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基于储湿换热器的温湿度弱关联控制空调系统能效较传统空调提高近一倍——Nature出版集团旗下的Scientific Reports发表制冷所研究成果
发布时间:【2017-1-13】
    机械动力学院制冷与低温工程研究所王如竹教授团队日前取得一项重要研究成果,提出一种创新空调设计理念,将干燥剂除湿与蒸汽压缩制冷进行有机结合,在不增加空调系统体积并保证送风舒适性的前提下,让普通家用空调的能效提高一倍。该研究成果有望对未来的空调行业产生重要影响,相关论文已经在Nature出版集团旗下的Scientific Reports上在线发表(www.nature.com/articles/srep40437),相关研究已申请国际国内发明专利。   

    这项研究提出了一个设计高效换热器的思路,将干燥剂直接喷涂到传统热泵空调换热器的表面上,形成所谓的储湿换热器。蒸发器一边利用干燥剂除湿,一边利用制冷剂降温,使得空调的出风直接满足舒适性送风的要求,打破了传统空调先对空气深度冷却除湿后再加热的模式。如此一来,既降低了空调系统的制冷蒸发器热负荷,又将蒸发温度从传统空调的5-7℃提升至10-15℃。当干燥剂接近吸附饱和时,蒸发器切换为冷凝器,同时冷凝器变为蒸发器。制冷剂的冷凝热可用于干燥剂再生,实现了部分冷凝废热的资源化利用;另一方面干燥剂内的水解吸可增强冷凝器空气侧的散热能力,从而有利于冷凝温度从传统的50-55℃降至40-45℃,进一步提高空调能效。新型空调器的能效及舒适性得以大幅提升,解决了长久以来困扰空调设计的这对矛盾。

    科研团队利用长期以来在除湿材料方面的研究积累,提出了一种新型的复合干燥剂设计方法,将吸湿盐封装进普通介孔干燥剂的孔隙中,从而将溶液吸收与吸附相结合,使其能够在30℃的温差下实现吸湿与再生。这样不仅能够显著提高固体干燥剂的吸水能力(尤其是吸湿速率),而且可避免盐溶液与金属换热器的直接接触,从而规避了困扰溶液除湿的腐蚀问题。通过合理控制复合干燥剂中的含盐量以及运行条件,避免干燥剂吸湿过量,保证换热器表面始终处于干燥状态,轻易解决了盐溶液泄露或者出风带液的问题。另外,由于盐溶液冰点温度较低,冬天采暖时,有望实现无霜热泵。同时该团队还开发了一套将溶液浸渍与静电喷涂相结合的换热器涂覆工艺,实现干燥剂涂层在换热器的表面原位合成,降低了储湿换热器的生产成本及制造难度。 

    这项研究根据储湿换热器的热质传递特性,提出了一种新颖的空气调节概念——温湿度弱关联控制,即空调的送风温度和湿度可以在同一个换热器上进行独立控制:首先调节蒸发温度来控制送风温度,通过调节干燥剂吸湿过程的持续时间来控制送风含湿量。相比于传统的冷却除湿,温湿度弱关联控制更加灵活和高效地适应房间负荷水平的变化,并始终维持室内的热舒适性;只需要一套空调系统即可处理全部空调热湿负荷,与温湿度独立控制的系统相比,其体积紧凑,而且造价更低。

    根据以上设计思想,这项研究试制了一台干燥剂增强型直膨式热泵空调器,采用两个同样规格的储湿换热器分别用作蒸发器和冷凝器。实验结果表明,在典型夏季空调工况下,该新型空调器的系统能效比可达6.20,如果不计入风机功耗,其循环能效比高达7.14。
供稿:【制冷与低温工程研究所】
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