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技术：全无霜空气源热泵系统及吸附式除湿方法

发布于：2022-04-20 09:41:20 来自：暖通空调/热泵工程 [复制转发]

空气源热泵容易受环境的影响，在低温高湿环境下运行时（－12.8℃≤环境温度≤5.8℃，相对湿度≥67%），空气源热泵受环境的温度和空气中的水分影响，其室外换热器表面容易发生结霜现象，逐渐加厚的霜层会使通过室外换热器的空气流动减少，降低空气与换热器之间的传热系数，致使系统的性能降低和制热量减小，甚至导致停机。因此，本文我们就来介绍一些国内外的全无霜空气源热泵技术的研究成果。

1 全无霜空气源热泵系统

吸附式除湿技术作为空气源热泵实现无霜化的基础，按照所选用吸附剂的种类不同，吸附除湿可以分为液体吸附式除湿和固体吸附式除湿。因此，全无霜空气源热泵系统可以分成液体吸附式全无霜空气源热泵和固体吸附式全无霜空气源热泵，如表 1 是近十年全无霜空气源热泵系统研究的相关情况。

1.1 液体吸附式全无霜空气源热泵系统

液体吸附式除湿技术因具有更好的湿度控制、送风质量和储热潜力已成为吸附式除湿未来的发展方向，但由于其腐蚀性和热容量底等问题，该技术目前仍面临一些限制，处在模拟和实验阶段。

图 1 所示为一种复合型全无霜空气源热泵系统，该系统是在热泵基础上增加溶液除湿和再生的循环系统，可以降低室内的加湿能耗。室外空气先经过 LiCl 溶液除湿，再通过蒸发器，实现热泵无霜运行。

热泵系统可通过液体除湿和压缩辅助再生形成全无霜空气源热泵系统，如图 2 所示。环境空气在进入室外蒸发器前用液体干燥剂溶液除湿，吸附剂进入再生器后，其中的水分受热蒸发形成水蒸汽，再进入真空压缩机被压缩成高温高压蒸汽，经过再生器放热，使吸附材料受热再生，形成再生循环，以防止结霜。 空气源热泵系统还可以与溶液塔与板式换热器组成循环实现全无霜，并且能在冬夏两季运行。

1.2 固体吸附式全无霜空气源热泵系统

固体吸附式除湿技术由于其使用成本低和操作简单，已广泛应用于多种领域，因此可以对固体吸附式全无霜空气源热泵系统进行实验。

图 3 是一种室外换热器上涂有固体吸附材料的全无霜空气源热泵热水器。室外换热器在除湿时作为蒸发器带走吸附热，解吸时作为冷凝器提供解吸热，减少该过程中的吸附热和解析热对热泵性能的影响。但是该系统在 0℃以下时仍会出现结霜现象。

Wang 等在上述研究前提下，提出了一种结合了蓄热装置的无霜空气源热泵热水器系统，利用了蓄热装置回收冷凝废热，在再生模式下作为低温热源使吸附剂再生，如图4 所示。其通过实验研究表明，该系统能在低温环境中使热泵高效运行。但是该系统使用了蓄热装置使系统变得很复杂，影响系统性能的原因也随之增加。

1.3 全无霜空气源热泵系统比较

使用固体吸附剂除湿的无霜空气源热泵性能较高，将辅助装置引入空气源热泵中，需要考虑耗能，成本等方面问题。

如图 5 所示，辅助装置能提高吸附剂除湿或再生效率，但也会增加系统耗能，降低 COP。吸附式除湿技术可以利用可再生能源或废热再生吸附材料从而实现持续运作，并且降低除湿技术的成本。

有研究者研究了两种除湿技术： 太阳能驱动的自冷式除湿系统、吸附除湿系统与传统蒸汽压缩制冷技术结合的系统。 全无霜空气源热泵系统中也可利用这两种技术来提高系统的性能。

使用固体吸附式除湿的无霜空气源热泵具有以下的优点：

1）固体吸附材料再生耗能较小，可以通过太阳能和工业废热等热源进行再生，具有节能的优点；

2）固体吸附材料无腐蚀性，且不易挥发；

3）固体除湿系统的部件较少，占地面积小，控制简单，运行费用较低[30-31]。

液体吸附式除湿全无霜空气源热泵优势在于：

1）可连续处理大量湿空气。

2）除湿之后进行再生且被处理的空气参数相对稳定。而劣势在于除湿过程中除湿溶液容易随空气的流动飞溅出去，因其腐蚀性的特点会导致设备一定程度上的损坏，为了避免或减少这种情况的发生，液体除湿基本上都设计为非连续的。

2 吸附除湿装置研究进展

除湿装置是吸附除湿技术的核心部件，不同的除湿装置对除湿效果有着重要的影响。

液体式吸附除湿系统有： 填料式、降膜式、超声雾化式等。

固体吸附式除湿的除湿装置有三类： 转轮除湿装置，固定床除湿装置和除湿换热器。

近年来国内外学者对吸附除湿装置的研究结果见表 2。

2.1 液体吸附式除湿装置研究

殷勇高等设计了一种 z 型填料，有较高的再生量和再生效率有望取代规整型填料。

Luo 等对单通道除湿机中流动的LiCl 溶液的膜厚进行了研究，发现了膜厚的密度可以有效地描述流动条件，溶液流速和空气速度的增加都增强了表面波速度。

由于超声雾化所得溶液液滴具有较好的跟随性，在除湿过程中，溶液表面饱和空气层和湿空气之间的水蒸气分压力差驱动空气中的水分传至溶液，所以提高运行压力对系统除湿速率的增幅明显。

考虑到成本和除湿效率，液体吸附式全无霜空气源热泵一般选用填料式或降膜式除湿装置对空气进行预除湿。

2.2 固体吸附式除湿装置研究

Tu 等在转轮除湿的基础上设计了两级和四级的除湿机，该装置能使干燥剂能在 40～50℃的低温区再生。
Yuan 等人在板翅式换热器的表面上涂覆硅胶形成除湿换热器（见图 6），这种对填充方式的改进虽然减少了空气流动通道中的吸附材料填充量，但是可以降低风阻，加强空气流动，从而有效进行除湿。
Sun 等将除湿换热器与常规换热器的传热传质特性进行比较，实验结果表明，与常规换热器相比，由于干燥剂涂层产生的热阻，其传热能力降低了 30%。在不改变其他结构参数的情况下，翅片深度增加一倍，平均除湿效率提高 40%，COP 提高 10%。

使用固体吸附材料的全无霜空气源热泵选用干燥剂涂层翅片管换热器进行除湿，它不同于干燥剂在吸附过程中受吸附热影响的转轮除湿，也不同于传统的换热器，它在吸附时产生的吸附热由制冷剂的相变潜热所抵消。干燥剂涂层翅片管换热器目前具有成熟的实验和模拟数据，获得了在不同环境下使用的传质传热经验公式，还可以利用逐步伸长法（the method of stepwise elongation）和无量纲参数识别换热器的吸附性能。

3 吸附材料研究

固体吸附式全无霜空气源热泵通过在换热器表面涂固态吸附材料实现无霜化，所以吸附材料的吸附和再生性能对整个系统有重要影响。 该全无霜热泵系统需要根据环境对传热系数小，成本低廉，吸附量大，再生温度低和不易挥发的吸附材料进行选择。

刘林等总结出硅胶、分子筛和活性炭等常见物理吸附材料性能稳定，成本低，使用频率较多，但吸附量较低，再生温度也相对较高，其吸附水汽时的会产生液解等问题，造成系统除湿能力下降。
Mohamed 发现二氧化硅的解吸对除湿性能影响较小。复合吸附材料不仅吸附量大、吸附/解吸速度快，而且具有良好的稳定性，是近年来固体除湿系统研究中应用最为广泛的材料，其主要分为硅胶基复合干燥剂、分子筛基复合干燥剂、碳基复合干燥剂、天然岩石基复合干燥剂和高分子复合干燥剂。
郑旭等对 Na +和 K +改性的聚丙烯酸聚合物、AC/LiCl 和 ACF/LiCl 的水蒸气平衡吸附性能和吸附动力学特性进行了测试研究，并与硅胶相对比，性能提升明显。他还把一系列吸附材料，在吸附温度为 20～30℃，相对压力为 0.4～0.7 的环境下，按平衡吸附量和再生温度不同进行区分。

表 3 所示为可以低温解吸的复合吸附材料的吸湿性能和再生温度等特性。

随着材料科学技术的发展, 一些新型材料如 MCM-41、SBA-15 分子筛、高分子聚合物等被用作基质来制备复合干燥剂，这些新型的复合固体吸附材料仍然存在不足，但在今后将成为复合干燥剂研究的热点。

使用液体吸附材料的全无霜空气源热泵在选用吸附材料时，需考虑选用热泵运行时泵耗较小、溶液的结晶温度适宜、比容大、性质稳定、低挥发、低腐蚀性、无毒和成本较低的材料，此外还需根据热泵使用环境的温度对材料进行进一步的筛选。目前使用液体吸附材料的无霜空气源热泵的吸附材料见表 4。

4 总结与展望

全无霜热泵系统具有良好应用前景，其开发与研究不断得到重视，本文针对全无霜空气源热泵系统及吸附除湿方法进行研究论述与分析。

根据所使用吸附剂的不同，可分为分成固体除湿型全无霜热泵和液体除湿型全无霜热泵，应用于不同环境与工况的系统中，固体除湿型全无霜空气源热泵主要应用于热泵热水器，而液体除湿技术可以保证送风质量，因此， 液体除湿型全无霜空气源热泵主要用于空调系统。

尽管参考文献已证明所提出的 无霜空气源热泵系统的 COP 高于常规空气源热泵系统的 COP，但为提升全无霜空气源热泵性能与适用性，仍有几个问题有待解决：

1）目前，主要由于吸附剂寿命、吸附量和解吸等问题，全无霜空气源热泵系统基本上处于理论和实验研究阶段，尚未实现工业应用，其经济性、推广性和长期运行的可靠性将来需要进一步的现场测试。

2）系统对吸附材料的要求较高，可以选用除湿性能强，能够在低温高湿环境下再生，使用寿命长的复合吸附材料或高分子吸附材料，并且吸附材料的再生方式需要进一步研究。

3）吸附材料与空气之间的传热传质较为复杂，但耦合除湿技术在近年来取得了长足的进步，并拥有广泛的应用领域，将来应结合耦合除湿技术和废热回收技术来进一步改进和推广这种无霜技术。进一步优化系统可以从以下几个方面打破：与太阳能耦合、回收室外空气的热量以及新型除湿装置的研发。

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