1、转轮除湿与双级热泵耦合空调系统的数值计算及分析南京师范大学动力工程学院 宋倩倩 牛宝联 余跃进摘要 本文针对转轮除湿与双级热泵耦合空调系统建立了物理模型并对系统的性能系数进行了数学描述。通过与相同条件下的常规空调系统进行比较，得出耦合空调系统的制冷负荷降低了 19.8%，压缩能耗降低了 27%，一级热泵的蒸发温度提高了 15.3%，冷凝温度降低了 5%，COP 相对常规空调系统提高了7.5%。关键词 除湿转轮 双级热泵 数学模型 能耗分析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、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
2、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/冷辐射吊顶空调系统 2等。再生能耗是转轮除湿空调系统的能耗之一。笔者立足于提高热泵效率和避免热量浪费，提出了转轮与双级热泵耦合运行的复合空调系统，并以此为例，建立了数学模型并对不同室内外环境下的能耗进行了研究并进行了比较分析。1 系统组成及工作原理1.1 系统的组成该系统主要由除湿转轮、显热换热器与双级热泵组成。图 1 为转轮与双级热泵耦合空调系统的
3、系统原理图。 WN O除湿转轮机 显热换热器 双 级 耦 合 热 泵 建 筑 物CP12WEE2F图 1 转轮除湿与双级热泵耦合空调系统原理图电 补 水 热 水二 级 热 泵一 级 热 泵 建 筑 物冷 却 塔再 生 空 气电图 2 双级热泵系统示意图双级热泵系统的结构如图 2 所示。双级热泵是用水循环管路将两个单级热泵系统耦合起来。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，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。1.2 系统的工作原理该系
4、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。夏季运行方式是：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。该系统在冬季供暖时，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丝毫不会受到系统改变的影响。图 3 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处理过程如图 3 所示。该过程包括除湿和再生两个部分。除湿过程指新风（状态点 W）与室内回风（状态点 N）混合（状态点 C),经过转轮除湿除去混合空气中的水分（状态点 P1） ，除湿后空气温度升高
5、，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（状态点 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（状态点 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。2 系统的数学模型2.1 除湿转轮的数学模型 3（1）处理后的空气含湿量 1 2(0)PcEdat（1）式中， 为处理前空气的含湿量（g/kg ） ； 为每 kg 空气的含湿量（g/kg） ，根据除湿转轮的性能参数cdd表取 3.88； 为实际采用的再生温度（ ） ； 为再生温度低于或高于 120 时单位除湿量修正系2Et
6、 CaC数，本模型取 =0.024 。a/()gk（2）处理后空气的干球温度 1Pctt（2）式中， 为处理前空气的干球温度（ ） ； 为处理后空气的温升，根据公式（1）中ct Ct查除湿转轮的性能参数表得出，取 19.3。2(10)Eda（3）再生加热量 21()zEQmct（3）式中， 为再生风量( );C 为空气的比热,取 ； 为加热前再生空气温度（ ） ；zm/kgs1.0/(kJgC） 1Et C为再生温度（ ） ；2EtC2.2 显热换热器的数学模型 211()PhxPwEWtt（4）式中， 为被处理空气进显热换热器的温度（ ） ； 为被处理空气出显热换热器的温度（ ） ；1Pt
7、C2Pt C为再生侧空气进显热换热器的温度（ ） ； 为再生侧空气出显热换热器的温度（ ） ； 为w 1E hx换热系数，取 0.9。2.3 双级热泵的数学模型125condt（5）22,PSOevapttaE（6）式中， 为冷凝器的冷凝温度（ ） ； 为蒸发器的蒸发温度（ ） ； 为水进入冷凝器前condt Cevapt C1t的温度（ ） ； 为水从冷凝器流出的温度（ ） ； 为考虑结垢、积灰等因素的安全系数，一般取C2t Ca0.94。 为蒸发器的湿球温度效率， 值与蒸发器的结构形式、排数、迎风面风速、制冷剂种类等有SESE关。3）蒸发器制冷量 2()evapsPoQmh（7）为进入蒸发
8、器的送风量（kg/s） ； 为蒸发器入口的空气焓值（kJ/kg ） ； 为蒸发器出口的空气焓sm2P oh值（kJ/kg） ；4）系统性能系数 evapimointhQCO（9）式中， 为压缩机的制冷量（kW） ； 为压缩机的耗功量（ kW） ； 为压缩机的理论耗功量（kW） ；evap inPthP为指示效率， ，其中 、 分别为压缩机的吸气压力、排气压力； 为机械效i0.321.6()i12 m率，取 0.9； 为电动机效率，取 0.98；o3 算例及分析设计中以南京一商场为例，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 289.3kW
9、,转轮除湿机组的除湿量 0.137kg/s，送风量31.93kg/s，新风比 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。转轮除湿机的性能参数的计算参照无锡联众提供的 USD-4200 的转轮除湿机性能参数表。再生风侧与处理风侧的被处理空气的比值为 0.33。显热换热器的性能参数的计算参照无锡市联众控湿节能设备有限公司提供的 ECW 全（显）热交换器系列型号为 ECW4800 的显热交换器。表 1 常规空调系统和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空气状态点N W C P1 P2 O E1 E2 L干球温度 C26 35 28.7 20 18湿度g/
10、kg 12.79 21.94 15.54 11.66 11.66常规空调系统焓值kJ/kg 58.86 91.64 68.68 49.8 47.73转轮除湿与双级热干球温度 26 35 28.7 48 36.3 20 46.7 70C湿球温度 20.34 28.3 23 25.68 22.52 17.06 30.81 32.2湿度g/kg 12.79 21.94 15.54 11.66 11.66 11.66 21.94 21.94泵耦合空调系统焓值kJ/kg 58.86 91.64 68.68 78.68 66.61 49.8 103.93 130表 2 常规空调系统和转轮除湿与双级热泵耦合
11、空调系统的状态点数值转轮除湿与双级热泵耦合空调系统一级热泵 二级热泵 常规空调系统状态点温度 C焓值kJ/kg 温度 C焓值kJ/kg 温度 C焓值kJ/kg1 6.8 407.4 35 439.1 5.9 407.11 9.8 409.7 40 444.1 8.9 409.42 67.9 437.3 79.7 467.4 71.7 439.23 47.5 259.6 75 301.2 50 2633 44.5 255.4 72 296.7 47 258.84 6.8 255.4 35 296.7 5.9 258.8表 3 常规空调系统和转轮除湿与双级热泵耦合空调系统的 COP 比较转轮除湿与
12、双级热泵耦合空调系统参数一级热泵 二级热泵 常规空调系统evapt6.8 35 5.9cond47.5 75 50制冷量 (kW)evapQ536.7 - 668.9再生热量 (kW)z- 248 -压缩机耗功 (kW)thP96.1 34.8 132.0制冷剂流量(kg/s) 3.48 1.5 4.43COP 4.3 5.41 4.02图 4 制冷循环原理图由表 3 可知，在相同的室外条件下，为满足相同的室内要求，采用除湿转轮的耦合空调系统相比常规系统而言，一级热泵的制冷负荷减小了 19.8%，蒸发温度提高了 15.3%，冷凝温度减小了 5%，压缩能耗降低了 27%，COP 提高了 7.5%
13、。在转轮除湿与双级热泵耦合空调系统中，利用热湿独立处理的思想，采用转轮进行除湿，则蒸发器出口空气无需再处理到露点温度以下，因而耦合空调系统出口空气的焓值与常规空调系统相比得到了明显提高，所以制冷负荷降低；制冷负荷的减小，则蒸汽压缩子系统的尺寸及能耗也得到了相应的减小；转轮的再生热量仅为制冷负荷的 46.2%，所以二级热泵可以根据再生的需要，设计成小型的热泵机组；一级热泵的冷凝温度与蒸发温度之差相比常规空调减小了 7.5%，温差减小使得压缩制冷循环的单位制冷量提高，单位理论耗功量减少，所以压缩子系统的 COP 提高了 7.5%。4 结论（1）在转轮除湿与双级热泵耦合空调系统中，一级热泵蒸发器出口
14、空气无需处理到露点温度以下，耦合空调系统出口空气的焓值与常规空调系统相比得到了明显提高，所以制冷负荷降低；（2）二级热泵根据再生负荷选择大小，故可设计成小型的热泵机组；（3）一级热泵的冷凝温度与蒸发温度之差相比常规空调减小，温差减小使得压缩制冷循环的单位制冷量提高，单位理论耗功量减少，压缩子系统的 COP 提高。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):64-662周西文,王雨,马爱华.转轮 除湿/冷辐射吊顶空调系统及其研究进展J.制冷与空调,2008，22(3):87-913路延魁主编.空气调节手册M.北京：中国建筑工业出版社,1995.4 郝红,张于峰，周国兵，等.转轮除湿复合式空调系统中压缩子系统的研究J.流体机械，2005,33(6):48-52
