基于新風機的空氣除濕解決方案研究

張玉峰

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

空氣濕度作為一個評價空氣質量情況的重要參數，是各種空氣調節過程和熱設計中設計人員的重點關注指標。我國南方大部分地區全年室外空氣相對濕度超過70%，而過高的空氣濕度會給人帶來明顯的不舒適感[1-2]，因此需要采取有效的措施來適當降低建筑內的空氣濕度。目前市場上除濕技術多樣且應用廣泛，主要用到的氣體除濕方法有膜法除濕、冷凝除濕和吸附除濕等[3]。膜法除濕的原理是以膜兩側水蒸氣壓力差為驅動力，利用膜材料對水蒸氣的選擇滲透性使水蒸氣與其他氣體分離，達到氣體除濕目的。按材料分類，主要為高分子聚合膜、無機膜、液膜等[4]。目前此項技術在新風產品應用廣泛，代表產品為全熱交換芯體，使用的是高分子聚合膜。不同交換膜的性能對比見表1。

表1 不同交換膜的性能對比

冷凝除濕的原理是利用制冷劑蒸發給空氣降溫，將濕空氣通過熱交換方法除濕，使濕空氣降溫，當濕空氣的溫度達到該溫度空氣的露點溫度時水汽飽和結露，空氣中的水蒸氣以凝結方式去除[5]。冷凝除濕的優勢在于除濕效果快，可連續作業。目前市面上常見的除濕機在制冷除濕的基礎上增加了換熱器或電輔熱用于對除濕后的空氣再熱，避免空氣持續降溫。但電輔熱的應用存在能耗過高的問題，而只能加冷凝器再熱會使室內溫度持續升高。此外制冷除濕還存在在低溫環境下除濕效果下降的問題[6]。

吸附除濕原理是通過吸附劑的吸水性和加熱再生特性，實現對空氣的水分去除。其優勢在于可在低溫低濕狀態獲得低露點空氣，可利用低品位能源進行再生，結構和維護簡單，噪聲低以及運行可靠性高。但存在再生耗熱量大的問題，使得這類除濕機能耗較高，同時會使空氣溫度升高，許多學者在其循環利用，低耗再生的方向進行了深入研究[7]。在吸附除濕原理的基礎上，結合冷凝除濕，發明了內冷除濕方法，其原理是將固體吸附劑均勻涂在換熱器上。除濕工況下，換熱器內部通入冷流體，對吸附劑進行降溫，并對被處理空氣進行降溫除濕；再生工況下，換熱器內部通入熱流體，吸附劑被加熱，并對再生空氣進行加熱加濕。因此，內冷除濕床的再生溫度得以降低，使得低溫熱源的應用得以實現[8]。本文根據膜法除濕、制冷除濕以及吸附除濕原理，在全熱交換新風機基礎上對這3 種方法的應用進行了實驗研究，獲得了一種基于新風機的除濕解決方案，并取得了較好的除濕效果。

1 樣品制備與結果分析

1.1 膜法除濕

在對全熱交換芯體進行高效率應用時，研究者對芯體的膜材[9]、迎風面氣流分布[10]以及芯體流道結構[11]等多方面進行了仿真計算和實驗測試。在實際生產過程中，如果需要提高其交換性能，一般從芯體尺寸入手進行調整，包括增加芯體長度、擴大進風面積、增加逆流道長度，或者減小芯體層高。亦或是通過調整交換膜，如使用高分子膜、在交換膜中加入石墨烯等材料，強化換熱換濕效果。以上方式在實踐中均有應用，并取得不錯的效果。但存在提高物料成本、增大機內阻力等情況。因此優化芯體內部框架結構，通過改善氣流組織、增大紙膜有效利用率成為了一種既可以提高芯體換熱換濕性能，又可控制成本的方法。本文通過一種采用中空板為芯體框架基材的六邊形全熱交換芯體內部流道結構，全新設計形體流道結構，提升氣流通過芯體截面的均勻性，改善不同通道間氣流速度的差異，提高對換熱膜材利用效率[12]。從而達到降低芯體阻力，提升熱交換性能的目的。解決了傳統六邊形全熱交換芯體內部流道框架單獨流道內支撐不足，容易塌陷導致阻力增大的問題。同時可以避免因芯體進風面上下過風不均，造成的芯體新風通道流速大的區域對應的排風通道區域流速反而低，風量分配不平衡，阻力大，熱交換效率低的問題。

單片框架示意圖如圖1 所示。

圖1 單片框架示意圖

相比于S 型流道芯體，在相交于框架通A～B，C～D的方向上設置多組加強筋，用于保持交換膜的支撐強度，加強筋方向可垂直于通道方向，也可形成一定角度，因具有通孔，并不會阻礙氣體流動，又能夠實現芯體膜間垂直方向上的支撐，避免了芯體受潮塌陷造成的阻力增大。經過流道優化，中空板平行流（P）道芯體阻力較S 型流道芯體（S）平均降低了15%左右，如圖2所示，且AB 通道之間的阻力值更為平衡，相同情況下新排風不會因全熱交換芯體內部流道阻力不平衡而導致交換膜塌陷。此外，在芯體測試中發現的六邊形芯體直角端（A 端）風速明顯小于鈍角端（B 端），對于同一張交換膜來說，膜兩側的新排風風量不均，導致換濕性能降低。為此芯體采用了平行流道設計，且流道之間被中空板的分隔筋分開，避免了不同流道間因串流導致的分配不均，A 端與B 端風量基本一致，因此提高了換熱換濕能力。

圖2 平行流道與S 型流道設計的芯體阻力對比

經交換效率實驗測試，單個芯體制冷工況換濕效率提高了約8%，制熱工況換濕效率提高了約3%，見表2。

表2 濕度交換效率優化

1.2 冷凝除濕

根據計算要求，換熱器能力按實際需求的110%設計，換熱系數因管排數增加，按70%進行計算，計算換熱器制冷能力為5.2 kW。換熱器參數見表3。

表3 換熱器參數

如圖3 所示，換熱器制冷能力達到5.41 kW，整機新風含濕量降低了9.55 g/kg，根據國家標準GB/T 50019—2003《采暖通風與空氣調節設計規范》規定夏季室內房間空調設計的相對濕度為40%～65%，該方案通過再升溫即可滿足室內27℃，51.4%RH 的舒適度要求。此時整機除濕量可達到6.88 kg/h。新風機在進行新風除濕的過程中，還會進行房屋空氣置換，即可滿足在0.5 h 內將層高2.8 m，建筑面積100 m2空間空氣調整至穩定舒適的狀態。

圖3 冷凝與膜法搭配組合除濕能力

1.3 吸附除濕

盡管通過全熱交換芯體的應用，可以節省一部分換熱器能力，但全熱交換芯體自身的被動換熱換濕性能導致其交換效率依賴于室內外空氣溫濕度的不平衡工況，當溫度梯度和含濕量梯度不明顯時，其被動交換效果會降低。為此設計使用吸附劑來彌補這方面缺陷。采用由格力電器與上海交通大學聯合開發的活性氧化鋁基的新型復合吸附劑對新風進行除濕[13]。測試使用鋁基蜂窩式填料模塊，尺寸為60 mm*167 mm*458 mm，阻力測試值如圖4 所示。

圖4 填料模塊阻力匹配

單個填料模塊適用風量段為150～250 m3/h，阻力為54～126 Pa，填料1.5 kg。

使用吸附劑粒徑2～3 mm，30℃條件，60%RH：0.28 g/g；再生溫度50℃[13]。兩塊填料模塊即可代替換熱器30%除濕能力。并設計了轉輪結構，用于將吸附劑在吸附后轉至安放在新風機排風風道的解析室，利用在排風風道的冷凝器散熱對吸附劑進行解析。其結構密封性能仍不理想，需進一步改進滿足新排風串風的問題。

2 結論

（1）整體上，新風機通過膜法、冷凝和吸附除濕，在保證600 m3/h 新風量的情況下，整機平均每小時除濕量約為6.88 kg/h，能夠滿足層高2.8 m、100 m2室內半小時內空氣溫濕度達到目標值。

（2）將全熱交換芯體內部優化框架結構，通過中空垂直支撐筋設計和可以使同尺寸的芯體阻力平均降低15%，最大風量情況降低21.05%；通過平行流道設計最大可使全熱交換芯體交換效率提高8%。

（3）吸附劑除濕在新風機中有著良好的應用前景，在本文實驗條件下可代替30%蒸發器的冷凝除濕能力，其再生裝置結構在家用新風機上的新、排風密封方式是急需解決的問題。