinetic curve of silica gel-LiCl

图3 硅胶氯化锂复合固体吸附剂静态吸附曲线Fig.3 Water sorption isotherms of silica gel-Licl

图4所示为新型一体式除湿热泵空调循环实验样机结构。图5所示为新型一体式除湿热泵空调循环实验样机，系统通过混风机构③风阀的开闭程度调整新风①和回风②的混风比，通过导风机构④风阀的开闭调整新风和回风的走向，配合四通阀⑥切换，在夏季制冷工况下保证新风通过蒸发器⑤，回风通过冷凝器⑤。实现除湿蒸发器和除湿冷凝器功能的平稳切换，实现吸附剂的再生和系统的连续运转。本实验样机使用的制冷剂为R410A，制冷剂充注量约为0.6 kg。所有温湿度传感器在使用前均通过露点温度仪校准，温度精确度为±0.2 ℃，相对湿度校准不确定度为±0.8%。

图4 实验样机结构Fig.4 Structure of experimental prototype

2 实验结果与讨论

2.1 能量平衡验证

为了确保后文分析的准确性，需要进行能量平衡验证。在一个循环中压缩机的功耗应等于制冷剂散热量Q1与制冷剂在循环中获得热量Q2的差值。由于本实验中制冷剂流量难以获取，故利用空气焓变估算制冷剂的传热量。本文实验数据的能量平衡情况如图6所示。由图6可知，所有工况下的实验数据均可在±25%的误差内达到能量平衡，且大部分实验数据误差小于10%。

图6 能量平衡验证Fig.6 Energy balance verification

2.2 典型夏季制冷工况实验结果分析

为了测试新型一体式除湿热泵空调循环在典型夏季工况的系统性能，实验采用的室外工况即新风工况为上海夏季典型工况，温度为35 ℃，含湿量为21.4 g/(kg干空气)；室内工况即回风工况为温度为25 ℃，含湿量为11.1 g/(kg干空气)；混风比为新风65%，回风35%；系统蒸发器冷凝器切换时间为3 min；新风风量为0.095 kg/s，回风风量为0.179 kg/s，混风后通过蒸发器风量为0.124 kg/s，通过冷凝器风量为0.15 kg/s。

通常使用送风含湿量da,out(g/(kg干空气))、单位时间除湿量Wt(g/s)、送风温度Tout(℃)、COP等来衡量系统性能。其中除湿量Wt和系统COP的计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

2.2.1除湿效果

图7所示为系统切换周期中，新风含湿量、回风含湿量、送风含湿量及蒸发器进风含湿量随时间的变化。测试中新风含湿量约为21.9 g/(kg干空气)，回风含湿量约为11.1 g/(kg干空气)，蒸发器进风含湿量约为18.0 g/(kg干空气)。

图7 含湿量随时间的变化Fig.7 Moisture content changes with time

结果表明前半个切换周期中，平均送风含湿量为10.3 g/(kg干空气)，除湿量为7.1 g/(kg干空气)；在后半个切换周期中，平均送风含湿量为9.2 g/(kg干空气)，除湿量达到8.7 g/(kg干空气)，整个切换周期除湿量约为7.9 g/(kg干空气)。结果表明新型循环具有良好的潜热负荷处理能力，导致前后半个周期平均送风含湿量和除湿量区别的主要原因是实验样机中两个除湿换热器所连制冷剂管路不对称，且两个除湿换热器均为手工涂覆吸附剂，不能保证完全相同。这些原因也导致两个除湿换热器分别作为蒸发器时送风温度及送风焓的偏差。

2.2.2热处理能力

图8所示为实验系统切换周期中，新风温度、回风温度及送风温度随时间的变化。新风温度约为35 ℃，回风温度约为25 ℃。

图8 温度随时间变化Fig.8 Temperature changes with time

测试结果显示，在前、后两个切换周期中，平均送风温度分别为22.5 ℃和23.3 ℃。整个周期中，送风温度均在21～24 ℃，满足一般空调对新风温度的需求。说明新型循环具有良好的显热负荷处理能力。

图9 焓随时间的变化Fig.9 Enthalpy changes with time

图9所示为实验系统切换周期中，新风焓、回风焓、送风焓以及蒸发器进风焓随时间的变化。新风焓约为96.3 kJ/kg，回风焓约为56.7 kJ/kg，蒸发器进风焓约为82.4 kJ/kg。

测试结果显示，前、后半个切换周期平均送风焓分别为52.0 kJ/kg和49.6 kJ/kg，有用功分别为672.4 kJ和750.7 kJ。结果表明新型循环具有良好的潜热显热负荷处理能力。

2.2.3能耗分析

图10所示为实验系统切换周期中，压缩机功率随时间的变化。通过计算可得，在前、后半个切换周期压缩机能耗分别为113.7 kJ和113.6 kJ，整个切换周期压缩机能耗为227.3 kJ。两个风机功率之和约为125 W，所以在前、后半个切换周期系统能耗分别为136.2 kJ和136.1 kJ，总能耗为272.3 kJ。

图10 压缩机功率随时间变化Fig.10 The power of compressor changes with time

图11所示为系统COP随时间的变化。计算可得，不考虑风机能耗时，前、后半个切换周期COP分别为5.91和6.61，整个切换周期COP为6.26。考虑风机能耗时，前、后半个切换周期系统COP分别为4.94和5.52，整个切换周期系统COP为5.23。

图11 COP随时间变化Fig.11 COP changes with time

通过以上分析可知，新型一体式除湿热泵空调循环系统除湿能力强，且能效比远高于常见的小型家用空调。与除湿和冷却过程异时独立处理的空调系统相比，能效比得到很大提高，体积小，无需附加热源即可持续实现吸附剂的吸附与再生。

2.3 关键运行参数对系统性能的影响

为了研究关键运行参数对新型一体式除湿热泵空调循环系统性能的影响，本文采用控制变量法，改变新风温度、新风含湿量、回风温度、回风含湿量4个关键运行参数，对新型一体式除湿热泵空调循环在不同工况下的系统性能进行对比和分析。

2.3.1新风温度

为了研究新风温度变化对新型一体式除湿热泵空调循环系统性能的影响，保持新风含湿量为21.4 g/(kg干空气)，回风温度为25 ℃，回风含湿量为11.1 g/(kg干空气)，调整新风温度分别为33、34、35、36 ℃工况下进行实验。但由于温湿度控制误差，所得实际工况如表1所示。

表1 新风温度变化实际工况Tab.1 Air conditions with variable fresh air temprature

对比表1中4个工况下所得实验数据，当新风含湿量、回风温度、回风含湿量基本保持不变时，新风温度由32.8 ℃增至36.2 ℃。图12～图14所示分别为平均送风温度、平均送风含湿量及平均除湿量、系统COP随新风温度的变化。由图12～图14可知，随着新风温度的增加：平均送风温度由21.9 ℃增至23.8 ℃；平均送风含湿量和平均除湿量基本分别保持9.6 g/(kg干空气)和8.2 g/(kg干空气)不变；系统COP稍有下降，基本保持5.25不变。

图12 平均送风温度随新风温度的变化Fig.12 Average air supply temperature under different fresh air temperature

图13 平均送风含湿量及平均除湿量随新风温度的变化Fig.13 Average moisture content of air supply and average dehumidification capacity under different fresh air temperature

图14 系统COP随新风温度的变化Fig.14 COP under different fresh air temperature

由此可见，在一定温度范围内，新风温度的变化只会影响平均送风温度，对平均送风含湿量、平均除湿量及系统COP的影响较小。

2.3.2新风含湿量

为了研究新风含湿量对新型一体式除湿热泵空调循环系统性能的影响，保持新风温度为35 ℃，回风温度为25 ℃，回风含湿量为11.1 g/(kg干空气)，调整新风含湿量分别为17.8、19.6、21.4、23.3 g/(kg干空气)工况下进行实验。但由于温湿度控制误差，所得实际工况如表2所示。

对比在表2中4个工况下所得实验数据，当新风温度、回风温度、回风含湿量基本不变时，新风含湿量由17.9 g/(kg干空气)增至22.4 g/(kg干空气)。图15～图17所示分别为平均送风温度、平均送风含湿量及平均除湿量、系统COP随新风含湿量的变化。由图15～图17可知，随着新风含湿量的增加：平均送风温度由22.4 ℃增至23.3 ℃，原因是随着新风含湿量的增加，通过除湿蒸发器的混合风含湿量也相应提高，导致吸附量和吸附过程释放出的吸附热增大，因此平均送风温度增加；平均送风含湿量和平均除湿量均增加，前者由8.5 g/(kg干空气)增至10.0 g/(kg干空气)，后者由6.9 g/(kg干空气)增至8.6 g/(kg干空气)，因此当新风含湿量增加时，吸附剂的吸附增加量不能完全吸附通过除湿蒸发器的混合风含湿量的增加量；系统COP由4.6增至5.5，原因是系统潜热处理能力随新风含湿量的增加而提升。

表2 新风含湿量变化实际工况Tab.2 Air conditions with variable fresh air moisture content

图15 平均送风温度随新风含湿量的变化Fig.15 Average air supply temperature under different fresh air moisture content

图16 平均送风含湿量及平均除湿量随新风含湿量的变化Fig.16 Average moisture content of air supply and average dehumidification capacity under different fresh air moisture content

图17 系统COP随新风含湿量的变化Fig.17 COP under different fresh air moisture content

2.3.3回风温度

为了研究回风温度对新型一体式除湿热泵空调循环系统性能的影响，保持新风温度为35 ℃，新风含湿量为21.4 g/(kg干空气)，回风含湿量为11.1 g/(kg干空气)，调整回风温度分别为23、24、25、27 ℃工况下进行了实验。但是由于温湿度控制误差，所得实际工况如表3所示。

对比表3中4个工况下所得实验数据，当新风温度、新风含湿量、回风含湿量基本保持不变时，回风温度由23 ℃增至27.4 ℃。图18～图20所示分别为平均送风温度、平均送风含湿量及平均除湿量、系统COP随回风温度的变化。由图18～图20可知，随着回风温度的增加：平均送风温度由22 ℃增至24.2 ℃；平均送风含湿量和平均除湿量基本不变，分别为9.8 g/(kg干空气)和8.2 g/(kg干空气)；系统COP由5.5将至5，原因是随着回风温度的增加，系统冷凝温度升高，排风温度及系统过热度也增加，导致压缩机功率增加，因此系统COP降低。

表3 回风温度变化实际工况Tab.3 Air conditions with variable return air temperature

图18 平均送风温度随回风温度的变化Fig.18 Average air supply temperature under different return air temperature

图19 平均送风含湿量及平均除湿量随回风温度的变化Fig.19 Average moisture content of air supply and average dehumidification capacity under different return air temperature

图20 系统COP随回风温度的变化Fig.20 COP under different return air temperature

2.3.4回风含湿量

为了研究回风含湿量变化对新型一体式除湿热泵空调循环系统性能的影响，保持新风温度为35 ℃，新风含湿量为21.4 g/(kg干空气)，回风温度为25 ℃，调整回风含湿量分别为11.1、12.5、13.9、15.3 g/(kg干空气)工况下进行实验。但由于温湿度控制误差，所得实际工况如表4所示。

表4 新风含湿量变化实际工况Tab.4 Air conditions with variable return air moisture content

对比表4中4个工况下所得实验数据，当新风温度、新风含湿量、回风温度基本保持不变时，回风含湿量由11.1 g/(kg干空气)增至16.1 g/(kg干空气)。图21～图23所示分别为平均送风温度、平均送风含湿量及平均除湿量、系统COP随回风含湿量的变化。由图21～图23可知，随着回风含湿量的增加：平均送风温度基本保持23 ℃不变，原因是随着回风含湿量的增加，通过除湿蒸发器的混合风含湿量也增加，导致吸附量和吸附过程释放出的吸附热增大，提高了平均送风温度，但是回风混风比仅为0.35，所以影响远小于新风含湿量，平均送风温度基本保持不变；平均送风含湿量和平均除湿量均增加，前者由9.7 g/(kg干空气)增至11.1 g/(kg干空气)，后者由7.9 g/(kg干空气)增至8.5 g/(kg干空气)；系统COP由5.2增至5.4，有小幅度增加，原因是系统潜热处理能力随着回风含湿量的增加而提升，但回风混风比仅为0.35，影响远小于新风含湿量，因此系统COP仅有小幅度增加。

图21 平均送风温度随回风含湿量的变化Fig.21 Average air supply temperature under different return air moisture content

图22 平均送风含湿量及平均除湿量随回风含湿量的变化Fig.22 Average moisture content of air supply and average dehumidification capacity under different return air moisture content

图23 系统COP随回风含湿量的变化Fig.23 COP under different return air moisture content

3 结论

本文测试和分析了新型一体式除湿热泵空调循环在典型夏季工况下的性能，采用控制变量法分别改变新风温度、新风含湿量、回风温度、回风含湿量，分析了4个关键运行参数对系统性能的影响。通过分析，得出以下结论：

1)新型一体式除湿热泵空调循环在典型夏季工况下除湿量达到7.9 g/(kg干空气)，COP达到5.23，不仅除湿能力强，而且能效比远高于常见的小型家用空调，与除湿过程和冷却过程异时独立处理的空调系统相比，能效比得到很大提高，且体积小，不需附加热源就可持续实现吸附剂的吸附与再生。

2)随着新风温度由32.8 ℃增至36.2 ℃，平均送风温度由21.9 ℃增至23.8 ℃；平均送风含湿量和平均除湿量基本分别保持9.6 g/(kg干空气)和8.2 g/(kg干空气)不变；系统COP稍有下降，基本保持5.25不变。

3)随着新风含湿量由17.9 g/(kg干空气)增至22.4 g/(kg干空气)，平均送风温度由22.4 ℃增至23.3 ℃，平均送风含湿量和平均除湿量均增加，前者由8.5 g/(kg干空气)增至10 g/(kg干空气)，后者由6.9 g/(kg干空气)增至8.6 g/(kg干空气)；系统COP由4.6增至5.5。

4)随着回风温度由23 ℃增至27.4 ℃，平均送风温度由22 ℃增至24.2 ℃；平均送风含湿量和平均除湿量基本保持不变，分别为9.8 g/(kg干空气)和8.2 g/(kg干空气)；系统COP由5.5将至5。

5)随着回风含湿量由11.1 g/(kg干空气)增至16.1 g/(kg干空气)，平均送风温度基本保持23 ℃不变；平均送风含湿量和平均除湿量均增加，前者由9.7 g/(kg干空气)增至11.1 g/(kg干空气)，后者由7.9 g/(kg干空气)增至8.5 g/(kg干空气)；系统COP由5.2增至5.4，有小幅度增加。