清華大學建筑技術科學系  謝瑛  王安東  劉曉華

    【摘  要】本文針對一種熱泵驅動的新型立式溶液調濕空氣處理機組的冬季工況性能進行了實際測試，并分析了不同溶液流量下的性能變化規律。結果表明當風量一定時，由于機組內熱泵性能與熱回收所占收益比的共同影響，機組性能存在較高值，溶液流量存在最優值。當新風量與排風量為5000m³/h，溶液流量在3.0m³/h時，機組熱泵系統的制熱COP能達5.9，而機組的綜合COP能達7.8。另外，實際測試結果表明若能進一步提升機組熱泵循環中蒸發器與冷凝器的換熱效率、合理控制機組補水量等將有助于進一步提高機組運行性能。

    【關鍵詞】溶液調濕、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，建筑運行能耗尤其是其中占主要部分的空調能耗快速提升^[1] 。相比于傳統的冷凝除濕技術，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勢，如太陽能、工業廢熱、熱泵冷凝熱都可作為溶液再生的熱源^[2-5] 。

    根據溶液與空氣的相對流型，可以分為順流、叉流、逆流三種形式。目前研究多數集中在叉流，其優點在于設備布置方便、便于實際應用^[6-10] 。劉栓強等^[10]介紹的熱泵驅動雙級溶液調濕新風機組則以叉流流型為主，夏季滿負荷工況下整機COP能達5.0，部分負荷下可超過5.9。而劉曉華等[11]對溶液除濕再生中場均勻分布進行了探究，發現在除濕過程和加熱溶液方式的再生過程中逆流流型最優。因此，考慮到在投入填料塔傳熱傳質面積相等的情況下，以逆流流型為主的立式機組將有助于進一步提升機組效率^[12] 。另外，當前針對熱泵驅動的溶液調濕空氣處理機組的研究越來越多，此種機組利用熱泵提供的制冷量來實現溶液對空氣的除濕過程，利用熱泵的冷凝熱來進行溶液再生。但現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，關于冬季加熱加濕工況下的實際性能研究還較少。

    因此，本文擬針對一種熱泵驅動的新型立式溶液調濕空氣處理機組開展研究，深入分析該機組在冬季加熱加濕工況下的性能，研究溶液流量變化等實際因素的影響規律，為進一步合理應用溶液調濕空氣處理方式提供基礎數據。

1 新型立式溶液調濕空氣處理機組

    該立式溶液調濕空氣處理機組的工作原理如圖1所示。機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。兩個逆流填料塔分別為除濕塔與再生塔，在塔內空氣與溶液將進行熱濕交換。夏季工況下，除濕塔內被冷卻的溶液對室外新風進行降溫除濕，空氣被處理到所需的送風狀態；被稀釋的溶液經過熱泵系統的冷凝器被加熱，進入再生塔內被室內回風濃縮再生，再經過熱泵系統的蒸發器被冷卻，最后回到除濕塔內處理新風，完成整個循環。而在冬季，通過四通閥切換熱泵系統為制熱狀態，室外新風將在再生塔內被加熱加濕送入室內，而室內回風將在除濕塔內被降溫除濕，然后排出室外。兩塔填料下方均置有儲液槽，溶液泵將一側填料塔下方儲液槽內的溶液泵入另一側填料塔噴淋，溶液則通過兩個溶液泵實現在兩個填料塔以及熱泵系統之間的循環。

    實際開發的立式機組如圖2所示，兩塔內填料均采用規整填料，單塔內每層填料尺寸為0.8 m×0.968 m×0.24 m (長×寬×高)，共5層，填料波紋傾角為45度。機組所用溶液為氯化鈣（CaCl2）溶液，機組的風道、填料塔均敷設有保溫材料。熱泵系統則包含蒸發器、壓縮機、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行冬夏切換。一級蒸發器與一級冷凝器的換熱面積各4m²，單臺壓縮機的容量為10匹，定頻運行，制冷劑采用R410A。考慮到熱泵分級對系統性能的提升^[12] ，機組設計為雙級熱泵系統，且可通過2臺壓縮機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。

    針對機組測試，在兩個填料塔的進出口風道處均設置了溫濕度自記儀，用于測量進出口空氣參數，并且利用熱球風速儀來測量風道內風速，從而得到送風量與排風量；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/冷凝器的進出口布有溶液溫度測點，壓縮機與溶液泵功率由功率計測得。機組各個測點的儀器精度和測試范圍如表1所示。在機組運行過程中，開啟新風機與排風機，可通過變頻調節分別將兩塔風量調節至合適狀態；開啟兩臺溶液泵，可通過調節泵的頻率以及閥門來控制兩塔的溶液流量平衡并達到合適狀態；開啟四通閥，將熱泵系統調節至制熱工況，然后開啟壓縮機，最終等待機組所有測點讀數穩定，達到穩態后讀取相應狀態參數。

2 機組性能測試結果

    2018年3月上旬對該機組進行了實際性能測試，機組風量可達5000 m³/h左右，室外新風溫度8.9~11.9℃、新風含濕量1.4~1.9g/kg；室內回風溫度19.0~20.7℃、回風含濕量4.0~5.1g/kg。考慮到在此時的室內外空氣參數情況即部分負荷工況下，機組僅需開啟1臺壓縮機即可滿足加濕需求。本文對機組在變溶液流量的情況下進行了四組工況測試，溶液流量調節范圍為2.6~4.2m³/h，溶液濃度變化范圍為31.0%~36.1%。調節新風量與排風量基本一致且風機頻率不變。四組工況測試結果的能量平衡情況如圖3所示，包括新風側換熱量與排風側換熱量及系統功耗的整機平衡，與單個填料塔中空氣側與溶液側的能量平衡，均在±20%以內，因此可認為該測試結果合理有效。

    2.1 性能評價指標

    在測試數據分析中，本文采用系統綜合COP（COP_sys）與熱泵COP（COP_hp）來評價機組整體性能與熱泵系統性能，其中COP_sys通過式（1）計算得到，Q_a為新風換熱量，由新風量m_a與空氣進出口焓值h_ain和h_aout得到，P_sys為系統功耗，包括壓縮機功耗P_com與溶液泵耗P_pump；制熱COP_hp通過式（2）計算得到，Qc為熱泵系統提供的冷凝熱量。

    為進一步得到機組內填料塔性能，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，熱泵系統中蒸發器換熱效率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、除濕填料塔溶液進出口溫度。

    2.2 冬季工況下性能測試結果

    當新、排風量均為5000m³/h左右時，取循環溶液流量為3.0m³/h，機組運行過程中空氣與溶液狀態變化在焓濕圖上的表示如圖4所示。空氣狀態為10.7℃、1.6g/kg的室外新風被加熱加濕到20.8℃、8.0g/kg的送風狀態，此時熱泵系統的蒸發溫度為-4.6℃，冷凝溫度為30.2℃，制熱COP_hp為5.9，而COP_sys能達7.8，具體測試數據如表2所示。

     當溶液流量從2.6升至4.2m³/h，送風溫度18.0~21.2℃，送風含濕量7.3~8.0g/kg，滿足冬季室內送風要求，如圖5所示。當溶液流量在3.0~3.7 m³/h之間，機組內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，填料塔內空氣與溶液的熱質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，對于機組的熱泵系統性能，當溶液流量在3.0~3.7 m³/h之間，蒸發溫度范圍在-4.6~-2.9℃，冷凝溫度范圍在28.2~30.2℃，蒸發器的換熱效率在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/冷凝溫差降低，熱泵系統隨之性能升高。

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

3 分析與討論

    受實驗時間限制，本次測試主要針對部分負荷工況，僅開啟一臺壓縮機即可滿足送風需求，但當室外新風溫度更低，還應考慮開啟兩臺壓縮機來實現送風需求，進一步分析機組在冬季更低溫工況下的性能。另外，由于冬季工況下，熱泵系統運行在制熱模式，蒸發器與冷凝器的換熱效率僅在60%左右，若能進一步提高蒸發器與冷凝器的換熱效率，將對機組性能的進一步提升有重要作用。

    由于機組熱泵系統提供的冷凝排熱量總是要大于蒸發器提供的制冷量，為了穩定機組運行，平衡機組除濕與再生能力的差異，目前機組采用補水方式來輔助排熱。從本文中變溶液流量工況的測試數據來看，機組運行中溶液濃度從31.0%變化到36.1%，溶液濃度升高，送風相對濕度相應降低，因此對于補水量的控制還需進一步加強。通過對機組的合理補水，將有效解決機組中除濕與再生能力的不平衡問題，維持送風參數的穩定，實現機組的高效運行。

4 結論及工作展望

    本文針對一種熱泵驅動的新型立式溶液調濕空氣處理機組進行了冬季工況下的性能測試，結果表明該機組能實現送風參數的需求，且當新風量、排風量一定時，改變溶液流量，機組性能存在較高值，這是熱泵性能與系統中熱回收所占收益比共同作用的結果，即存在最優溶液流量以實現機組的高效運行。當新風量、排風量為5000m³/h，溶液流量在3.0m³/h時，機組熱泵系統的制熱COP能達5.9，而機組綜合COP能達7.8。另外，在冬季工況下進一步提升蒸發器與冷凝器的換熱性能、合理控制機組補水量等將對機組的高效運行有較大幫助。

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

參考文獻

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    備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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