一种半解耦式高蒸发温度下降温除湿与分级冷却的除湿热泵循环机理研究

Research and development of high-efficient and energy-saving air-conditiong cycle is important to achieve the target on energy as well as emission reduction, and to promote long-term development of the industry. Based on the thermodynamic analysis of load handling method adopted in coupled temperature and humidity handling vapor compression heat pump cycle, decoupled temperature and humidity sepeate controlling cycle and novel desiccant coated heat exchanger air conditiong cycle, this projects aims to develop a high-efficient and energy-saving desiccant heat pump cycle with enhanced the load handling capacity. A novel semi-decoupled desiccant heat pump cycle is proposed, the cycle utilizes a desiccant coated evaporator and a staged evaporator in series instead of one evaporator in conventional vapor compression cycle or one desiccant coated evaporator, the sensible and latent load of process air is removed and controlled by the staged dehumidification with decreasing temperature and cooling process under higher evaporation temperature, meanwhile the released condensation heat is recovered to realize desiccant material regeneration. This novel cycle not only can obtain high COP with high evaporation temperature, but also can have enhanced load handling capacity. In this project, theoretic analysis on thermodynamic principle, optimal combination of thermodynamic processes, dynamic simulation as well as experimental analysis on the system will be conducted. At last, optimal construction and thermodynamic features of this novel cycle will be determined, which will provide theoretical and experimental support for the development of air-conditioning heat pump system.

研发高效节能的热泵空调循环是实现我国节能减排、促进行业长远发展的重要途径。本项目以建立高效节能除湿热泵循环和提升循环热湿负荷处理能力为目标，通过对耦合式热湿集中处理压缩热泵空调循环、解耦式热湿独立控制热泵空调循环以及新型除湿换热器空调循环在空气热湿负荷处理上基础问题的分析，提出采用分级串联的一个除湿蒸发器和一个蒸发器代替压缩式循环中的蒸发器和现有热泵除湿循环中的除湿蒸发器，通过高蒸发温度下降温除湿与分级冷却实现热湿负荷的处理和控制，同时回收冷凝废热用于干燥剂再生，构建一种新型的半解耦式除湿热泵循环。循环不仅通过高蒸发温度下运行实现COP显著提升，而且通过除湿蒸发器和蒸发器中热力过程的结合提高循环热湿负荷处理能力并实现负荷比例调控。项目拟通过对循环热力学机理、热力过程的匹配性、系统热动力学仿真及实验分析，完成循环的优化构建和热动力学特性研究，为热泵空调循环的研究提供理论和实践依据。

研发高效节能的热泵空调循环是实现我国节能减排、促进行业长远发展的重要途径。本项目以建立高效节能除湿热泵循环和提升循环热湿负荷处理能力为目标，针对一体式除湿换热器空调循环难以实现热湿负荷同步高效处理的现状，提出了采用分级串联的一个除湿蒸发器和一个蒸发器代替压缩式循环中的蒸发器和现有热泵除湿循环中的除湿蒸发器，通过高蒸发温度下降温除湿与分级冷却实现热湿负荷的处理和控制，同时回收冷凝废热用于干燥剂再生，从而构建了一种新型的半解耦式除湿热泵循环。项目分别研究了新型循环的热力学机理和分析方法、热力过程匹配性、系统热动力学仿真及实验分析。首先通过热力学理论分析完成了新型热力循环的构建，揭示了新型循环可实现温度和湿度的独立控制、理论最大COP可达9.6；发现在15度高蒸发温度和45度低冷凝温度下制冷剂以R410A最优，干燥剂以硅胶或硅胶吸湿盐复合干燥剂为佳。然后建立了除湿换热器动态耦合传热传质实验测试台，得到了除湿换热动态温湿度调控特性并获得了其无量纲传热传质关联式，证明同等面积下通过调控切换时间可实现蒸发侧和冷凝侧匹配；进一步搭建了除湿换热器串联显热换热器热力学性能测试实验台，证明通过附加蒸发器可将空气出口温度降低4-7度，同时发现针对所选取的三种干燥剂，其除湿能力从大到小为复合干燥剂、类沸石分子筛FAM、硅胶。随后建立了新型循环的数学预测模型，模拟表明系统中三个换热器选取相同面积时性能最优。最后建立了新型半解耦循环的实验测试系统，实际运行结果显示新型系统在继承了一体式系统高COP特点的同时，可实现送风温度降低7度左右，同时送风温度波动性大大降低，提高了送风舒适性；冬季在40度冷凝温度下系统可提供满意的加温加湿能力。研究同时开拓了热泵空调系统、固体除湿空调系统和复合式除湿热泵系统研究的新方向，将促进空调技术的发展和创新。同时新型循环系统具有构造简单、体积较小、成本低的优点，结合显著节能特性有望在建筑空调领域获得规模化应用。