清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系  謝瑛  王安東  劉曉華

    【摘  要】本文針對一種熱泵驅(qū)動的新型立式溶液調(diào)濕空氣處理機(jī)組的冬季工況性能進(jìn)行了實(shí)際測試，并分析了不同溶液流量下的性能變化規(guī)律。結(jié)果表明當(dāng)風(fēng)量一定時，由于機(jī)組內(nèi)熱泵性能與熱回收所占收益比的共同影響，機(jī)組性能存在較高值，溶液流量存在最優(yōu)值。當(dāng)新風(fēng)量與排風(fēng)量為5000m³/h，溶液流量在3.0m³/h時，機(jī)組熱泵系統(tǒng)的制熱COP能達(dá)5.9，而機(jī)組的綜合COP能達(dá)7.8。另外，實(shí)際測試結(jié)果表明若能進(jìn)一步提升機(jī)組熱泵循環(huán)中蒸發(fā)器與冷凝器的換熱效率、合理控制機(jī)組補(bǔ)水量等將有助于進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行性能。

    【關(guān)鍵詞】溶液調(diào)濕、逆流、熱泵、性能測試、冬季工況

Abstract:A novel hybrid counter-flow liquid desiccant system driven by a heat pump is investigated experimentally in the current research. The effect of solution flow rate on the system performance is analyzed. It’s indicated that when the air flow rate is constant, due to the combined effects of solution flow rate on the heat pump performance and heat recovery performance of the system, there is an optimal solution flow rate for a higher system performance. When the outdoor air and indoor exhaust air flow rate are 5000m3/h and the solution flow rate is 3.0m3/h, COPhp of the system reaches 5.9, while COPsys could reach 7.8. In addition, the experimental results show that if we can further enhance the heat exchange efficiency of the evaporator and the condenser in the heat pump cycle and reasonably control the supplementary water capacity for the system, the system performance will be improved further.
Keywords: liquid desiccant, counter flow, heat pump, winter conditions

0 引言

    隨著我國建筑面積的不斷增加與人民生活水平的不斷提高，建筑運(yùn)行能耗尤其是其中占主要部分的空調(diào)能耗快速提升^[1] 。相比于傳統(tǒng)的冷凝除濕技術(shù)，溶液除濕在利用可再生能源與低品位熱能方面有著顯著的優(yōu)勢，如太陽能、工業(yè)廢熱、熱泵冷凝熱都可作為溶液再生的熱源^[2-5] 。

    根據(jù)溶液與空氣的相對流型，可以分為順流、叉流、逆流三種形式。目前研究多數(shù)集中在叉流，其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備布置方便、便于實(shí)際應(yīng)用^[6-10] 。劉栓強(qiáng)等^[10]介紹的熱泵驅(qū)動雙級溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組則以叉流流型為主，夏季滿負(fù)荷工況下整機(jī)COP能達(dá)5.0，部分負(fù)荷下可超過5.9。而劉曉華等[11]對溶液除濕再生中場均勻分布進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)在除濕過程和加熱溶液方式的再生過程中逆流流型最優(yōu)。因此，考慮到在投入填料塔傳熱傳質(zhì)面積相等的情況下，以逆流流型為主的立式機(jī)組將有助于進(jìn)一步提升機(jī)組效率^[12] 。另外，當(dāng)前針對熱泵驅(qū)動的溶液調(diào)濕空氣處理機(jī)組的研究越來越多，此種機(jī)組利用熱泵提供的制冷量來實(shí)現(xiàn)溶液對空氣的除濕過程，利用熱泵的冷凝熱來進(jìn)行溶液再生。但現(xiàn)有研究多針對夏季降溫除濕工況與過渡季全熱回收工況展開，關(guān)于冬季加熱加濕工況下的實(shí)際性能研究還較少。

    因此，本文擬針對一種熱泵驅(qū)動的新型立式溶液調(diào)濕空氣處理機(jī)組開展研究，深入分析該機(jī)組在冬季加熱加濕工況下的性能，研究溶液流量變化等實(shí)際因素的影響規(guī)律，為進(jìn)一步合理應(yīng)用溶液調(diào)濕空氣處理方式提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 新型立式溶液調(diào)濕空氣處理機(jī)組

    該立式溶液調(diào)濕空氣處理機(jī)組的工作原理如圖1所示。機(jī)組主要由兩大部分組成，分別是兩個逆流填料塔與雙級熱泵系統(tǒng)。兩個逆流填料塔分別為除濕塔與再生塔，在塔內(nèi)空氣與溶液將進(jìn)行熱濕交換。夏季工況下，除濕塔內(nèi)被冷卻的溶液對室外新風(fēng)進(jìn)行降溫除濕，空氣被處理到所需的送風(fēng)狀態(tài)；被稀釋的溶液經(jīng)過熱泵系統(tǒng)的冷凝器被加熱，進(jìn)入再生塔內(nèi)被室內(nèi)回風(fēng)濃縮再生，再經(jīng)過熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器被冷卻，最后回到除濕塔內(nèi)處理新風(fēng)，完成整個循環(huán)。而在冬季，通過四通閥切換熱泵系統(tǒng)為制熱狀態(tài)，室外新風(fēng)將在再生塔內(nèi)被加熱加濕送入室內(nèi)，而室內(nèi)回風(fēng)將在除濕塔內(nèi)被降溫除濕，然后排出室外。兩塔填料下方均置有儲液槽，溶液泵將一側(cè)填料塔下方儲液槽內(nèi)的溶液泵入另一側(cè)填料塔噴淋，溶液則通過兩個溶液泵實(shí)現(xiàn)在兩個填料塔以及熱泵系統(tǒng)之間的循環(huán)。

    實(shí)際開發(fā)的立式機(jī)組如圖2所示，兩塔內(nèi)填料均采用規(guī)整填料，單塔內(nèi)每層填料尺寸為0.8 m×0.968 m×0.24 m (長×寬×高)，共5層，填料波紋傾角為45度。機(jī)組所用溶液為氯化鈣（CaCl2）溶液，機(jī)組的風(fēng)道、填料塔均敷設(shè)有保溫材料。熱泵系統(tǒng)則包含蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器與膨脹閥，為滿足冬夏共用需求，還安裝有四通閥以進(jìn)行冬夏切換。一級蒸發(fā)器與一級冷凝器的換熱面積各4m²，單臺壓縮機(jī)的容量為10匹，定頻運(yùn)行，制冷劑采用R410A。考慮到熱泵分級對系統(tǒng)性能的提升^[12] ，機(jī)組設(shè)計為雙級熱泵系統(tǒng)，且可通過2臺壓縮機(jī)的啟停時間來控制制冷/制熱量的輸出以滿足除濕/加濕需求。

    針對機(jī)組測試，在兩個填料塔的進(jìn)出口風(fēng)道處均設(shè)置了溫濕度自記儀，用于測量進(jìn)出口空氣參數(shù)，并且利用熱球風(fēng)速儀來測量風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速，從而得到送風(fēng)量與排風(fēng)量；浮子流量計用來測溶液流量，溶液密度計用來測溶液濃度；蒸發(fā)/冷凝器的進(jìn)出口布有溶液溫度測點(diǎn)，壓縮機(jī)與溶液泵功率由功率計測得。機(jī)組各個測點(diǎn)的儀器精度和測試范圍如表1所示。在機(jī)組運(yùn)行過程中，開啟新風(fēng)機(jī)與排風(fēng)機(jī)，可通過變頻調(diào)節(jié)分別將兩塔風(fēng)量調(diào)節(jié)至合適狀態(tài)；開啟兩臺溶液泵，可通過調(diào)節(jié)泵的頻率以及閥門來控制兩塔的溶液流量平衡并達(dá)到合適狀態(tài)；開啟四通閥，將熱泵系統(tǒng)調(diào)節(jié)至制熱工況，然后開啟壓縮機(jī)，最終等待機(jī)組所有測點(diǎn)讀數(shù)穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后讀取相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)。

2 機(jī)組性能測試結(jié)果

    2018年3月上旬對該機(jī)組進(jìn)行了實(shí)際性能測試，機(jī)組風(fēng)量可達(dá)5000 m³/h左右，室外新風(fēng)溫度8.9~11.9℃、新風(fēng)含濕量1.4~1.9g/kg；室內(nèi)回風(fēng)溫度19.0~20.7℃、回風(fēng)含濕量4.0~5.1g/kg。考慮到在此時的室內(nèi)外空氣參數(shù)情況即部分負(fù)荷工況下，機(jī)組僅需開啟1臺壓縮機(jī)即可滿足加濕需求。本文對機(jī)組在變?nèi)芤毫髁康那闆r下進(jìn)行了四組工況測試，溶液流量調(diào)節(jié)范圍為2.6~4.2m³/h，溶液濃度變化范圍為31.0%~36.1%。調(diào)節(jié)新風(fēng)量與排風(fēng)量基本一致且風(fēng)機(jī)頻率不變。四組工況測試結(jié)果的能量平衡情況如圖3所示，包括新風(fēng)側(cè)換熱量與排風(fēng)側(cè)換熱量及系統(tǒng)功耗的整機(jī)平衡，與單個填料塔中空氣側(cè)與溶液側(cè)的能量平衡，均在±20%以內(nèi)，因此可認(rèn)為該測試結(jié)果合理有效。

    2.1 性能評價指標(biāo)

    在測試數(shù)據(jù)分析中，本文采用系統(tǒng)綜合COP（COP_sys）與熱泵COP（COP_hp）來評價機(jī)組整體性能與熱泵系統(tǒng)性能，其中COP_sys通過式（1）計算得到，Q_a為新風(fēng)換熱量，由新風(fēng)量m_a與空氣進(jìn)出口焓值h_ain和h_aout得到，P_sys為系統(tǒng)功耗，包括壓縮機(jī)功耗P_com與溶液泵耗P_pump；制熱COP_hp通過式（2）計算得到，Qc為熱泵系統(tǒng)提供的冷凝熱量。

    為進(jìn)一步得到機(jī)組內(nèi)填料塔性能，可采用空氣-溶液換熱濕效率η_m與焓效率η_h來評價單個填料塔的性能，分別由式（3）和式（4）得到，其中ω_ein和h_ein為進(jìn)入填料塔溶液的表層飽和濕空氣含濕量與焓值。

    另外，熱泵系統(tǒng)中蒸發(fā)器換熱效率ε_e與冷凝器換熱效率εc可由式（5）和式（6）得到，其中T_e和T_c分別為蒸發(fā)溫度與冷凝溫度，T_s1、T_s2、T_s3和T_s4分別為再生填料塔、除濕填料塔溶液進(jìn)出口溫度。

    2.2 冬季工況下性能測試結(jié)果

    當(dāng)新、排風(fēng)量均為5000m³/h左右時，取循環(huán)溶液流量為3.0m³/h，機(jī)組運(yùn)行過程中空氣與溶液狀態(tài)變化在焓濕圖上的表示如圖4所示。空氣狀態(tài)為10.7℃、1.6g/kg的室外新風(fēng)被加熱加濕到20.8℃、8.0g/kg的送風(fēng)狀態(tài)，此時熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度為-4.6℃，冷凝溫度為30.2℃，制熱COP_hp為5.9，而COP_sys能達(dá)7.8，具體測試數(shù)據(jù)如表2所示。

     當(dāng)溶液流量從2.6升至4.2m³/h，送風(fēng)溫度18.0~21.2℃，送風(fēng)含濕量7.3~8.0g/kg，滿足冬季室內(nèi)送風(fēng)要求，如圖5所示。當(dāng)溶液流量在3.0~3.7 m³/h之間，機(jī)組內(nèi)兩個填料塔的濕效率與焓效率均在70%以上，且隨著溶液流量的升高，填料塔內(nèi)空氣與溶液的熱質(zhì)交換過程濕效率與焓效率隨之升高，如圖6所示。從圖7來看，對于機(jī)組的熱泵系統(tǒng)性能，當(dāng)溶液流量在3.0~3.7 m³/h之間，蒸發(fā)溫度范圍在-4.6~-2.9℃，冷凝溫度范圍在28.2~30.2℃，蒸發(fā)器的換熱效率在54%左右，冷凝器的換熱效率為53%~64%，并且隨著溶液流量增加，蒸發(fā)/冷凝溫差降低，熱泵系統(tǒng)隨之性能升高。

    對于該機(jī)組流程而言，新風(fēng)獲得制熱量Q_a除了來源于熱泵系統(tǒng)提供的冷凝熱Qc之外，還得益于對于室內(nèi)回風(fēng)熱量的回收Q_hr。用對室內(nèi)回風(fēng)的回收占新風(fēng)制熱量的比例δ來表示機(jī)組流程中熱回收帶來的收益，如式（7）所得。結(jié)合公式（1）和（2），得到公式（8）。因此，機(jī)組性能受熱回收比例及熱泵性能的重要影響。從圖8來看，當(dāng)溶液流量增加時，熱回收比例隨之降低。因此，即便機(jī)組熱泵性能隨之升高，機(jī)組性能并不會一直升高，而是存在最優(yōu)的溶液流量，如圖9所示。制熱COP_hp范圍在5.0~7.2，機(jī)組COP_sys達(dá)6.8以上，而且當(dāng)溶液流量為3.0 m³/h時，機(jī)組性能較高，熱回收比例29%，熱泵制熱COP_hp達(dá)5.9，機(jī)組COP_sys能達(dá)7.8。

3 分析與討論

    受實(shí)驗(yàn)時間限制，本次測試主要針對部分負(fù)荷工況，僅開啟一臺壓縮機(jī)即可滿足送風(fēng)需求，但當(dāng)室外新風(fēng)溫度更低，還應(yīng)考慮開啟兩臺壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)送風(fēng)需求，進(jìn)一步分析機(jī)組在冬季更低溫工況下的性能。另外，由于冬季工況下，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行在制熱模式，蒸發(fā)器與冷凝器的換熱效率僅在60%左右，若能進(jìn)一步提高蒸發(fā)器與冷凝器的換熱效率，將對機(jī)組性能的進(jìn)一步提升有重要作用。

    由于機(jī)組熱泵系統(tǒng)提供的冷凝排熱量總是要大于蒸發(fā)器提供的制冷量，為了穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行，平衡機(jī)組除濕與再生能力的差異，目前機(jī)組采用補(bǔ)水方式來輔助排熱。從本文中變?nèi)芤毫髁抗r的測試數(shù)據(jù)來看，機(jī)組運(yùn)行中溶液濃度從31.0%變化到36.1%，溶液濃度升高，送風(fēng)相對濕度相應(yīng)降低，因此對于補(bǔ)水量的控制還需進(jìn)一步加強(qiáng)。通過對機(jī)組的合理補(bǔ)水，將有效解決機(jī)組中除濕與再生能力的不平衡問題，維持送風(fēng)參數(shù)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的高效運(yùn)行。

4 結(jié)論及工作展望

    本文針對一種熱泵驅(qū)動的新型立式溶液調(diào)濕空氣處理機(jī)組進(jìn)行了冬季工況下的性能測試，結(jié)果表明該機(jī)組能實(shí)現(xiàn)送風(fēng)參數(shù)的需求，且當(dāng)新風(fēng)量、排風(fēng)量一定時，改變?nèi)芤毫髁浚瑱C(jī)組性能存在較高值，這是熱泵性能與系統(tǒng)中熱回收所占收益比共同作用的結(jié)果，即存在最優(yōu)溶液流量以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的高效運(yùn)行。當(dāng)新風(fēng)量、排風(fēng)量為5000m³/h，溶液流量在3.0m³/h時，機(jī)組熱泵系統(tǒng)的制熱COP能達(dá)5.9，而機(jī)組綜合COP能達(dá)7.8。另外，在冬季工況下進(jìn)一步提升蒸發(fā)器與冷凝器的換熱性能、合理控制機(jī)組補(bǔ)水量等將對機(jī)組的高效運(yùn)行有較大幫助。

    致謝：本研究受國家自然科學(xué)基金（51608296，51521005）資助，在此表示感謝。

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    備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會文集）。
              版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。