基于吸附除濕換熱器的熱泵系統(tǒng)熱力特性研究及其應用.pdf

1、傳統(tǒng)蒸汽壓縮式熱泵空調采用冷凝除濕的方式處理潛熱負荷，基于這種方式的空調系統(tǒng)一方面造成了能量的多重浪費，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?；诠腆w吸附/溶液吸收機理的除濕空調具有較好的潛熱負荷處理能力，但其顯熱處理能力具有一定的局限性?；谏鲜鰞煞N空調系統(tǒng)的特點，溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)逐步發(fā)展起來，這種系統(tǒng)通過顯熱潛熱子系統(tǒng)對溫濕度進行獨立調節(jié)，能效和舒適性都得以提高，但系統(tǒng)結構龐大，成本較高，應

2、用場合受限。同時，由于吸附熱所導致的除濕效果不佳、再生溫度過高也限制了這種系統(tǒng)的能效進一步提升。近年來，內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)不僅結合了吸附除濕和高效熱泵的特性，同時可以通過內冷式除濕的方式有

3、效抑制吸附熱效應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，具有廣闊的應用前景。圍繞這一新型熱泵系統(tǒng)，本文具體研究內容如下：
　　第一，從熱力學角度出發(fā)，對幾種傳統(tǒng)除濕系統(tǒng)進行了分析，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)家用空調獨立運行。此外，建立理想吸附除濕過程，并提出吸附除濕等效焓差法，分別從熱力學角度和傳熱傳質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、新型復合吸濕劑制作了兩臺吸附除濕換熱器。然后搭建了采用冷熱水源驅動的除濕系統(tǒng)測試實驗臺，研究包括水源溫度和處理空氣狀態(tài)等關鍵系統(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想，設計了面向家用領域的新型熱泵系統(tǒng)，并搭建了實驗裝置在焓差實驗室中進行了運行測試。在典型熱泵空調制冷和采暖工況下，對其系統(tǒng)COP以及熱濕處理能力進行了

6、實驗測試。隨后基于實驗測試數(shù)據(jù)，探討了提高系統(tǒng)性能的可能途徑。實驗結果表明，在夏季工況下，實驗系統(tǒng)在滿足除濕要求的情況，系統(tǒng)COP最高可以達到6.9。同時在冬季工況下具有顯著的加濕能力，可以顯著地提高室內舒適性，系統(tǒng)COP最高可達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用中，構建了一種新型溫濕度獨立控制空調系統(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，將其作為獨立新風裝置（DESICA），與變頻式

7、多聯(lián)機（VRF）構建新型溫濕度獨立控制系統(tǒng)（JDVS），其中DESICA主要承擔潛熱負荷，VRF則承擔剩余顯熱負荷。在具有穩(wěn)定室內負荷的上海交通大學某學生工作室內搭建 JDVS實驗測試系統(tǒng)，進行了為期一年的現(xiàn)地實驗。同時，在房間內搭建了另一套由全熱換熱器（HRV）與VRF構建的傳統(tǒng)回熱型新風空調系統(tǒng)（JHVS）作為對比研究對象。對典型冬夏季工況下兩套系統(tǒng)的室內熱舒適性和能量利用效率進行對比和分析。實驗結果表明JDVS在系統(tǒng)能效和室內熱舒

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)在公共建筑中的應用，在動態(tài)建筑能耗模擬軟件 EnergyPlus中植入了 DESICA的能耗仿真模塊。結合軟件內置的VRF模塊，在軟件內搭建溫濕度獨立控制系統(tǒng)JDVS的模型，并結合現(xiàn)地實驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證。最后在軟件中分別搭建JDVS、JHVS和 VRF強制通風系統(tǒng)（VRFSA）三套不同的新風空調系統(tǒng)，結合上海氣象文件進行了全年能耗仿真計算和對比研究，結果顯示J