转轮除湿空调系统再生排风热湿回收性能试验研究

范 红，石全成，褚于颉，陈 柳

（西安科技大学 能源学院，西安 710054）

关键字：转轮除湿空调系统；再生排风；热回收；空气取水

0 引言

传统蒸汽压缩制冷系统采用热湿联合处理，过冷后的空气再加热的空气处理方法，需要消耗大量电能[1]。众多研究人员致力于研究传统空调替代技术以克服上述问题，转轮除湿空调系统是一种新的空调方法，该系统可充分利用太阳能、地热能和余热废热等低品位热能驱动，显著降低空调系统的能耗[2-6]。

空调系统的排热会影响城市热环境[7]，对转轮除湿空调系统的热回收有利于减轻城市热岛效应。袁艳等[8]设置显热换热器回收转轮除湿空调系统吸附热，把除湿过程产生的吸附热转移到再生空气加热侧。张于峰等[9]研究了一种新型的高温热泵型转轮除湿空调系统，该系统利用蒸发器对除湿升温后的热空气进行热回收处理，同时冷凝热作为再生热量，在系统内部实现冷量和热量的回收利用。葛凤华等[10]建立了空气源热泵机组与小型固体除湿转轮机组相结合的复合机组，用冷凝器提供系统一部分的再生能耗。上述研究热回收主要集中在转轮除湿空调系统的除湿侧，而再生侧排出的高温空气则被忽略排出系统，从转轮除湿机再生侧排出的高温高湿空气，会加剧城市的温室效应。

从转轮除湿空调系统再生侧排出的热湿空气会造成室外水蒸气增加。现如今，水已成为一种受限的资源，缺水成为一个世界性的普遍现象，从热湿空气中取水被许多学者研究，王星天等[11]设计了一种新型空气取水系统，利用温度较为恒定的土壤作为冷源，通过降温的方式达到空气取水的效果。HABEEBULLAH[12]将新鲜的湿热空气通过蒸发器盘管冷却，评估了冷凝取水的能力。历德义等[13]利用半导体的帕尔贴效应从湿度大的空气获得水分。PATEL等[14]开发并研究了一种大气取水设备，实验研究了在不同气候条件下设备取水性能，结果表明，平均提取率为1.78 L/h。HEIDARI等[15]提出转轮除湿与蒸发冷却相结合的系统，再生空气的含水量被回收以用于蒸发冷却用水。张瑞贤等[16]选用了两台并联蒸发器和两台串联冷凝器对空气取水。

本文提出了一种转轮除湿空调系统再生排风热量回收及空气取水系统，对转轮除湿空调系统再生排风进行热量回收及空气取水，提高能源利用效率。搭建了转轮除湿空调系统再生排风热量回收及空气取水系统实验台，研究了供水温度和再生排风对热量回收及空气取水的影响。

1 系统及试验装置

1.1 系统原理

转轮除湿空调排风热回收及空气取水系统是由转轮除湿空调系统、再生排风热回收及空气取水装置构成，系统有3种模式。

模式1：单一排风热回收模式，即对转轮除湿空调系统再生排风设置空气-水热回收换热器，供水温度高于排风空气9的露点温度并低于排风空气9的干球温度（如自来水），空气-水热回收换热器可回收排风显热，加热空气-水热回收换热器的管内冷水，用于转轮除湿的再生加热的预热器（空气水换热器）；

模式2：单一空气取水模式，即对转轮除湿空调系统再生排风设置空气-水取水换热器，供水温度低于空气的露点温度，空气-水取水换热器可预冷空气，并同时对排风空气取水。预冷后空气作为转轮除湿机处理侧的进风空气；

模式3：排风热回收联合空气取水模式，即对转轮除湿空调系统再生排风分别设置2台空气-水换热器，再生排风先通过空气-水热回收换热器，对再生排风9进行热回收后，空气9等湿冷却至空气10，再经过空气-水取水换热器，空气10冷却减湿到空气11，对排风空气进行预冷取水，空气11和室外新风1混合后用于转轮除湿空调系统处理侧进风，模式3的工作原理如图1所示，焓湿图如图2所示。

图1 转轮除湿空调排风热回收及空气取水系统原理Fig.1 Schematic diagram of the system for recovery of heat from exhaust air and water extraction from air in desiccant wheel air conditioning system

图2 转轮除湿空调系统再生排风热湿回收焓湿图Fig.2 Psychrometric chart of recovery of heat from exhaust air and water extraction from air in desiccant wheel air conditioning system

传统转轮除湿空调系统再生侧只有电加热器，处理侧由转轮除湿机和表冷器组成，处理空气侧空气处理过程如下：处理空气1经除湿转轮除湿区升温减湿到状态点2，由于吸附热的产生，使状态点2的温度较高，后经表冷器干工况冷却到满足送风要求的状态点3。再生空气侧空气处理过程为：再生空气1经空气加热器加热到满足除湿要求的再生空气5，送入除湿转轮的再生区，使再生区的干燥剂脱附水份，冷却增湿到状态点6。空气处理过程焓湿图如图3所示。

图3 传统转轮除湿系统焓湿图Fig.3 Psychrometric chart of traditional desiccant wheel air conditioning system

与传统转轮除湿空调系统相比，本文所提出的系统通过设置空气-水热回收换热器对再生排风进行热回收，并将热量通过空气-水换热器对再生风进行预热处理，节约了电加热器的能耗，进而大大节约了系统再生能耗；同时，将取水处理后温度较低的再生排风送入处理侧，进一步降低了系统能耗。

1.2 试验装置

为了进行转轮除湿空调系统夏季再生排风回收研究，建立了一套试验装置，试验原理同图1，试验装置实物如图4所示。

图4 转轮除湿空调系统试验装置Fig.4 Diagram of experimental device for desiccant wheel air conditioning system

该系统还包括数据采集与控制系统，自动采集和储存数据，试验装置的测量参数及传感器的类型和精度见表1。试验分别对转轮除湿空调排风热回收及空气取水系统模式1，2进行排风热回收及空气取水研究。模式3为模式1，2的联合作用，其性能由模式1，2的性能进行分析即可获得。

表1 传感器参数Tab.1 Sensor parameters

2 性能指标

（1）热回收量。

式中 QR——热回收量，kW，反映系统热回收能力；

C——再生空气排风比热容，kJ/（kg·℃）；

mp——再生空气质量流量，kg/s；

T9——空气-水热回收换热器进风温度，℃；

T10——空气-水热回收换热器出风温度，℃。

（2）预冷制冷量。

式中 Qc——预冷制冷量，kW；

h10——空气-水取水换热器进风焓值，kJ/kg；

h11——空气-水取水换热器出风焓值，kJ/kg。

（3）热力系统性能系数。

热力系统性能系数TCOP是系统制冷量除以再生加热器的加热量，计算式为：

式中 TCOP——热力系统性能系数，反映系统性能；

QCC——系统制冷量，kW；

Qt——再生热耗，kW；

mc——处理空气质量流量，kg/s；

h1——系统处理空气进风焓值，kJ/kg；

h5——系统处理空气出风焓值，kJ/kg；

h8——电加热器出口空气焓值，kJ/kg；

h7——电加热器进口空气焓值，kJ/kg。

3 试验研究

3.1 再生排风性能

3.1.1 再生温度对再生排风性能影响

当除湿侧入口（状态点2）温度32 ℃、风量0.49 m3/s、含湿量24.1 g/kg；表冷器供水温度15 ℃；再生空气（状态点8）含湿量为9.2 g/kg、风量0.16 m3/s；再生温度从90 ℃增加到120 ℃，研究再生温度T再生对再生侧出口温度T9及出口含湿量d9的影响。

再生温度从90 ℃增加到120 ℃，转轮除湿机再生侧出口温度从38.9 ℃增加到50.1 ℃，涨幅为22.2%，如图5所示；转轮除湿机再生侧出口含湿量从26.8 g/kg增加到38.6 g/kg，涨幅为45.1%，如图6所示。

图5 T再生对再生排风温度的影响Fig.5 Effect of regeneration temperature on regeneration exhaust air temperature

图6 T再生对再生排风含湿量的影响Fig.6 Effect of regeneration temperature on regeneration exhaust air humidity

再生温度的提高导致转轮的吸附能力和解吸能力加强，由于吸附热的增加导致再生侧排风温度增加，解吸能力增加导致再生侧排风含湿量增加。转轮除湿机再生侧的出口温度达到38.9～50.1 ℃，出口含湿量达到 26.8～38.6 g/kg，故具有很高的热湿回收价值。

如图7所示，当再生温度从90 ℃增加到120 ℃，系统热力性能系数从0.81降低到0.6，降幅为26.3%。再生温度的提高会增加再生热耗，导致系统TCOP降低，在实际应用中应当以增加TCOP为主，兼顾热湿回收性能，合理选择再生温度。

图7 T再生对TCOP的影响Fig.7 Effect of regeneration temperature on TCOP

3.1.2 再生空气入口含湿量对再生排风性能影响

当除湿侧入口（状态点2）温度为32 ℃、风量为0.49 m3/s、含湿量为24.1 g/kg；表冷器供水温度为15 ℃；再生风量为0.16 m3/s；再生温度为120 ℃，研究再生空气（状态点8）含湿量d再生对再生侧出口温度T9及出口含湿量d9的影响。

如图8所示，再生空气含湿量从7.1 g/kg增加到10.2 g/kg，转轮除湿机再生侧出口温度从48.2 ℃降低到46.0 ℃，降幅为4.5%。

图8 d再生对再生排风温度的影响Fig.8 Effect of regeneration humidity on regeneration exhaust air temperature

如图9所示，转轮除湿机再生侧出口含湿量从37.0 g/kg增加到38.4 g/kg，转轮除湿机再生侧出口和进口含湿量差值从29.9 g/kg减少到28.2 g/kg。再生空气含湿量的提高导致转轮除湿机再生传质驱动力下降，再生侧解吸能力下降，因此解吸出的水蒸气减少，同时也削弱了除湿侧的吸附能力，降低了吸附热，导致再生侧出口温度降低。因此，干燥再生空气更有利于转轮除湿机的再生。

图9 d再生对再生排风含湿量的影响Fig.9 Effect of regeneration humidity on regeneration exhaust air humidity

3.2 热回收性能

3.2.1 热回收换热器供水温度对热回收性能影响

当再生排风空气温度为50.1 ℃、含湿量为38.1 g/kg、风量为0.16 m3/s，研究热回收换热器供水温度从18 ℃增加到22 ℃变化对热回收性能的影响。

如图10所示，当供水温度从18 ℃增加到22 ℃时，回水温度从34.0 ℃增加到35.4 ℃，涨幅为16.25 %，供回水温差从16.0 ℃降低到13.4 ℃。因排风空气参数一定，供水温度增大，降低了传热温差，所以供回水温差降低。

图10 T供水对T回水的影响Fig.10 Effect of water supply temperature on return water temperature

如图11所示，当供水温度从18 ℃增加到22 ℃时，热回收量从3.5 kW降低到3.1 kW，降幅为11.4%。因排风参数一定，供水温度增大，降低了传热温差，从而减小了热回收的驱动力，导致热回收量降低。热回收换热器可以回收排风空气的热量，制备出再生空气预热器热水，可以提高转轮除湿空调系统能源的利用率。试验用热回收换热器性能一般，采用高效热回收换热器可进一步提高热回收能力。

图11 T供水对热回收量的影响Fig.11 Effect of water supply temperature on heat recovery capacity

3.2.2 再生排风温度对热回收性能影响

当热回收换热器供水温度为20 ℃、再生排风空气含湿量为38.1 g/kg、排风风量为0.16 m3/s时，研究再生排风温度从46 ℃增加到50 ℃对热回收性能的影响。如图12所示，当再生空气出口温度从46 ℃增加到50 ℃时，回水温度从33.9 ℃增加到35.7 ℃，涨幅为5.3 %，供回水温的差值从13.9 ℃增加到15.7 ℃。如图13所示，热回收量从2.8 kW增加到3.3 kW，涨幅为17.9 %。因供水温度一定，当再生排风温度增加时，增大了排风空气和热回收装置的传热温差，使得热回收量增加。

图12 T9对T回水的影响Fig.12 Effect of regeneration temperature on return water temperature

图13 T9对热回收量的影响Fig.13 Effect of regeneration temperature on heat recovery capacity

3.3 再生排风预冷取水性能

3.3.1 取水换热器供水温度对再生排风预冷取水影响

当再生排风温度50.1 ℃、含湿量为38.1 g/kg、风量为0.16 m3/s，研究取水换热器供水温度变化对预冷制冷量和取水量的影响，供水温度从12 ℃增加到17 ℃（取水量从5.6 kg/h降低到4.2 kg/h，降幅为25%），如图14所示，在排风空气参数一定的条件下，供水温度增大，降低了排风空气与热湿回收装置的传热温差，因此冷却能力降低，取水量降低。供水温度从16 ℃增加到17 ℃时，取水量基本不变。如图15所示，预制冷量从10.6 kW降低到8.8 kW，降幅为17%。在排风空气参数一定的条件下，供水温度增大，降低了排风空气与热湿回收装置的传热温差，因此制冷能力降低，预制冷量降低。实际应用中，以满足送风温度为前提，尽可能提高供水温度，从而降低冷源的能耗。

图14 T供水对取水量的影响Fig.14 Effect of water supply temperature on water extraction capacity

图15 T供水对预制冷量的影响Fig.15 Effect of water supply temperature on precooling capacity

3.3.2 再生排风温度对再生排风预冷取水影响

当供水温度为14 ℃，风量为0.16 m3/s；研究再生排风温度，即空气取水换热器进口温度变化对取水量的影响，再生空气出口温度从46 ℃增加到50 ℃。如图16所示，当再生空气进口温度从46 ℃增加到50 ℃，取水量从4.6 kg/h升高到5.7 kg/h，涨幅为24%。转轮除湿机再生空气出口温度增加，空气取水换热器的传热推动力和传质推动力增加，因此会析出更多的水分，所以取水量会增加。如图17所示，预制冷量从9.6 kW增加到10.1 kW，涨幅为5.2%。因供水温度一定，当再生空气进口温度增加，增加了排风空气与热湿回收装置的传热温差，制冷能力增强，所以预制冷量增加。

图16 T9对取水量的影响Fig.16 Effect of regeneration temperature on water extraction capacity

图17 T9对预制冷量的影响Fig.17 Effect of regeneration temperature on precooling capacity

3.4 再生排风取水水质检测

再生排风取水水质检测结果见表2。再生排风取水、自来水和蒸馏水水质比较见表3。pH值为7.04，电导率为24.7 μs/cm，浑浊度未检出。再生排风取水的酸性略高于蒸馏水，因为大多数现代城市的大气中都存在酸性沉积物；然而，再生排风取水的电导率远远低于自来水，略高于蒸馏水，表明其受无机溶解固体（如氯化物、硫酸盐、钠、钙等）的影响较小，通过分析比较可得该水质更优。

表2 再生排风取水水质检测结果Tab.2 Test results of quality of water extracted from the regeneration side exhaust air

表3 再生排风取水、自来水和蒸馏水水质比较Tab.3 Comparison of water quality of water extracted from the regeneration side exhaust air，tap water and distilled water

4 结论

（1）再生温度从90 ℃增加到120 ℃，转轮除湿空调系统再生侧出口温度从38.9 ℃增加到50.1 ℃；转轮除湿空调系统再生侧出口含湿量从26.8 g/kg增加到38.6 g/kg。转轮除湿机再生侧的出口温度达到38.9～50.1 ℃，出口含湿量达到26.8～38.6 g/kg，故具有很高的热湿回收价值。

（2）再生空气含湿量从7.1 g/kg增加到10.2 g/kg，转轮除湿机再生侧出口温度从48.2 ℃降低到46.0 ℃；转轮除湿机再生侧出口含湿量从37.0 g/kg增加到38.4 g/kg，转轮除湿机再生侧出口和进口含湿量差值从29.9 g/kg减少到28.2 g/kg。

（3）通过对排风空气进行热回收试验表明，当供水温度从18 ℃增加到22 ℃时，热回收量从3.5 kW降低到3.1 kW；当再生空气出口温度从46 ℃增加到50 ℃时，热回收量从2.8 kW增加到3.3 kW。

（4）通过对再生排风预冷取水性能试验表明，当供水温度从12 ℃增加到17 ℃，取水量从5.6 kg/h降低到4.2 kg/h，预制冷量从10.6 kW降低到8.8 kW；当再生空气进口温度从46 ℃增加到50 ℃，取水量从4.6 kg/h升高到5.7 kg/h，预制冷量从9.6 kW增加到10.1 kW。通过水质检测，再生排风取水水质优于自来水。