转轮除湿空调系统构成形式的分析与比较

王涛 胡晓微 胡涛涛

天津商业大学机械工程学院

近年来，转轮除湿空调系统作为新型的除湿空调系统引起国内外很多学者的关注[1～2]。转轮除湿用于空调系统中的构成形式有多种，其目的在于实现对空气的冷却和除湿。由于转轮再生能耗是转轮除湿空调系统的主要能耗之一。国内外学者对再生能耗问题作了诸多的研究[3～5]，当前，再生能耗的研究成为转轮除湿研究的主流。用于再生的能量主要来源于电能、废热、太阳能以及系统回收的热量等。其它的方式还有用燃气直接加热空气[6]，燃气热泵加热器[7]，制冷系统的余热[8]等。关于转轮耦合系统形式的可行性研究也有很多，有转轮与高温空气源热泵的耦合空调系统的性能的研究，太阳能两级转轮除湿空调系统试验研究，转轮除湿空调系统的研究，除湿转轮与冷热联产热泵藕合式空调系统性能研究以及转轮两级除湿空调系统的研究等，都是近几年转轮空调研究的焦点。本文介绍了几种转轮系统的构成形式。总结了近几年国内对转轮再生能耗的研究，并对其未来发展所以解决的问题进行探讨。

1 转轮除湿空调系统的构成形式

1.1 转轮与中高温热泵耦合的空调系统

转轮的再生能耗是转轮除湿空调的主要能耗之一。为了使除湿空调与常规空调相比更节能，很多学者致力于降低再生能耗的研究。热泵具有高效集热和转移热量的特点，其冷凝器释放出来的冷凝热可以抵消转轮的再生能耗。

郝红等研究了转轮与中高温热泵耦合空调系统可行性[9]。提出了利用热泵来完全满足制冷负荷和再生负荷要求。通过加热装置模拟转轮出口空气参数以及不同温度的室外空气参数，对热泵与转轮的匹配性能进行实验。图1是转轮热泵耦合空调系统的示意图。图2是转轮热泵耦合空调系统的温湿图。结果表明在不考虑湿负荷的情况下，标准工况（35.74℃）时，热泵蒸发器的出口空气温度为20℃，冷凝器出口空气温度为64.95℃，热泵性能系数略高于2.6；随室外空气温度的升高，蒸发器出口风温升高，当室外空气温度高达近40℃时，蒸发器的出口空气温度仅高于送风温度约1℃；热泵子系统的性能系数随室外空气温度的升高而降低。不同室外温度下，中高温热泵基本都能满足送风温度及再生负荷要求，而且随室外空气温度升高，冷凝器出口风温升高与要求的再生温度升高相匹配，所以转轮与中高温热泵耦合的空调系统是可行的。

图1 转轮热泵耦合空调系统的示意图

图2 转轮热泵耦合空调系统的温湿图

胡晓微等研究了除湿转轮在高温热泵空调系统中的性能[10]。实验装置如图3所示。实验提出了除湿转轮与高温热泵联合运行的空调系统，该系统的特点是，利用热泵的蒸发器对除湿后的热空气进行降温处理，并且将冷凝器释放的热量为转轮提供再生能耗，在系统内部实现冷量和热量的抵消，从而达到节能的目的。系统采用的工质R142b，将机组置于可模拟转轮处理空气和再生空气状态的标准空气焓差室对其性能进行测试。通过改变室外侧环境温度和进入冷凝器的风量研究R142b在空气源热泵机组中的循环性能和排气压力。研究表明当蒸发器环境温度为（45.02℃）时，冷凝器进风温度为（27.02℃）时，灌注R142b的空气源热泵最高可产生79.2℃的热风，完全能满足转轮的再生温度要求。

1再生器风机；2除湿器风机；3除湿转轮；4压缩机；5蒸发器；6毛细管；7冷凝器；8空调房间

宋倩倩等对转轮除湿与双级热泵耦合空调系统进行了研究[11]。在温湿度独立控制的思想基础上，完全利用双级热泵满足室内冷负荷和转轮再生负荷，并建立了系统的物理模型，对该系统的性能参数进行了计算和分析，结果表明在满足室内热湿负荷和转轮再生负荷的要求下，双级热泵的2台机组均可同时工作在较高效率范围内。因此该系统具有很大的发展潜能。

图4为转轮除湿与双级热泵耦合空调系统的原理图。该系统主要由除湿转轮机、显热换热器和双级耦合热泵组合而成。夏季制冷的运行方式为空调房间的热湿负荷独立处理，由除湿转轮承担全部湿负荷，显热换热器承担部分冷负荷，双级热泵的一级热泵承担余下的冷负荷，而二级热泵则承担除湿转轮的再生热量;冬季供暖的运行方式为高温级热泵停止工作，只采用低温级热泵向室内供热。因此，这种系统在冬季供暖时不会受到系统改变的影响。

图4 转轮除湿与双级热泵耦合空调系统原理图

图5为转轮除湿与双级热泵耦合空调系统空气处理过程焓湿图，空气的处理过程包括除湿和再生两个部分。除湿过程指室外新风（W）与室内回风（N）混合（C），经过转轮除湿除去混合空气中的水分（状态点P1），在转轮吸附过程中，水蒸气潜热的释放和再生时转轮的蓄热使除湿后的空气温度升高，经过显热换热器，空气降温到状态点P2，再经过一级热泵蒸发器处理到送风状态点O。再生过程指室外新风（W）先经过显热换热器升温到状态点E1，再经过二级热泵冷凝器加热到要求的再生温度（E2），进入转轮除湿器对固体吸附剂进行再生，空气状态点变为F排出室外。图中，过程NW＞C→P1→P2→O为系统的除湿过程，过程W→E1→E2→F为系统的再生过程。

图5 转轮除湿与双级热泵耦合空调系统空气处理过程焓湿图

1.2 太阳能驱动两级转轮除湿的空调系统

太阳能具有资源丰富、廉价且对环境无污染等一系列优点，最重要的是初投资大，成本回收期比较漫长。利用太阳能节能明显，但受气候和区域影响稳定性较差，同时太阳能集热器使系统初始投资大大增加，常常需要辅助热源才能满足运行需求[12～13]。由于太阳能一定程度上受到天气条件和地理位置的限制，已有转轮除湿空调通常采用稳定性较好的低品位热源来驱动，并广泛用于产湿量高或对室内空气品质有特殊要求场所，如：超市、溜冰场、剧院、仓库、医院等[14～16]。很多学者致力于运用太阳能来提供转轮再生能耗的研究。葛天舒对太阳能驱动两级转轮除湿空调系统的可行性进行了分析，并且结合热舒适性条件，以上海夏季工况为例，比较分析了太阳能驱动转轮式两级除湿空调和传统电压缩式空调的热力性和经济性[17]。结果表明太阳能两级转轮除湿空调系统都可以提供满足要求的送风，推荐的再生温度为85℃。与传统电压缩式空调相比太阳能两级转轮除湿空调系统属于全新风系统，送风质量和室内空气品质都大大提高。与此同时除湿系统可以节省70%的电耗，所以除湿系统高的初投入可以通过节约的运行成本获得补偿，系统的回收期为7年。

1.3 转轮除湿与冷冻相结合的空调系统

某些特定场合需要超低相对湿度的洁净环境，一些学者提出结合使用冷冻除湿法和转轮除湿法的一种新型温度、湿度控制方法。在超低相对湿度要求的环境下，采用冷冻和转轮除湿相结合的干式除湿法将是很好的一种除湿方法，可以较好地控制温度、湿度。干式空调除湿法由于空调机表冷器运行在干工况条件下，没有冷凝水的产生，能够在空调系统中有效杜绝微生物的繁殖。因此对于生物制药、食品加工、医疗卫生等需要细菌控制的场合，值得推广应用。

陈中权等提出结合冷冻除湿法和转轮除湿法实现超低相对湿度的洁净环境[18]。图7采用转轮除湿机方案原理图。系统的除湿过程为：新风（W状态点）经新风机冷却处理至L状态点，然后通过除湿机1除湿至W′状态点，同时一次回风（N状态点）通过除湿机2除湿至N′状态点，W′、N′两个状态点空气混合至C1状态点，然后与二次回风（N状态点）混合至C2态点，再经由主空调机冷却处理至O状态点（即送风状态），至此完成了整个空调过程。从整个过程看，空调过程被分成3个阶段，即新风预冷、新风和回风除湿、表冷处理阶段。表冷处理阶段是完全的干式表冷，这种空调除湿过程可称作干式除湿法，这对制药厂来说可谓是一个惊喜。没有冷凝水产生，也就有效杜绝了微生物的繁殖，对制药洁净厂房的细菌控制极为有利。在这3个阶段中，温度控制和含湿量的控制已经被有效地分离，湿度控制由转轮除湿机实现，而温度要求则由空调机来保障。这种分离技术同时也保证了空调处理中极端要求的可实现。

图6 采用转轮除湿机方案原理图

1.4 转轮除湿/冷辐射吊顶空调系统

转轮除湿应用于冷辐射吊顶系统后形成一种复合式空调系统，解决了冷辐射吊顶系统所存在的除湿问题、冷却能力问题[19]及室内空气品质问题。对于转轮除湿/冷辐射吊顶空调系统，国内外学者进行了大量的研究[20～24]，研究的内容主要包括：①热舒适性；②室内空气品质；③能耗问题。

最基本的转轮除湿/冷辐射吊顶空调系统流程及空气处理i-d图如图7所示。冷冻水系统通过置于吊顶中的金属管，降低顶板表面温度。降温后的冷吊顶通过辐射方式和其它表面（如墙面、地板、家具、人体及其他热表面）进行热交换，降低其它表面温度，并将人体和其它热源产生的热量带走。同时，冷吊顶表面通过对流换热吸收周围空气中的热量并使周围空气温度降低，冷空气受浮力作用向下流向工作区。

而高温高湿的新风（状态点1）先经全热交换器与排风进行全热交换，充分利用排风的冷量实现初步的降温除湿后到达状态点2，此后再进入转轮除湿机，由于转轮本身的显热和吸附产生的吸附热使得新风在除湿的同时，温度升高，到达状态点3为了满足送风温度的要求，高温状态的新风需进行冷却处理，冷却后的新风达到状态点4送入房间，新风在房间中吸收房间余湿和部分显热负荷后到达状态点5，最后送入全热交换器充分利用其冷量后形成高温高湿的空气（状态点6）后排出室外。

图7 转轮除湿/冷辐射吊顶空调系统示意图

将转轮除湿应用于冷辐射吊顶空调系统后形成的复合式空调系统，与传统的空调系统相比转轮除湿实现了对空气湿度的独立处理，室内湿度控制精度得以提高。复合式空调系统扩大了冷辐射吊顶空调系统的应用范围，使之可以应用于一些要求低湿、湿负荷较大的环境，使更多的人能够享受舒适卫生的环境[25]。

1.5 干空气和冷冻水联产除湿空调系统

考虑到已有除湿空调系统为实现潜热和显热负荷的单独处理，要么通过蒸发冷却器来降低处理空气温度[26]，要么引入常规空调组成混合式除湿空调[27]。前者是通过增加湿度来降低温度，难以实现精确控制，后者则仍需消耗一定量电力。上海交通大学最近提出一种基于干燥剂除湿和再生式蒸发冷却技术的干空气和冷冻水联产除湿空调系统[28～29]。如图8所示，该系统可同时制备干空气和冷冻水，从而克服了传统除湿空调的不足。对其节能特性分析表明，ARI夏季工况下，干空气和冷冻水联产空调的热力COP在1左右，电力COP可达9.03，相应电力消耗和CO2排量比常规空调减少72.69%之多。此外，可以通过改变干空气比来调节潜/显热处理能力，实现无能量浪费地提供全部所需冷量。

图8 干空气和冷冻水联产除湿空调系统简图

2 发展方向与关键问题

2.1 转轮与高温热泵耦合面临问题及未来发展方向

转轮的再生温度一般要60℃以上，普通制冷剂如R22很难在此工况下正常运行。被处理的空气经过转轮除湿后温升10℃左右，要想经过蒸发器后满足室内送风温度26℃的要求，蒸发温度应该在20℃左右甚至更低。什么样的制冷剂才能满足这样的要求呢？首先新型制冷剂研发是这项技术的关键问题。其次，新型除湿转轮研究，需要很低的再生温度就能满足转轮的再生需求。

2.2 转轮除湿/冷辐射吊顶空调系统技术关键问题

高温冷源的研究。冷辐射吊顶及转轮除湿后空气的冷却均需高温冷水（温度大于15℃），因此高温冷水机组的研发、土壤源换热装置及深井回灌系统的研究是今后研究的重点；转轮除湿再生能耗问题。如何有效地利用太阳能、余热或废热等资源以降低系统能耗也是今后研究的一个重要方面；系统的维护管理及运行控制策略的研究。

2.3 太阳能驱动转轮

转轮除湿空调采用太阳能及废余热等低品位热源驱动，可以有效地缓解传统空调造成的电力供应峰值负荷，有着良好应用前景。目前，转轮除湿空调已有一定规模应用，进一步发展和应用面临主要问题是[26]：

1）新型的干燥剂材料的研制，应以除湿性能好，再生温度低和价格低廉为目标。复合干燥剂（硅胶-卤素盐等）满足除湿和再生的要求，是一种很好的选择，不足之处是加工工艺相对复杂，成本相应提高。

2）发展多级/分级等再生模式，旨在降低热源温度需求和提高热源利用率。尤其对于高温高湿地区（例如上海），在热源温度较低时，只有采用多级/分级再生模式才能满足除湿的需求。当以太阳能作为热源时，多级/分级再生模式热源温度要求低的优势进一步体现为普通的集热器（平板式或真空管式）、较低的初投资和美观的建筑结合。

3）优化运行控制以提高适用性。温湿度独立控制是转轮除湿空调的一个重要优势，然而，由于环境和室内的空气状态均会随时间、天气、季节地理位置而变化，机组的热力和电力性能取决于系统控制和负荷分配（潜热/显热比例）。

4）系统设计紧凑化小型化，开展转轮除湿空调在民用建筑领域的应用以降低建筑能耗，生产流程规范化。从研究、设计到应用形成一定规范并融入空调设计程序，不仅会降低成本，而且有利于市场拓展。

5）加大宣传力度。转轮除湿空调作为一种新型空调，从制冷空调行业内到广大民众都还对其缺乏认识，普及相关知识将促进其发展。总的来看，进一步提高能源利用效率、降低设备的成本和尺寸、并将相应技术与产品定型化和规模化是转轮除湿空调广泛应用的关键所在，也是未来转轮除湿空调技术研究和发展的主导方向。

3 结语

本文结合近几年转轮除湿空调的研究现状，介绍了几种转轮系统的构成形式。分析比较了“构成形式”将来的发展方向以及进一步发展需要解决的关键问题。转轮除湿空调的构成形式都是以解决再生能耗为主线，利用太阳能，冷凝器余热等其他可以利用的热源满足转轮再生能耗。目的在节能的前提下降低转轮的运行成本，提高转轮的效率。总的来看，进一步提高能源利用效率、降低设备的成本和尺寸、并将相应技术与产品定型化和规模化是转轮除湿空调广泛应用的关键所在，也是未来转轮除湿空调技术研究和发展的主导方向。

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