新型立式溶液调湿空气处理机组性能测试

清华大学建筑技术科学系  谢瑛  王安东  刘晓华

    【摘  要】本文针对一种热泵驱动的新型立式溶液调湿空气处理机组的冬季工况性能进行了实际测试，并分析了不同溶液流量下的性能变化规律。结果表明当风量一定时，由于机组内热泵性能与热回收所占收益比的共同影响，机组性能存在较高值，溶液流量存在最优值。当新风量与排风量为5000m³/h，溶液流量在3.0m³/h时，机组热泵系统的制热COP能达5.9，而机组的综合COP能达7.8。另外，实际测试结果表明若能进一步提升机组热泵循环中蒸发器与冷凝器的换热效率、合理控制机组补水量等将有助于进一步提高机组运行性能。

    【关键词】溶液调湿、逆流、热泵、性能测试、冬季工况

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

    随着我国建筑面积的不断增加与人民生活水平的不断提高，建筑运行能耗尤其是其中占主要部分的空调能耗快速提升^[1] 。相比于传统的冷凝除湿技术，溶液除湿在利用可再生能源与低品位热能方面有着显著的优势，如太阳能、工业废热、热泵冷凝热都可作为溶液再生的热源^[2-5] 。

    根据溶液与空气的相对流型，可以分为顺流、叉流、逆流三种形式。目前研究多数集中在叉流，其优点在于设备布置方便、便于实际应用^[6-10] 。刘栓强等^[10]介绍的热泵驱动双级溶液调湿新风机组则以叉流流型为主，夏季满负荷工况下整机COP能达5.0，部分负荷下可超过5.9。而刘晓华等[11]对溶液除湿再生中场均匀分布进行了探究，发现在除湿过程和加热溶液方式的再生过程中逆流流型最优。因此，考虑到在投入填料塔传热传质面积相等的情况下，以逆流流型为主的立式机组将有助于进一步提升机组效率^[12] 。另外，当前针对热泵驱动的溶液调湿空气处理机组的研究越来越多，此种机组利用热泵提供的制冷量来实现溶液对空气的除湿过程，利用热泵的冷凝热来进行溶液再生。但现有研究多针对夏季降温除湿工况与过渡季全热回收工况展开，关于冬季加热加湿工况下的实际性能研究还较少。

    因此，本文拟针对一种热泵驱动的新型立式溶液调湿空气处理机组开展研究，深入分析该机组在冬季加热加湿工况下的性能，研究溶液流量变化等实际因素的影响规律，为进一步合理应用溶液调湿空气处理方式提供基础数据。

1 新型立式溶液调湿空气处理机组

    该立式溶液调湿空气处理机组的工作原理如图1所示。机组主要由两大部分组成，分别是两个逆流填料塔与双级热泵系统。两个逆流填料塔分别为除湿塔与再生塔，在塔内空气与溶液将进行热湿交换。夏季工况下，除湿塔内被冷却的溶液对室外新风进行降温除湿，空气被处理到所需的送风状态；被稀释的溶液经过热泵系统的冷凝器被加热，进入再生塔内被室内回风浓缩再生，再经过热泵系统的蒸发器被冷却，最后回到除湿塔内处理新风，完成整个循环。而在冬季，通过四通阀切换热泵系统为制热状态，室外新风将在再生塔内被加热加湿送入室内，而室内回风将在除湿塔内被降温除湿，然后排出室外。两塔填料下方均置有储液槽，溶液泵将一侧填料塔下方储液槽内的溶液泵入另一侧填料塔喷淋，溶液则通过两个溶液泵实现在两个填料塔以及热泵系统之间的循环。

    实际开发的立式机组如图2所示，两塔内填料均采用规整填料，单塔内每层填料尺寸为0.8 m×0.968 m×0.24 m (长×宽×高)，共5层，填料波纹倾角为45度。机组所用溶液为氯化钙（CaCl2）溶液，机组的风道、填料塔均敷设有保温材料。热泵系统则包含蒸发器、压缩机、冷凝器与膨胀阀，为满足冬夏共用需求，还安装有四通阀以进行冬夏切换。一级蒸发器与一级冷凝器的换热面积各4m²，单台压缩机的容量为10匹，定频运行，制冷剂采用R410A。考虑到热泵分级对系统性能的提升^[12] ，机组设计为双级热泵系统，且可通过2台压缩机的启停时间来控制制冷/制热量的输出以满足除湿/加湿需求。

    针对机组测试，在两个填料塔的进出口风道处均设置了温湿度自记仪，用于测量进出口空气参数，并且利用热球风速仪来测量风道内风速，从而得到送风量与排风量；浮子流量计用来测溶液流量，溶液密度计用来测溶液浓度；蒸发/冷凝器的进出口布有溶液温度测点，压缩机与溶液泵功率由功率计测得。机组各个测点的仪器精度和测试范围如表1所示。在机组运行过程中，开启新风机与排风机，可通过变频调节分别将两塔风量调节至合适状态；开启两台溶液泵，可通过调节泵的频率以及阀门来控制两塔的溶液流量平衡并达到合适状态；开启四通阀，将热泵系统调节至制热工况，然后开启压缩机，最终等待机组所有测点读数稳定，达到稳态后读取相应状态参数。

2 机组性能测试结果

    2018年3月上旬对该机组进行了实际性能测试，机组风量可达5000 m³/h左右，室外新风温度8.9~11.9℃、新风含湿量1.4~1.9g/kg；室内回风温度19.0~20.7℃、回风含湿量4.0~5.1g/kg。考虑到在此时的室内外空气参数情况即部分负荷工况下，机组仅需开启1台压缩机即可满足加湿需求。本文对机组在变溶液流量的情况下进行了四组工况测试，溶液流量调节范围为2.6~4.2m³/h，溶液浓度变化范围为31.0%~36.1%。调节新风量与排风量基本一致且风机频率不变。四组工况测试结果的能量平衡情况如图3所示，包括新风侧换热量与排风侧换热量及系统功耗的整机平衡，与单个填料塔中空气侧与溶液侧的能量平衡，均在±20%以内，因此可认为该测试结果合理有效。

    2.1 性能评价指标

    在测试数据分析中，本文采用系统综合COP（COP_sys）与热泵COP（COP_hp）来评价机组整体性能与热泵系统性能，其中COP_sys通过式（1）计算得到，Q_a为新风换热量，由新风量m_a与空气进出口焓值h_ain和h_aout得到，P_sys为系统功耗，包括压缩机功耗P_com与溶液泵耗P_pump；制热COP_hp通过式（2）计算得到，Qc为热泵系统提供的冷凝热量。

    为进一步得到机组内填料塔性能，可采用空气-溶液换热湿效率η_m与焓效率η_h来评价单个填料塔的性能，分别由式（3）和式（4）得到，其中ω_ein和h_ein为进入填料塔溶液的表层饱和湿空气含湿量与焓值。

    另外，热泵系统中蒸发器换热效率ε_e与冷凝器换热效率εc可由式（5）和式（6）得到，其中T_e和T_c分别为蒸发温度与冷凝温度，T_s1、T_s2、T_s3和T_s4分别为再生填料塔、除湿填料塔溶液进出口温度。

    2.2 冬季工况下性能测试结果

    当新、排风量均为5000m³/h左右时，取循环溶液流量为3.0m³/h，机组运行过程中空气与溶液状态变化在焓湿图上的表示如图4所示。空气状态为10.7℃、1.6g/kg的室外新风被加热加湿到20.8℃、8.0g/kg的送风状态，此时热泵系统的蒸发温度为-4.6℃，冷凝温度为30.2℃，制热COP_hp为5.9，而COP_sys能达7.8，具体测试数据如表2所示。

     当溶液流量从2.6升至4.2m³/h，送风温度18.0~21.2℃，送风含湿量7.3~8.0g/kg，满足冬季室内送风要求，如图5所示。当溶液流量在3.0~3.7 m³/h之间，机组内两个填料塔的湿效率与焓效率均在70%以上，且随着溶液流量的升高，填料塔内空气与溶液的热质交换过程湿效率与焓效率随之升高，如图6所示。从图7来看，对于机组的热泵系统性能，当溶液流量在3.0~3.7 m³/h之间，蒸发温度范围在-4.6~-2.9℃，冷凝温度范围在28.2~30.2℃，蒸发器的换热效率在54%左右，冷凝器的换热效率为53%~64%，并且随着溶液流量增加，蒸发/冷凝温差降低，热泵系统随之性能升高。

    对于该机组流程而言，新风获得制热量Q_a除了来源于热泵系统提供的冷凝热Qc之外，还得益于对于室内回风热量的回收Q_hr。用对室内回风的回收占新风制热量的比例δ来表示机组流程中热回收带来的收益，如式（7）所得。结合公式（1）和（2），得到公式（8）。因此，机组性能受热回收比例及热泵性能的重要影响。从图8来看，当溶液流量增加时，热回收比例随之降低。因此，即便机组热泵性能随之升高，机组性能并不会一直升高，而是存在最优的溶液流量，如图9所示。制热COP_hp范围在5.0~7.2，机组COP_sys达6.8以上，而且当溶液流量为3.0 m³/h时，机组性能较高，热回收比例29%，热泵制热COP_hp达5.9，机组COP_sys能达7.8。

3 分析与讨论

    受实验时间限制，本次测试主要针对部分负荷工况，仅开启一台压缩机即可满足送风需求，但当室外新风温度更低，还应考虑开启两台压缩机来实现送风需求，进一步分析机组在冬季更低温工况下的性能。另外，由于冬季工况下，热泵系统运行在制热模式，蒸发器与冷凝器的换热效率仅在60%左右，若能进一步提高蒸发器与冷凝器的换热效率，将对机组性能的进一步提升有重要作用。

    由于机组热泵系统提供的冷凝排热量总是要大于蒸发器提供的制冷量，为了稳定机组运行，平衡机组除湿与再生能力的差异，目前机组采用补水方式来辅助排热。从本文中变溶液流量工况的测试数据来看，机组运行中溶液浓度从31.0%变化到36.1%，溶液浓度升高，送风相对湿度相应降低，因此对于补水量的控制还需进一步加强。通过对机组的合理补水，将有效解决机组中除湿与再生能力的不平衡问题，维持送风参数的稳定，实现机组的高效运行。

4 结论及工作展望

    本文针对一种热泵驱动的新型立式溶液调湿空气处理机组进行了冬季工况下的性能测试，结果表明该机组能实现送风参数的需求，且当新风量、排风量一定时，改变溶液流量，机组性能存在较高值，这是热泵性能与系统中热回收所占收益比共同作用的结果，即存在最优溶液流量以实现机组的高效运行。当新风量、排风量为5000m³/h，溶液流量在3.0m³/h时，机组热泵系统的制热COP能达5.9，而机组综合COP能达7.8。另外，在冬季工况下进一步提升蒸发器与冷凝器的换热性能、合理控制机组补水量等将对机组的高效运行有较大帮助。

    致谢：本研究受国家自然科学基金（51608296，51521005）资助，在此表示感谢。

参考文献

    [1] 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2016[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2016.
    [2] 刘晓华,李震,张涛. 溶液除湿[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.
    [3] Jradi M, Riffat S. Experimental investigation of a biomass-fuelled micro-scale tri-generation system with an organic Rankine cycle and liquid desiccant cooling unit [J]. Energy, 2014, 71: 80-93.
    [4] Davies PA, Lychnos G. Modelling and experimental verification of a solar powered liquid desiccant cooling system for greenhouse food production in hot climates [J]. Energy, 2012, 40: 116-130.
    [5] Peng DG, Zhang XS. Modeling and simulation of solar collector/regenerator for liquid desiccant cooling systems [J]. Energy, 2011, 36: 2543-2550.
    [6] Dai YJ, Wang RZ, Zhang HF, et al. Use of liquid desiccant cooling to improve the performance of vapor compression air conditioning [J]. Applied Thermal Engineering, 2001, 21: 1185-1202.
    [7] Babakhani D, Soleymani M, Moheb A. Heat and mass transfer between air and liquid desiccant in cross-flow contact systems [J]. Chemical Engineering & Technology, 2010, 33: 281-291.
    [8] Liu XH, Zhang Y, Qu KY, et al. Experimental study on mass transfer performances of cross flow dehumidifier using liquid desiccant [J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47: 2682-2692.
    [9] Bassuoni MM. An experimental study of structured packing dehumidifier/regenerator operating with liquid desiccant [J]. Energy, 2011, 36: 2628-2638.
    [10] 刘栓强, 江亿, 刘晓华, 等. 热泵驱动的双级溶液调湿新风机组原理及性能测试[J]. 暖通空调, 2008, 38: 54-59.
    [11] 刘晓华,易晓勤,常晓敏, 等. 溶液除湿/再生过程中场均匀分布原则的探讨[J]. 太阳能学报, 2009, 07: 939-945.
    [12] Xie Y, Zhang T, Liu XH. Performance investigation of a counter-flow heat pump driven liquid desiccant dehumidification system [J]. Energy, 2016, 115: 446-457.

    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
              版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。