[文章编号]100228528(2009)1220085204
宋倩倩，牛宝联，余跃进(南京师范大学动力工程学院，南京210042)
[摘 要]本文提出了一种新型转轮除湿与双级热泵耦合的空调系统，首先采用热湿负荷独立处理的思想，利用双级热泵来满足室内冷负荷和转轮再生负荷的要求，而后建立了系统的物理模型并对该系统的性能参数进行了计算和分析，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。从节能、环保和室内空气品质的角度分析，该系统具有很大的发展潜能。
[关键词]除湿转轮；双级热泵；性能系数
[中图分类号]T U83113;T Q05115 [文献标识码]A
A New Air 2conditioning System of Desiccant Wheel Dehumidification C oupled with Double 2stage Heat Pump and System Design
SONG Qian 2qian ,NIU Bao 2lian ,YU Yue 2jin (Power Engineering Institute ,Nanjing Normal Univer sity ,Nanjing 210042,China )
[Abstract ]In this paper ,a new air 2conditioning system of desiccant wheel dehumidification coupled with double 2stage heat pum p was brought forward.With this system ,using the double 2stage heat pum p and adopting the idea of independent control of sensible and latent loads ,the requirements of cooling load and the desiccant wheel πs recovery load could be satis fied.And then ,the physical m odel of this system was established and COP was calculated and analyzed.Under the condition of meeting the requirements of indoor sensible and latent loads and desiccant wheel πs recovery load ,tw o units of the double 2stage heat pum p could w ork within the high efficiency scope at the same time.Furtherm ore ,analyzed from the views of energy 2saving ,environmental 2protecting and indoor air quality ,this system had a large developing potential.
[K eyw ords ]desiccant wheel ,double 2stage heat pum p ,COP
[收稿日期]2009204215 [一次修回]2009206226[二次修回]2009207206
[基金项目]住房和城乡建设部2008年科学技术项目(20082K 1225)[作者简介]宋倩倩(19852)，女，在读硕士研究生[]
qianqian -
0 引 言
目前空气除湿方法有冷却除湿、固体转轮除湿、液体除湿和膜除湿等。固体转轮除湿因其结构简单、占地面积小、除湿换热性能好和易制得低露点空气等特点而被广泛应用于药品、食品和夹层玻璃等湿度要求严格的生产厂房和仓库中。转轮除湿空调系统作为一种运行模式全新的空调系统，近年来逐渐在国内外得到了重视和应用。目前常见的运行方式包括转轮除湿与常规冷却结合的空调系统、转轮
除湿与蒸发冷却结合的复合空调系统[1]
以及转轮除
湿Π冷辐射吊顶空调系统[2]
等。使用转轮除湿与常规冷却结合的空调系统既可避免制冷机的蒸发温度过低影响制冷效率，又可避免凝结水排放不当造成的渗漏问题；转轮除湿与蒸发冷却结合的复合空调系统相当于以热制冷的制冷
系统，对于我国当前电力紧张的情况更有意义；转轮除湿Π冷辐射吊顶空调系统解决了冷辐射吊顶的除湿问题、冷却能力问题及室内空气品质问题，其能耗小于传统空调系统，在节能方面具有较大的潜力。
再生能耗是除湿转轮空调系统中的主要能耗之
一。除湿的再生能量主要来源于电能、燃气[3]
、系统回收的热量[4]
或热电联产的废热[5]
。利用电能，加热稳定且易于控制，但节能不明显，甚至可能会消耗更多的能量；利用燃气，节能且造价较低，但需要增加一套燃烧设备且消耗宝贵的燃气资源；系统回收的热量不足以满足全部的再生负荷，需要增加其它
第25卷第12期
2009年12月
建 筑 科 学网络购物定义
BUI LDI NG SCIE NCE
V ol 125,N o 112Dec.2009
高温热源，如再生加热器等设备；废热作为再生能源时，如果其品质较好且品位较高，则能得到很好的经济效益，系统具有显著的节能性，但其具有区域性和局限性。
笔者结合文献[6]的转轮除湿热泵耦合运行系统，立足于提高热泵效率和避免热量浪费，提出了转轮除湿与双级热泵耦合运行的复合空调系统。
1 转轮除湿与双级热泵耦合空调系统
111 系统的工作原理
图1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1 转轮除湿与双级热泵耦合空调系统原理图
112 系统空气处理过程
图2为转轮除湿与双级热泵耦合空调系统的空气处理焓湿图。空气的处理过程包括除湿和再生2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P 1)，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P 2，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E 1，再经过二级热泵冷凝器加热到要求的再生温度(E 2)，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N
W
〉
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2 转轮除湿与双级热泵耦合空调系统空气处理过程焓湿图
113 双级热泵系统
图3为双级热泵系统的示意图。双级热泵[7]
是用水循环管路将2个单级热泵系统耦合起来，考虑到空气源热泵的优越性，在本系统中一级热泵采用空气Π水热泵，二级热泵采用高温热泵。夏季制冷时一级热泵承担室内冷负荷，二级热泵将中间水循环管路的废热作为其低温热源，考虑到热水的间歇供应和热量平衡，在水循环管路中并联一冷却塔。在满足二级热泵低温热源的前提下，分别调节热用户和冷却塔的水量以满足热用户需求。当不需要供应热水时，打开冷却塔将多余热量排至大气，供应热水时，则调节阀门开度或关闭阀门来控制冷却塔的冷却水量以排出多余热量。二级热泵从水循环管路中吸取热量，作为其低位热源，产生高位热能，将空气加热到75℃左右作为转轮的再生空气。冬季供热时二级热泵停止使用，而采用一级热泵从室外提取热量作为其低温热源，制取热水直接供给热用户使用。
图4为笔者结合系统设计进行计算而作出的转轮除湿与双级热泵耦合空调系统的能流图。可以看出，二级热泵从一级热泵产生的废热中提取了约35%的能量作为其低位热源，通过利用废热满足了
转轮再生需求。
选择双级热泵，是因为两级热泵串联，二级热泵可以利用一部分一级热泵产生的废热，且热泵机组的大小可以根据所承担的负荷的不同而不同。高温级热泵机组可以根据再生的需要，设计成小型的热泵机组，只产生转轮除湿所需的再生热量，而不会造成高温热能的浪费。而低温级热泵不需要产生如文献[8]中所述65℃左右的高温空气，可以工作在效率更高的工作区域，其性能系数会有所提高。这样
日剧woman68建筑科学第25卷
图3 双级热泵系统示意图
图4 转轮除湿与双级热泵耦合空调系统的能流图两组热泵串联，依然可以实现热湿独立处理，互不干扰。相比之下，转轮除湿与双级热泵耦合系统的节能优势会更加明显。双级热泵机组将再生空气加热到70℃以上，可以满足转轮除湿的需要，且转轮可以使新风再生时做到高温杀菌，提高室内空气品质。
2 系统设计
系统设计以南京一商场为例，室外状态点W按南京市夏季空调室外计算参数选取，室内状态点以满足舒适性空调要求选取，室内冷负荷为28913 kW，转轮除湿机组的除湿量为01137kgΠs，送风量为311
93kgΠs，新风比为30%。表1给出了转轮除湿与双级热泵耦合空调系统空气各状态点的参数值。
转轮除湿机一般根据入口空气和再生空气的入口参数和湿负荷选型。笔者参照无锡市联众控湿节能设备有限公司提供的U.S.RORTS转轮除湿机型式选择表，根据处理空气风量和转轮表面风速选择型号为US D24200的转轮除湿机，其性能参数的计算参照无锡联众提供的性能参数表。再生风侧与处理风侧的被处理空气的比值为0133。
显热换热器主要根据其处理风量和承担的显热负荷来选型，笔者参照无锡联众提供的ECW全(显)
表1 转轮除湿与双级热泵耦合空调系统空气各状态点的参数值
状态点干球温度Π℃湿球温度Π℃含湿量Π(gΠkg干空气)相对湿度Π%焓Π(k JΠkg)处理过程冷负荷ΠkW湿负荷Π(kgΠs) N2620134121796058186N→C314010915 W352813211946191164W→E1385140 C281723151546168168C→P131********
P1482516811166161778168P1→P2385140
P236132215611166301566161P2→O536170 O20171061116675154918O→N28913010455
E14617301812119432103193E1→E22481780
E27032122119412130E2→F--
热交换器系列，根据处理空气风量选择型号为ECW4800的显热交换器。冷却塔根据冷却水量、进出水温差和干湿球温度来选型，冷却水量应是设计水量的1115倍左右。
选择空气源热泵机组以夏季供冷负荷作为选型依据，同时校核冬季的热负荷。中央空调冷热源设备选型时，设备制冷(热)量约为设计冷(热)负荷的1105～1110倍。
水源热泵机组的选型以再热负荷作为依据，应尽量接近设计热负荷。在本设计中，二级热泵为高温热泵，对于高温热泵耦合性能的实现，工质的选择尤为重要，而工质选择的关键就在于工质的热力学性质[9]。根据制冷剂的热力学性质和高温下的稳定性，本文选用R142b作为二级热泵的工质。
图5为转轮除湿与双级热泵耦合空调系统热湿负荷分布图，其中室内冷负荷为28913kW，新风负荷为314kW，显热换热器处理的冷负荷为38514 kW，设备处理的冷负荷为53617kW，人体除湿量为010455kgΠs，新风除湿量为010915kgΠs，转轮除湿量为两者之和，即为01137kgΠs。
78
第12期宋倩倩，等：一种新型转轮除湿与双级热泵耦合空调系统及系统设计
图5 转轮除湿与双级热泵耦合空调系统热湿负荷分布
笔者针对设计工况对该系统进行了理论计算，在对性能系数的计算中考虑了压缩机的指示功率和摩擦功率对机组性能的影响，一级热泵和二级热泵COP的计算结果分别为5165和5141，这主要是因为热泵的工作温度范围均能保证在40℃以内。表2给出了一级、二级热泵机组的性能数值表，可知一级热泵的制冷系数和二级热泵的制热系数均能达到510以上，其运行效率得到了提高。因为再热负荷仅是一级热泵制冷量的50%左右，所以提供再热负荷的二级热泵大小相比一级热泵要小的多，故二级热泵型号比一级热泵小，节约了设备初投资。
表2 一级、二级热泵机组的性能数值表
一级热泵二级热泵制冷剂R22R142b 蒸发温度Π℃1235
冷凝温度Π℃4575单位制冷量Π(k JΠkg)160188-
单位制热量Π(k JΠkg)-166114
设备冷负荷ΠkW53617-
再热负荷ΠkW-248178制冷剂质量流量Π(kgΠs)3134115压缩机能耗ΠkW73173418麦克斯韦分布
指示效率ηi018620184
机械效率ηm019019
COP51655141
表2中的指示效率可按如下经验公式计算:η
i
=1-01611-P2
P1
013
，式中P1和P2分别为压缩
机吸气压力和排气压力。另外，机械效率一般为0185～0195，本文取为019。
3 结 论
1)本文提出了一种新型转轮除湿与双级热泵耦合的空调系统。该系统采用转轮除湿与双级热泵联合使
用，实现热湿负荷独立处理并且热泵效率明显提高，利用热泵的冷凝端提高室外空气的温度，满足除湿转轮再生空气的温度和再生负荷的要求，无需额外增加加热装置。
2)通过对该系统的设计和计算，可知该系统双级热泵的制冷系数和供热系数均能达到510以上，提高了机组的运行效率。
3)除湿转轮在对空气进行除湿的同时，能有效吸附净化空气中的有害物质，尤其是VOC及微尘病菌等，可改善送风空气品质，同时再生空气完全利用新风，有利于转轮对处理空气的吸附净化效果。由于取消了低温除湿过程，使整个空调系统真正实现了干式循环，可彻底解决长期困扰空调系统的霉菌问题。
转轮除湿与双级热泵的有机结合，在满足室内制冷和除湿再生的同时,2台机组均同时工作在高效率范围内。从节能、环保和室内空气品质的角度出发，转轮除湿与双级热泵耦合空调系统都有很大的发展前景。
再现辉煌[参考文献]
[1] 周亚素，陈沛霖.转轮除湿复合式空调系统[J].暖通空调,
1999,29(4):64～66.
[2] 周西文，王雨，马爱华.转轮除湿Π冷辐射吊顶空调系统及其研
究进展[J].制冷与空调,2008,22(3):87～91.
[3] W orek W M,Zheng W,Belding W A,et a1.S imulation of advanced
gas2fired desiccant cooling systems[J].ASHRAE T ransactions,1991,
4(2):609～614.
[4] H owe R.M odel and Performance Characteristics of a C ommercially2
sized Hybrid Air C onditioning System Which Utilizes a R otary
Desiccant Dehum idifier[D].M adis on,WI:University of W isconsin,DANCE ME TO THE END OF LOVE
l983.world2003
[5] Casas W,Schm itz G.Experiences with a gas driven,desiccant assisted
air conditioning system with geothermal energy for an office building
[J].Energy and Buildings,2005,37(5):493～501.
[6] 郝红.除湿转轮与冷热联产热泵耦合式空调系统性能研究
[D].天津：天津大学,2006.
[7] 马最良，姚杨，姜益强.双级耦合热泵供暖的理论与实践[J].
流体机械,2005,33(9):30～34.
[8] 郝红，张于峰，张舸，等.除湿转轮与中高温热泵耦合空调系统
性能实验[J].天津大学学报,2008,41(7):864～870.
[9] 李新国.中、高温热泵及其用压缩式制冷机的研究[D].天津:
天津大学,1989.
88建筑科学第25卷
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议