基于吸附除濕換熱器的熱泵系統(tǒng)熱力特性研究及其應(yīng)用.pdf

1、傳統(tǒng)蒸汽壓縮式熱泵空調(diào)采用冷凝除濕的方式處理潛熱負(fù)荷，基于這種方式的空調(diào)系統(tǒng)一方面造成了能量的多重浪費(fèi)，限制了系統(tǒng)COP的提升，另一方面在夏季濕熱季節(jié)無法提供穩(wěn)定的干燥舒適空氣。基于固體吸附/溶液吸收機(jī)理的除濕空調(diào)具有較好的潛熱負(fù)荷處理能力，但其顯熱處理能力具有一定的局限性?；谏鲜鰞煞N空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)逐步發(fā)展起來，這種系統(tǒng)通過顯熱潛熱子系統(tǒng)對溫濕度進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，能效和舒適性都得以提高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，成本較高，應(yīng)

2、用場合受限。同時(shí)，由于吸附熱所導(dǎo)致的除濕效果不佳、再生溫度過高也限制了這種系統(tǒng)的能效進(jìn)一步提升。近年來，內(nèi)冷式除濕器的提出為解決吸附熱的困擾提供了新的思路。這種除濕器通過第二流體（空氣、水或者制冷劑）帶走除濕過程中釋放的吸附熱，在提升除濕效果的同時(shí)使再生溫度下降。受到這種新型除濕器的啟發(fā)，本文針對現(xiàn)有除濕系統(tǒng)所存在的問題，提出了“基于吸附除濕換熱器的熱泵系統(tǒng)”，該熱泵系統(tǒng)不僅結(jié)合了吸附除濕和高效熱泵的特性，同時(shí)可以通過內(nèi)冷式除濕的方式有

3、效抑制吸附熱效應(yīng)對除濕過程的不利影響，并將熱泵冷凝廢熱充分回收用于除濕材料的再生，有效克服了傳統(tǒng)蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)采用冷凝除濕所造成的舒適性不佳和能量利用效率低的問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。圍繞這一新型熱泵系統(tǒng)，本文具體研究內(nèi)容如下：
　　第一，從熱力學(xué)角度出發(fā)，對幾種傳統(tǒng)除濕系統(tǒng)進(jìn)行了分析，然后針對現(xiàn)有除濕系統(tǒng)熱力性能不佳和能量利用效率低的問題，提出基于吸附除濕換熱器的熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了內(nèi)冷式吸附除濕換熱器，克服吸附熱對除濕效

4、果的不利影響，并將冷凝廢熱用于吸濕劑再生，可以有效提高系統(tǒng)COP和熱舒適性，尤其在冬季可以向室內(nèi)提供采暖加濕功能，使得這種熱泵系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)家用空調(diào)獨(dú)立運(yùn)行。此外，建立理想吸附除濕過程，并提出吸附除濕等效焓差法，分別從熱力學(xué)角度和傳熱傳質(zhì)角度論證了新型熱泵系統(tǒng)所采用的吸附除濕過程相對于傳統(tǒng)冷凝除濕的優(yōu)勢。
　　第二，針對所提出的新型熱泵系統(tǒng)中的重要部件吸附除濕換熱器，從除濕材料角度探討了對其性能優(yōu)化的可能性。分別采用傳統(tǒng)吸濕劑和

5、新型復(fù)合吸濕劑制作了兩臺(tái)吸附除濕換熱器。然后搭建了采用冷熱水源驅(qū)動(dòng)的除濕系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究包括水源溫度和處理空氣狀態(tài)等關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)對于吸附除濕換熱器性能的影響。最后探討了循環(huán)切換模式對系統(tǒng)性能的影響。為進(jìn)一步研究基于吸附除濕換熱器的熱泵系統(tǒng)提供參考。
　　第三，基于前文所提出的構(gòu)想，設(shè)計(jì)了面向家用領(lǐng)域的新型熱泵系統(tǒng)，并搭建了實(shí)驗(yàn)裝置在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了運(yùn)行測試。在典型熱泵空調(diào)制冷和采暖工況下，對其系統(tǒng)COP以及熱濕處理能力進(jìn)行了

6、實(shí)驗(yàn)測試。隨后基于實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，探討了提高系統(tǒng)性能的可能途徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在夏季工況下，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在滿足除濕要求的情況，系統(tǒng)COP最高可以達(dá)到6.9。同時(shí)在冬季工況下具有顯著的加濕能力，可以顯著地提高室內(nèi)舒適性，系統(tǒng)COP最高可達(dá)6.1。
　　第四，將所提出的新型熱泵系統(tǒng)推廣到公共建筑的應(yīng)用中，構(gòu)建了一種新型溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)。利用基于吸附除濕換熱器的熱泵系統(tǒng)在除濕方面的顯著性能，將其作為獨(dú)立新風(fēng)裝置（DESICA），與變頻式

7、多聯(lián)機(jī)（VRF）構(gòu)建新型溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)（JDVS），其中DESICA主要承擔(dān)潛熱負(fù)荷，VRF則承擔(dān)剩余顯熱負(fù)荷。在具有穩(wěn)定室內(nèi)負(fù)荷的上海交通大學(xué)某學(xué)生工作室內(nèi)搭建 JDVS實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，進(jìn)行了為期一年的現(xiàn)地實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，在房間內(nèi)搭建了另一套由全熱換熱器（HRV）與VRF構(gòu)建的傳統(tǒng)回?zé)嵝托嘛L(fēng)空調(diào)系統(tǒng)（JHVS）作為對比研究對象。對典型冬夏季工況下兩套系統(tǒng)的室內(nèi)熱舒適性和能量利用效率進(jìn)行對比和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明JDVS在系統(tǒng)能效和室內(nèi)熱舒

8、適性兩方面均優(yōu)于JHVS。
　　最后，為了更為全面的研究新型熱泵系統(tǒng)在公共建筑中的應(yīng)用，在動(dòng)態(tài)建筑能耗模擬軟件 EnergyPlus中植入了 DESICA的能耗仿真模塊。結(jié)合軟件內(nèi)置的VRF模塊，在軟件內(nèi)搭建溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)JDVS的模型，并結(jié)合現(xiàn)地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。最后在軟件中分別搭建JDVS、JHVS和 VRF強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)（VRFSA）三套不同的新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)合上海氣象文件進(jìn)行了全年能耗仿真計(jì)算和對比研究，結(jié)果顯示J