太阳能驱动的自冷式除湿空调系统性能实验研究

2019-11-01王惠惠葛天舒章学来赵耀

制冷技术 2019年4期

王惠惠，葛天舒，章学来，赵耀

（1-上海海事大学商船学院，上海 201306；2-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

0 引言

固体除湿空调技术克服了压缩空气除湿和冷冻除湿共有的耗电量大的缺点，具有节约资源、保护环境、温湿度独立控制和可利用低品位热源的优点，是最具有发展前景的空调技术之一[1-2]。近年来，国内外的研究人员对固体除湿空调技术进行了大量研究。转轮除湿技术是目前应用最广泛的固体除湿技术[3]。在转轮除湿过程中，由于吸附热的释放，导致吸附过程中产生温度升高和除湿效率降低的问题[4-5]。钟彩霞等[6]和贾晶等[7]研究了将转轮除湿和冷凝除湿结合的系统。吴亚琴等[8]研究了转芯中加冷却区的新型转轮。腊栋等[9]研究了两极式转轮除湿系统。以上关于转轮除湿系统的研究虽然能一定程度上解决转除湿过程中温度升高的问题，但由于转轮结构本身传热能力较差，无法从根本上实现等温除湿。GE等[10-11]提出了除湿换热器（Desiccant Coated Heat Exchanger，DCHE）的概念，将干燥剂材料（如硅胶）涂覆于传统翅片管式换热器表面，通过管内通冷热流体控制干燥剂吸附和再生，由于翅片管式换热器良好的导热性能，该装置可以很好地实现等温除湿。赵耀等[12-13]建立并优化了太阳能驱动的除湿换热器空调系统。为了弥补除湿换热器空调系统降温能力的不足，江宇等[14]和HUA等[15]研究了将除湿换热器与传统蒸气压缩制冷技术结合的系统。

蒸发冷却技术作为零费用冷却技术，广泛应用于制冷系统中[16-17]。CONSTANZE等[18-19]提出采用蒸发冷却技术为除湿换热器提供冷源。GE等[20-21]通过数值模拟的方法建立数学模型对该新型系统的性能进行动态模拟[14-15]，从理论的角度证明了其可行性，并指出该系统热力性能系数（Coefficient of Performance，COP）可大于 1.0，电力 COP 高达 8.0。

本文在上海夏季工况下，搭建了太阳能驱动的自冷式除湿空调系统（以下简称“系统”），实验研究了切换时间、入口空气含湿量和再生热水入口温度对系统除湿性能的影响。

1 系统原理及实验装置

图1所示为太阳能驱动的自冷式除湿空调系统原理。主要包括：两个涂覆有干燥剂的翅片管式换热器（除湿换热器 A（DCHE-A）和除湿换热器 B（DCHE-B））、蒸发冷却器和太阳能集热器。

图1 太阳能驱动的自冷式除湿空调系统原理

系统运行过程中除湿换热器主要包括除湿和再生两个阶段，系统测试时间内平均热力过程如图2所示。

图2 系统测试时间内平均热力过程

待处理空气（1-2）在风机驱动作用下进入处于除湿阶段的DCHE-A空气侧流道，待处理空气中的水分被换热器翅片表面的干燥剂涂层吸附。吸附过程中干燥剂材料释放的吸附热被管内循环流动的冷却水及时带走，最终达到等温除湿的理想除湿过程。经处理后的干燥空气一部分送入空调房间，另一部分送入蒸发冷却器（2-3）。干燥空气在蒸发冷却器中与除湿换热器中流出的冷却水换热，期间空气升温加湿，而冷却水温度降低，温度降低的冷却水再由水泵送入除湿换热器带走吸附热。再生风在风机驱动作用下进入 DCHE-B中的空气侧流道（4-5），此时换热器管内通以太阳能系统产生的热水，DCHE-B处于再生阶段。在除湿阶段中接近吸附饱和的干燥剂，被管内热水加热再生，由此完成一个周期的除湿和再生过程。

图3所示为除湿空调系统实验台。为了保证系统除湿连续性，实验采用两个除湿换热器切换工作，通过电磁阀和风阀的切换，保证一组除湿换热器中的干燥剂除湿的同时另一组除湿换热器中的干燥剂再生，当半个周期运行结束时，两个除湿换热器切换工作模式，即DCHE-A进入再生阶段，DCHE-B进入除湿阶段。

除湿换热器、干燥剂及蒸发冷却器相关参数如表1所示。

图3 除湿空调系统实验台

表1 除湿换热器、干燥剂及蒸发冷却器相关参数

2 系统测试

实验中需要测量的变量参数包括：空气侧在除湿换热器进出口处的温度、相对湿度、质量流量和冷却水/再生热水侧的进出口温度与质量流量。

表2所示为传感器及测量参数。由于直接测量空气的质量流量较困难，因此通过多次测量空气流速取平均值的方法，结合空气密度和风管管路横截面积计算得到空气的质量流量。

表2 传感器及测量参数

3 性能评价指标

除湿性能评价指标为平均除湿量Dave。

式中：

da,in——处理空气在除湿换热器入口状态点的含湿量，g/(kg干空气)；

da,out——处理空气在除湿换热器出口状态点的含湿量，g/(kg干空气)；

t——除湿时间，s。

除湿换热器热力性能系数COPth是除湿过程中的潜热制冷量与再生过程中热水热量的比值。由于再生过程主要由热能驱动，因此忽略水泵和风机等的耗电量。

式中：

Ql——处理空气潜热制冷量，W；

Qr——再生热水的热量，W；

hal,in——处理空气入口水蒸气焓值，kJ/kg；

hal,out——处理空气出口水蒸气焓值，kJ/kg；

Ma——处理空气质量流量，kg/s；

Mr——再生热水的质量流量，kg/s；

cr——再生热水热容，kJ/(kg·℃)；

Tr,in——再生热水在除湿换热器入口的温度，℃；

Tr,out——再生热水在除湿换热器出口的温度，℃。

4 性能实验与分析

系统运行过程中，除湿阶段和再生阶段的切换时间对干燥剂的吸附及干燥程度的影响较大。在实际应用中，随着气候条件的变化和除湿系统应用地点的不同，除湿系统中待处理空气的入口状态以及再生热水的温度不停变化，因此研究不同的空气入口状态和不同条件的再生热水对系统性能的影响十分必要。

系统中待处理空气、再生热水和冷却水的质量流量分别为0.14、0.40和0.33 kg/s，实验中数据采集时间间隔为1 s，采用控制变量法进行研究。

4.1 切换时间对系统除湿性能的影响

图4所示为在除湿阶段和再生阶段的切换时间对系统除湿性能的影响。由图4可知，当系统的切换时间由4 min增至6 min时，除湿量和COPth分别增加了1.61 g/(kg干空气)和0.11。原因是随着切换时间的增加，干燥剂再生更完全，在除湿阶段增大了干燥剂与处理空气之间的水蒸气分压力差，进而提高系统的除湿效果。

当切换时间从6 min增加到10 min时，除湿量和COPth随切换时间的增加而降低，除湿量从9.23 g/(kg干空气)降至6.86 g/(kg干空气)，COPth从0.53降至0.43。虽然切换时间的增加使干燥剂再生更完全，随着除湿阶段的进行，干燥剂逐渐接近吸附饱和的状态，在除湿的最后阶段干燥剂几乎失去除湿能力，平均除湿量随着切换时间的增加而降低，从而影响系统除湿性能。从实验结果可以确定该系统除湿阶段和再生阶段的最佳切换时间为6 min，因此，设定其他变参数工况下的系统除湿阶段和再生阶段的切换时间为6 min。

图4 切换时间对系统除湿性能的影响

4.2 处理空气入口含湿量对系统除湿性能的影响

图5所示为处理空气入口含湿量对系统除湿性能的影响。由图5可知，除湿量和COPth均随着处理空气入口含湿量的增加而增大。当处理空气入口含湿量从9.5 g/(kg干空气)增至18.5 g/(kg干空气)时，除湿量从4.96 g/(kg干空气)增至11.2 g/(kg干空气)，COPth约增加0.12。由于空气水蒸气分压力随着处理空气入口含湿量的增加而升高，强化了空气与除湿剂之间的质量传递，系统的除湿能力和处理潜热负荷的能力增强，整个系统的性能大幅度提升。当处理空气入口含湿量小于10 g/(kg干空气)时，系统除湿性能削弱，此类系统更适用于中、高湿地区。

图5 处理空气入口含湿量对系统除湿性能的影响

4.3 再生热水温度对系统除湿性能的影响

再生热水的温度决定干燥剂的再生程度，在空调系统的应用过程中除湿换热器再生热水的入口温度受气候、地点以及太阳辐射强度等情况的影响而变化。图6所示为当处理空气入口条件相同时，再生热水入口温度对系统除湿性能的影响。

由图6可知，除湿量随着再生温度的升高而增大。当再生热水入口温度从55℃升至70℃时，除湿量从7.25 g/(kg干空气)增至9.23 g/(kg干空气)，COPth从0.43增至0.53。原因是在相同的实验条件下，再生热水温度越高，干燥剂再生更完全，即吸附能力更强，系统的除湿性能更好。实验结果表明，当再生热水温度为70℃时，系统性能最佳。此类系统可与太阳能等低品位热源相结合利用。