轉輪除濕空調系統構成形式的分析與比較

王濤 胡曉微 胡濤濤

天津商業大學機械工程學院

近年來，轉輪除濕空調系統作為新型的除濕空調系統引起國內外很多學者的關注[1～2]。轉輪除濕用于空調系統中的構成形式有多種，其目的在于實現對空氣的冷卻和除濕。由于轉輪再生能耗是轉輪除濕空調系統的主要能耗之一。國內外學者對再生能耗問題作了諸多的研究[3～5]，當前，再生能耗的研究成為轉輪除濕研究的主流。用于再生的能量主要來源于電能、廢熱、太陽能以及系統回收的熱量等。其它的方式還有用燃氣直接加熱空氣[6]，燃氣熱泵加熱器[7]，制冷系統的余熱[8]等。關于轉輪耦合系統形式的可行性研究也有很多，有轉輪與高溫空氣源熱泵的耦合空調系統的性能的研究，太陽能兩級轉輪除濕空調系統試驗研究，轉輪除濕空調系統的研究，除濕轉輪與冷熱聯產熱泵藕合式空調系統性能研究以及轉輪兩級除濕空調系統的研究等，都是近幾年轉輪空調研究的焦點。本文介紹了幾種轉輪系統的構成形式。總結了近幾年國內對轉輪再生能耗的研究，并對其未來發展所以解決的問題進行探討。

1 轉輪除濕空調系統的構成形式

1.1 轉輪與中高溫熱泵耦合的空調系統

轉輪的再生能耗是轉輪除濕空調的主要能耗之一。為了使除濕空調與常規空調相比更節能，很多學者致力于降低再生能耗的研究。熱泵具有高效集熱和轉移熱量的特點，其冷凝器釋放出來的冷凝熱可以抵消轉輪的再生能耗。

郝紅等研究了轉輪與中高溫熱泵耦合空調系統可行性[9]。提出了利用熱泵來完全滿足制冷負荷和再生負荷要求。通過加熱裝置模擬轉輪出口空氣參數以及不同溫度的室外空氣參數，對熱泵與轉輪的匹配性能進行實驗。圖1是轉輪熱泵耦合空調系統的示意圖。圖2是轉輪熱泵耦合空調系統的溫濕圖。結果表明在不考慮濕負荷的情況下，標準工況（35.74℃）時，熱泵蒸發器的出口空氣溫度為20℃，冷凝器出口空氣溫度為64.95℃，熱泵性能系數略高于2.6；隨室外空氣溫度的升高，蒸發器出口風溫升高，當室外空氣溫度高達近40℃時，蒸發器的出口空氣溫度僅高于送風溫度約1℃；熱泵子系統的性能系數隨室外空氣溫度的升高而降低。不同室外溫度下，中高溫熱泵基本都能滿足送風溫度及再生負荷要求，而且隨室外空氣溫度升高，冷凝器出口風溫升高與要求的再生溫度升高相匹配，所以轉輪與中高溫熱泵耦合的空調系統是可行的。

圖1 轉輪熱泵耦合空調系統的示意圖

圖2 轉輪熱泵耦合空調系統的溫濕圖

胡曉微等研究了除濕轉輪在高溫熱泵空調系統中的性能[10]。實驗裝置如圖3所示。實驗提出了除濕轉輪與高溫熱泵聯合運行的空調系統，該系統的特點是，利用熱泵的蒸發器對除濕后的熱空氣進行降溫處理，并且將冷凝器釋放的熱量為轉輪提供再生能耗，在系統內部實現冷量和熱量的抵消，從而達到節能的目的。系統采用的工質R142b，將機組置于可模擬轉輪處理空氣和再生空氣狀態的標準空氣焓差室對其性能進行測試。通過改變室外側環境溫度和進入冷凝器的風量研究R142b在空氣源熱泵機組中的循環性能和排氣壓力。研究表明當蒸發器環境溫度為（45.02℃）時，冷凝器進風溫度為（27.02℃）時，灌注R142b的空氣源熱泵最高可產生79.2℃的熱風，完全能滿足轉輪的再生溫度要求。

1再生器風機；2除濕器風機；3除濕轉輪；4壓縮機；5蒸發器；6毛細管；7冷凝器；8空調房間

宋倩倩等對轉輪除濕與雙級熱泵耦合空調系統進行了研究[11]。在溫濕度獨立控制的思想基礎上，完全利用雙級熱泵滿足室內冷負荷和轉輪再生負荷，并建立了系統的物理模型，對該系統的性能參數進行了計算和分析，結果表明在滿足室內熱濕負荷和轉輪再生負荷的要求下，雙級熱泵的2臺機組均可同時工作在較高效率范圍內。因此該系統具有很大的發展潛能。

圖4為轉輪除濕與雙級熱泵耦合空調系統的原理圖。該系統主要由除濕轉輪機、顯熱換熱器和雙級耦合熱泵組合而成。夏季制冷的運行方式為空調房間的熱濕負荷獨立處理，由除濕轉輪承擔全部濕負荷，顯熱換熱器承擔部分冷負荷，雙級熱泵的一級熱泵承擔余下的冷負荷，而二級熱泵則承擔除濕轉輪的再生熱量;冬季供暖的運行方式為高溫級熱泵停止工作，只采用低溫級熱泵向室內供熱。因此，這種系統在冬季供暖時不會受到系統改變的影響。

圖4 轉輪除濕與雙級熱泵耦合空調系統原理圖

圖5為轉輪除濕與雙級熱泵耦合空調系統空氣處理過程焓濕圖，空氣的處理過程包括除濕和再生兩個部分。除濕過程指室外新風（W）與室內回風（N）混合（C），經過轉輪除濕除去混合空氣中的水分（狀態點P1），在轉輪吸附過程中，水蒸氣潛熱的釋放和再生時轉輪的蓄熱使除濕后的空氣溫度升高，經過顯熱換熱器，空氣降溫到狀態點P2，再經過一級熱泵蒸發器處理到送風狀態點O。再生過程指室外新風（W）先經過顯熱換熱器升溫到狀態點E1，再經過二級熱泵冷凝器加熱到要求的再生溫度（E2），進入轉輪除濕器對固體吸附劑進行再生，空氣狀態點變為F排出室外。圖中，過程NW＞C→P1→P2→O為系統的除濕過程，過程W→E1→E2→F為系統的再生過程。

圖5 轉輪除濕與雙級熱泵耦合空調系統空氣處理過程焓濕圖

1.2 太陽能驅動兩級轉輪除濕的空調系統

太陽能具有資源豐富、廉價且對環境無污染等一系列優點，最重要的是初投資大，成本回收期比較漫長。利用太陽能節能明顯，但受氣候和區域影響穩定性較差，同時太陽能集熱器使系統初始投資大大增加，常常需要輔助熱源才能滿足運行需求[12～13]。由于太陽能一定程度上受到天氣條件和地理位置的限制，已有轉輪除濕空調通常采用穩定性較好的低品位熱源來驅動，并廣泛用于產濕量高或對室內空氣品質有特殊要求場所，如：超市、溜冰場、劇院、倉庫、醫院等[14～16]。很多學者致力于運用太陽能來提供轉輪再生能耗的研究。葛天舒對太陽能驅動兩級轉輪除濕空調系統的可行性進行了分析，并且結合熱舒適性條件，以上海夏季工況為例，比較分析了太陽能驅動轉輪式兩級除濕空調和傳統電壓縮式空調的熱力性和經濟性[17]。結果表明太陽能兩級轉輪除濕空調系統都可以提供滿足要求的送風，推薦的再生溫度為85℃。與傳統電壓縮式空調相比太陽能兩級轉輪除濕空調系統屬于全新風系統，送風質量和室內空氣品質都大大提高。與此同時除濕系統可以節省70%的電耗，所以除濕系統高的初投入可以通過節約的運行成本獲得補償，系統的回收期為7年。

1.3 轉輪除濕與冷凍相結合的空調系統

某些特定場合需要超低相對濕度的潔凈環境，一些學者提出結合使用冷凍除濕法和轉輪除濕法的一種新型溫度、濕度控制方法。在超低相對濕度要求的環境下，采用冷凍和轉輪除濕相結合的干式除濕法將是很好的一種除濕方法，可以較好地控制溫度、濕度。干式空調除濕法由于空調機表冷器運行在干工況條件下，沒有冷凝水的產生，能夠在空調系統中有效杜絕微生物的繁殖。因此對于生物制藥、食品加工、醫療衛生等需要細菌控制的場合，值得推廣應用。

陳中權等提出結合冷凍除濕法和轉輪除濕法實現超低相對濕度的潔凈環境[18]。圖7采用轉輪除濕機方案原理圖。系統的除濕過程為：新風（W狀態點）經新風機冷卻處理至L狀態點，然后通過除濕機1除濕至W′狀態點，同時一次回風（N狀態點）通過除濕機2除濕至N′狀態點，W′、N′兩個狀態點空氣混合至C1狀態點，然后與二次回風（N狀態點）混合至C2態點，再經由主空調機冷卻處理至O狀態點（即送風狀態），至此完成了整個空調過程。從整個過程看，空調過程被分成3個階段，即新風預冷、新風和回風除濕、表冷處理階段。表冷處理階段是完全的干式表冷，這種空調除濕過程可稱作干式除濕法，這對制藥廠來說可謂是一個驚喜。沒有冷凝水產生，也就有效杜絕了微生物的繁殖，對制藥潔凈廠房的細菌控制極為有利。在這3個階段中，溫度控制和含濕量的控制已經被有效地分離，濕度控制由轉輪除濕機實現，而溫度要求則由空調機來保障。這種分離技術同時也保證了空調處理中極端要求的可實現。

圖6 采用轉輪除濕機方案原理圖

1.4 轉輪除濕/冷輻射吊頂空調系統

轉輪除濕應用于冷輻射吊頂系統后形成一種復合式空調系統，解決了冷輻射吊頂系統所存在的除濕問題、冷卻能力問題[19]及室內空氣品質問題。對于轉輪除濕/冷輻射吊頂空調系統，國內外學者進行了大量的研究[20～24]，研究的內容主要包括：①熱舒適性；②室內空氣品質；③能耗問題。

最基本的轉輪除濕/冷輻射吊頂空調系統流程及空氣處理i-d圖如圖7所示。冷凍水系統通過置于吊頂中的金屬管，降低頂板表面溫度。降溫后的冷吊頂通過輻射方式和其它表面（如墻面、地板、家具、人體及其他熱表面）進行熱交換，降低其它表面溫度，并將人體和其它熱源產生的熱量帶走。同時，冷吊頂表面通過對流換熱吸收周圍空氣中的熱量并使周圍空氣溫度降低，冷空氣受浮力作用向下流向工作區。

而高溫高濕的新風（狀態點1）先經全熱交換器與排風進行全熱交換，充分利用排風的冷量實現初步的降溫除濕后到達狀態點2，此后再進入轉輪除濕機，由于轉輪本身的顯熱和吸附產生的吸附熱使得新風在除濕的同時，溫度升高，到達狀態點3為了滿足送風溫度的要求，高溫狀態的新風需進行冷卻處理，冷卻后的新風達到狀態點4送入房間，新風在房間中吸收房間余濕和部分顯熱負荷后到達狀態點5，最后送入全熱交換器充分利用其冷量后形成高溫高濕的空氣（狀態點6）后排出室外。

圖7 轉輪除濕/冷輻射吊頂空調系統示意圖

將轉輪除濕應用于冷輻射吊頂空調系統后形成的復合式空調系統，與傳統的空調系統相比轉輪除濕實現了對空氣濕度的獨立處理，室內濕度控制精度得以提高。復合式空調系統擴大了冷輻射吊頂空調系統的應用范圍，使之可以應用于一些要求低濕、濕負荷較大的環境，使更多的人能夠享受舒適衛生的環境[25]。

1.5 干空氣和冷凍水聯產除濕空調系統

考慮到已有除濕空調系統為實現潛熱和顯熱負荷的單獨處理，要么通過蒸發冷卻器來降低處理空氣溫度[26]，要么引入常規空調組成混合式除濕空調[27]。前者是通過增加濕度來降低溫度，難以實現精確控制，后者則仍需消耗一定量電力。上海交通大學最近提出一種基于干燥劑除濕和再生式蒸發冷卻技術的干空氣和冷凍水聯產除濕空調系統[28～29]。如圖8所示，該系統可同時制備干空氣和冷凍水，從而克服了傳統除濕空調的不足。對其節能特性分析表明，ARI夏季工況下，干空氣和冷凍水聯產空調的熱力COP在1左右，電力COP可達9.03，相應電力消耗和CO2排量比常規空調減少72.69%之多。此外，可以通過改變干空氣比來調節潛/顯熱處理能力，實現無能量浪費地提供全部所需冷量。

圖8 干空氣和冷凍水聯產除濕空調系統簡圖

2 發展方向與關鍵問題

2.1 轉輪與高溫熱泵耦合面臨問題及未來發展方向

轉輪的再生溫度一般要60℃以上，普通制冷劑如R22很難在此工況下正常運行。被處理的空氣經過轉輪除濕后溫升10℃左右，要想經過蒸發器后滿足室內送風溫度26℃的要求，蒸發溫度應該在20℃左右甚至更低。什么樣的制冷劑才能滿足這樣的要求呢？首先新型制冷劑研發是這項技術的關鍵問題。其次，新型除濕轉輪研究，需要很低的再生溫度就能滿足轉輪的再生需求。

2.2 轉輪除濕/冷輻射吊頂空調系統技術關鍵問題

高溫冷源的研究。冷輻射吊頂及轉輪除濕后空氣的冷卻均需高溫冷水（溫度大于15℃），因此高溫冷水機組的研發、土壤源換熱裝置及深井回灌系統的研究是今后研究的重點；轉輪除濕再生能耗問題。如何有效地利用太陽能、余熱或廢熱等資源以降低系統能耗也是今后研究的一個重要方面；系統的維護管理及運行控制策略的研究。

2.3 太陽能驅動轉輪

轉輪除濕空調采用太陽能及廢余熱等低品位熱源驅動，可以有效地緩解傳統空調造成的電力供應峰值負荷，有著良好應用前景。目前，轉輪除濕空調已有一定規模應用，進一步發展和應用面臨主要問題是[26]：

1）新型的干燥劑材料的研制，應以除濕性能好，再生溫度低和價格低廉為目標。復合干燥劑（硅膠-鹵素鹽等）滿足除濕和再生的要求，是一種很好的選擇，不足之處是加工工藝相對復雜，成本相應提高。

2）發展多級/分級等再生模式，旨在降低熱源溫度需求和提高熱源利用率。尤其對于高溫高濕地區（例如上海），在熱源溫度較低時，只有采用多級/分級再生模式才能滿足除濕的需求。當以太陽能作為熱源時，多級/分級再生模式熱源溫度要求低的優勢進一步體現為普通的集熱器（平板式或真空管式）、較低的初投資和美觀的建筑結合。

3）優化運行控制以提高適用性。溫濕度獨立控制是轉輪除濕空調的一個重要優勢，然而，由于環境和室內的空氣狀態均會隨時間、天氣、季節地理位置而變化，機組的熱力和電力性能取決于系統控制和負荷分配（潛熱/顯熱比例）。

4）系統設計緊湊化小型化，開展轉輪除濕空調在民用建筑領域的應用以降低建筑能耗，生產流程規范化。從研究、設計到應用形成一定規范并融入空調設計程序，不僅會降低成本，而且有利于市場拓展。

5）加大宣傳力度。轉輪除濕空調作為一種新型空調，從制冷空調行業內到廣大民眾都還對其缺乏認識，普及相關知識將促進其發展。總的來看，進一步提高能源利用效率、降低設備的成本和尺寸、并將相應技術與產品定型化和規模化是轉輪除濕空調廣泛應用的關鍵所在，也是未來轉輪除濕空調技術研究和發展的主導方向。

3 結語

本文結合近幾年轉輪除濕空調的研究現狀，介紹了幾種轉輪系統的構成形式。分析比較了“構成形式”將來的發展方向以及進一步發展需要解決的關鍵問題。轉輪除濕空調的構成形式都是以解決再生能耗為主線，利用太陽能，冷凝器余熱等其他可以利用的熱源滿足轉輪再生能耗。目的在節能的前提下降低轉輪的運行成本，提高轉輪的效率。總的來看，進一步提高能源利用效率、降低設備的成本和尺寸、并將相應技術與產品定型化和規模化是轉輪除濕空調廣泛應用的關鍵所在，也是未來轉輪除濕空調技術研究和發展的主導方向。

[1] Dhar P L,Singh S K.Studies on solid desiccant based hybrid airconditioning systems[J].Applied Thermal Engineering,2001,21:119-134

[2] Jia C X,Dai Y J,Wu J Y,et al.Experimental comparison of two honeycombed desiccantw heels fabricated with silicagel and com-posite desiccant material[J].Energy Conversion＆Management 2006,47:2523-2534

[3] Howe R R.Model and performance characteristics of a commerci-ally sized hybrid air conditioning system which utilizes a rotary desiccant dehumidifier[D].Madison:University of Wisconsin,1983

[4] Worek W M,Zheng W,Belding W A.Simulation of advanced gas fired desiccant cooling systems[J].ASHRAE Transactions,1991,4(2):609-614

[5] Khalid A Joudi,Nabeel S Dhaidan.Application of solar assisted heating and desiccant cooling systems for a domestic building[J].Energy Conversion and Management,2001,42:995-1022

[6] 丁云飛,丁靜,楊曉西.液體干燥劑除濕式燃氣空調系統及應用[J].煤氣與熱力,2003,23(12):738-740

[7] Parsons B K,Pesaran A A,Bharathan D.Improving gas-fired heat pump capacity and performance by adding a desiccant dehumidifi-cation sub-system[J].ASHRAE Transactions,1989:835-844

[8] Casas W,Schmitz 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

[9] 張于峰,郝紅,周過兵,等.轉輪與中高溫熱泵耦合空調系統可行性研究[J].沈陽建筑大學學報,2008,24(4):675-678

[10] 胡曉微,張于峰.高溫熱泵在除濕轉輪空調系統中的性能[J].化工學報,2009,60(9):2177-2180

[11] 宋倩倩,余躍進.一種新型轉輪除濕與雙級熱泵耦合空調系統及系統設計[J].建筑科學,2009,25(12):85-88

[12] Mavroudaki P,Beggs C B,Sleigh P A,et al.T he potential for solar powered single-stage desiccant cooling in Southern Europe[J].Applied Thermal Engineering,2002,22(3):1129-1140

[13] Beggs C B,Halliday S P.A theoretical evaluation of solar powered desiccant cooling in the united kingdom[J].Build Services Eng.Res.Technol,1999,20(3):113-117

[14] Casas W,Schmitz 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

[15] Kohlenbach P,Bongs C,White,S,et al.Performance modeling of a desiccant evaporative sorption air-conditioning system driven by micro-turbine waste heat in tropical,climates[J].Ecolibrium,2007,(1):25-31

[16] Sand J R,Fischer J C.Active desiccant integration with packaged rooftop HVAC equipment[J].Applied Thermal Engineering,2005,25(17-18):3138-3148

[17] 葛天舒,代彥軍.太陽能驅動兩級轉輪除濕空調系統可行性分析[Z].上海:上海交通大學,2010

[18] 陳中權.冷凍、轉輪除濕相結合的干式除濕法的應用[J].潔凈空調技術,2010,2(2):50-51

[19] 熊帥,湯廣發.輻射冷吊頂/獨立新風系統的技術研究與可行性分析[J].制冷與空調,2006,6(4):34-38

[20] Xiaoli Hao,Guoqiang Zhang,Youming Chen.A combined system of chilled,displacement ventilation and desiccant dehumidifica-tion[J].Building and Environment,2007,42:3298-3308

[21] K J Chua,J C Ho,S K Chou.A comparative study of different control strategies for indoor air humidity[J].Energy and Buildings,2007,39:537-545

[22] Pieter Massey,Francesco Minichiello,Daniele Palma.HVAC dehumidification systems for thermal comfort:article review[J].Applied Thermal Engineering,2005,25:677-707

[23] J L Niu,L Z Zhang,H G Zuo.Energy savings potential of chilled-ceiling combined with desiccant cooling in hot and humid climates [J].Energy Buildings,2002,34:487-495

[24] Atila Novoselac,Jelena Srebric.A critical review on the performance and design of combined cooled ceiling and displacement ventilation systems[J].Energy and Buildings,2002,34:497-509.

[25] 周西文,王雨.轉輪除濕/冷輻射吊頂空調系統及其研究進展[J].制冷空調,2008,22(3):87-91

[26] Henning H M.Solar assisted air conditioning of buildings an overview[J].Applied Thermal Engineering,2007,27(10):1734-1749

[27]Dhar P L,Singh S K.Studies on solid desiccant based hybrid air-conditioning systems[J].Applied Thermal Engineering,2001,21:119-134

[28] La D,Dai Y J,Li Y,et al.Study of an innovative solardesiccant cooling system producing both dry air and chilled water[A].In:Proceedings of ICCR’2008[C].Beijing:Science Press,2008:628-633

[29] 臘棟,代彥軍,李勇,等.干空氣和冷凍水聯產除濕空調系統節能特性研究[A].見:中國工程熱物理學會工程熱力學與能源利用學術會議論文集[C].天津:2008,081073.

[30] 代彥軍.轉輪式除濕空調研究與應用最新進展[J].制冷學報,2009,30(4):1-8