单元式空调机冷却除湿技术分析.pdf

第1 1 卷第 4期 2 0 1 1年 8月 剖垮 室 调 REFRI GERATI oN AND AI R CONDI TI oNI NG 单元式 空调机冷却 除湿技术分析 李丽芬陈旭 ( 英格索兰亚太工程技术中心) 摘要系统地介绍广泛应用于单元式空调机的冷却除湿技术。根据冷凝盘管再热技术在单元式空调机 应用方式的不同， 归纳 4 种代表性的方案， 并分析每种方案的性能和成本。最后针对这几种不同的设计方 案及应用 ， 分别提出不同的技术设计要点和注意事项。 关键词冷却除湿 ； 单元式空调机 ； 空调系统 Te c hn o l o g y a n a l y s i s o f c o o l i ng d e h u mi d i f i c a t i o n f o r u n i t a r y a i r c o n d i t i o ne r Li Li f e n Ch e n Xu ( I n g e r s o l l Ra n d En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Ce n t e r - As i a Pa c i f i c ) AB S T RACT I n t r o d u c e s s y s t e ma t i c a l l y s e v e r a l c o o l i n g h u mi d i f i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，wh i c h a r e wi d e l y a p p l i e d i n t o u n i t a r y a i r c o n d i t i o n e r s Ac c o r d i n g t o t h e d i f f e r e n t me t h o d s o f t h e r e h e a t t e c h n o l o g y o f c o i l s u s e d f o r u n i t a r y a i r c o n d i t i o n e r s ，s u ms u p f o u r r e p r e s e n t a t i v e s c he m e s，a n d a na l y z e s t he i r pe r f o r m a n c e a n d c o s t Fi na l l y p oi nt s o ut t he d i f f e r e nt r e qu i r e me n t s a n d a t t e n t i o n s o f d e s i g n a i mi n g a t t h e s e d i f f e r e n t s c h e me s KEY W ORDS c o o l i n g d e h u mi d i f i c a t i o n； u n i t a r y a i r c o n d i t i o n e r a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m 除了温度之外 ， 空气的相对 湿度是空调系统 的另一个重要调节 目标， 因为这不仅是人体生理 特 陛对空气舒适度的要求 ， 而且一些场所 ， 譬如实 验室、 厂房和仓库等对空气 的温度 和湿度也有一 定的要求 ， 否则会对仪器仪表 、 生产工艺过程 以及 物质的保存等造成严重 的影响。中国大部分地区 属于亚热带气候 ， 特别是长江流域及 以南地区， 夏 季多雨， 冬季潮湿， 对除湿技术的需求尤为突出_ 】 。 人类在生活水平提高 的同时 ， 对环境 的要求 越来越高 ， 而对绿色节能环保 的 日益重视， 也极大 地推动 了空气除湿技术的发展 。最近半个世纪 以 来 ， 除湿技术 已经发 展为一 门专 门的新技术L 2 。 传统的空调除湿技术， 根 据工作原理的不 同， 主要 有升温或通风除湿、 液体或固体吸湿剂 除湿 、 膜法 除湿和冷却除湿 4种。升温除湿会使空气温度升 高 ， 通常它只适用于对室温无要求 的场合 ； 通风除 湿不能保证室内湿度且只适用于室外空气较干燥 的地区； 液体吸湿剂除湿 的系统 ， 设备复杂， 投 资 高， 液体溶液还会腐蚀金属 ； 固体吸湿剂 的除湿性 能不太稳定 ， 并随时间的延长而性能下降， 而且须 再生， 耗能较高； 膜法除湿因其核心部件除湿膜技 术还不够成熟 ， 在 现 阶段 还存 在透湿 率低、 强度 差 、 成本高的缺点 ， 发展受到了限制。 空调系统 中的冷却 除湿技术 ， 由于应用广泛、 无须增加复杂 的整套独立 的除湿设备 ， 具 有与空 调系统紧密结合 、 节能环保等优点， 成为当前商用 空调研发制造企业尤为关注 的除湿技术热点。一 般的单元式空调机 ， 很容易通过增加盘管等部 件 来达到冷却除湿功能。因此 ， 除了上述优点之外 ， 还具有技术实现简单、 成本低等特点。 单元式空调机组的冷却除湿技术从原理上来 说并不复杂 ， 只须在原有单 元式空调机组蒸发器 的下风向增加一个盘管作为室内冷凝盘管并用管 路与系统相连接即可。高温高湿 的空气在蒸发器 内被冷却 、 析 出冷凝水 后， 变成低 温低 湿的空气， 这些低温低湿的空气 经过室内冷凝盘管时被重新 加热以补偿过冷 的温度 ， 从而达到实现 除湿并同 时调节空气温度 的效果 。这种除湿技术 的特点是 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 5 2 3 作者简介： 李丽芬 ， 硕士 ， 工程师 ， 研究方 向为制冷系统设计及部件应用。 第 4 期 李丽芬 等： 单元式空调机冷却除湿技术分析 回收制冷系统 的冷凝 热 ， 弥补空 气 中因为冷却 除 湿而散失的热量 ， 是一种高效节能的除湿方式 卅。 然而， 这种除湿技术有多种实现方法 ， 并且具有不 同的技术特点和技术难 点， 因此有 必要对 此加 以 系统 的分析对比， 进而提 出不 同的技术要求 ， 指导 系统的优化设计 ， 并得 出最佳控制方式。 1 单元 式 空调 机组 的主 要 除湿 技术 分类 笔者根据制冷剂流程 中室 内冷 凝盘 管、 室外 室外 冷 凝器 室外过 冷器 ( a )串联 型 冷凝器与室外 过冷 器连 接位 置和调 节方 式 的不 同 ， 将单 元 式 空调 机 组 的 除湿 技 术 归纳 为 串联 型 、 并联型 、 并 联调节 型 和复合 型等 4种 主要类 型 ， 图 1 ( a ) ( d ) 所示 分别是这 4种类型 的系统 原理图。图 中的点划线 框表示 其 框 内的部 件如 蒸发器 和室 内冷凝盘管位 于室 内机 中， 而其他部 件如压缩机 、 室外冷凝 器和室外过冷器位 于室外 机 中。 ( b )并联型 ( c ) 并联调节型 ( d ) 复合型 图 1 单元式 空调机组 的 4种除湿技 术原 理图 1 )串联型是指在 升温除湿模式 下 ， 室 内冷凝 盘管与室外冷凝器及 室外 过冷器 串联 ， 制 冷剂经 压缩机压缩后 ， 先经过室 内冷凝盘管散热 ， 再在室 外冷凝器和室外过冷器散热 ， 然后才进入膨胀阀； 2 )并联型是指在升温 除湿模式 下 ， 室 内冷凝 盘管和室外冷凝器及室外 过冷器并联 ， 与 串联型 相 比较其不同之处在于 ： 制冷剂经压缩机压缩后 ， 在室内冷凝盘管散热 ， 然后直接进入膨胀 阀， 不再 流 经室 外冷 凝器 和 室外 过冷 器 ； 3 )并联调节型在结构上 与并联 型基本一致 ， 都是在升温除湿模式下 ， 室 内冷凝盘 管与室外冷 凝器及室外过冷器并联 ， 但制冷剂经 压缩机压缩 后分成 2路 ， 一路在室外 冷凝器及室外过冷器散热 后进人膨胀 阀 ， 另一 路在室 内冷凝 盘管散热后进 1 6 剖痔 室 调 第1 1 卷 人膨胀阀； 4 )复合型是指在升温除湿模式下 ， 室 内冷凝 盘管与室外冷凝器并联但与室外过冷器 串联 ， 制 冷剂经压缩机压缩后 ， 先经过室 内冷凝盘管散热 ， 再在室外过冷器散热 ， 然后再进入膨胀阀 ， 制冷剂 不流经室外冷凝器 。 串联型 、 并联型和复合型这 3种都可以通过四 通换向阀的换 向实现升温除湿模式和降温除湿模 式( 即通常的空调制冷模式) 的转换。此 四通换 向 阀的结构 和一般 四通换 向阀结构无异 ， 连接和控 制的机制也与热泵机组上 的四通换 向阀类 似： 四 通换 向阀排气管和压缩机 出口相连 ， 四通换 向阀 室外机接管和室外冷凝器进 口相连 ， 四通换 向阀 室内机接管和室内冷凝 盘管进 口相连 ， 四通换 向 阀吸气管通过泄放管 和机组 的吸气 管连接 ， 泄放 管的作用在下文会描述 ； 降温除湿模式下 ， 四通换 向阀排气管和四通换 向阀室外机接 管相通， 其余 两接管相通 ； 升温除湿模式 下， 四通换 向阀排气管 和四通换向阀室内机接管相通 ， 其余两接管相通 。 并联调节型可以通过 1 个三通调节阀或 2个 比例调节阀的联动实现升温除湿模式和降温除湿 模式的转换及升温除湿模式的调温。如果使用 2 个比例调节 阀， 其调节 原理 如下 ： 降温 除湿模式 下， 室外冷凝器一侧 的比例调节 阀开度为 1 0 0 ， 而室内冷凝盘管一侧的比例调节 阀开度为 0 ； 升温 除湿模式下， 室 内冷凝盘管一侧的 比例调节 阀的 开度 由室内热负荷及设定 温度决定 ， 热负荷越高， 设定温度越低 ， 开度越小 ， 2个 比例调节阀的开度 相加为 1 0 0 。 2 四种除湿技术的性能及成本比较 如果将上述 4种除湿技术分别应用于同一台 单元式空调机组 ， 而且都运行在同一工况下 ， 它们 的除湿能力和经过室内冷凝盘管后空气 的温升会 有 差别 。 从制冷剂流程方面可知， 在升温除湿模式下 ， 串联型除湿方法 的冷凝 面积 比复合型 的大 ， 而复 合型的又比并联 型的大。因此 ， 在 同一 工况下 ， 3 种除湿方法 的冷凝温度对 比如下 ： 串联 型低 于复 合型 ， 复合型又低 于并联型。根据制冷原理 ， 冷凝 温度越低 ， 制冷 量越 大。而对 于空调机组 的除湿 能力而言 ， 制冷量越 大， 除湿能力越强。因此 ， 在 这 3种除湿方法 中， 串联型除湿技术的除湿能力最 强 ， 复合型次之， 并联型最小。并联调节型除湿技 术的冷凝面积在 4种除湿技术 中是最大的， 其除湿 能力也可 以是最大的 ， 但其冷凝温度会 随着制冷 剂分配量 的不 同而变化 ， 因此其除湿能力也是变 化的。当制冷剂的分配量使得室 内冷凝盘管和室 外冷凝器及室外过冷器的综 合冷凝温度最低时， 除湿能力最大。一般来说 ， 室 内冷凝盘管一侧 的 比例调解 阀开度 为 6 0 8 0 ， 综 合 冷凝 温度 最低 。 对于 串联型除湿技术 ， 室 内冷凝盘管作为一 个过热器 ， 流经它 的空气 只能 吸收 占制冷剂冷凝 热一小部分的显热 ， 温升最低 ； 对于复合型除湿技 术 ， 室内冷凝盘管作为一个冷凝器， 流经它 的空气 能吸收制冷剂的大部分冷凝热 ， 温升较 串联型高 ； 对于并联型除湿技术， 室 内冷凝盘管作为冷凝器 和过冷器 ， 理论上流经它的空气能 吸收所有制冷 剂 的冷凝 热， 温 升最高 ； 对 于并联 调节型 除湿技 术 ， 室内冷凝盘管与室外冷 凝器及室外过冷器并 联 ， 比例调节 阀控制室内冷凝 盘管和室外冷凝器 及室外过冷器 的制冷剂分配量 ， 因此流经它的空 气吸收冷凝热 的能力可 以调节 ， 因而温升可低可 高。理论上经过室内冷凝盘管 的制冷剂量可 以是 0 1 0 0 ， 但 由于 回油及制冷剂储存 等因素的 影响 ， 实际经过室 内冷凝盘管制冷剂 的调节 范围 达不到 0 1 0 0 。因此 ， 在 实际应用中并联调 节型除湿技术 的温 升会 略低于并 联型 的。串联 型、 复合型和并联型除湿技术， 其出风温度不能调 节 ， 要么最高 ， 要么最低 ， 最 高和最低之间就是 出 风温度无法覆盖 的调温盲 区； 并联 调节型除湿技 术 ， 可在一定范围内连续精确调节 出风温度 ， 达到 减少除湿机出风温度“ 调温盲区” 的效果_ 6 。 串联型除湿设计 ， 至少需要 1 个单 向阀 ， 还须 考虑是否需要一个储液器以平衡降温除湿模式和 升温除湿模 式制冷剂充注量 的不 同， 如果需要储 液器 ， 会提高成本 ， 管路设计 复杂， 而且增加制冷 剂泄漏的可能性 ； 复合型除湿设计 ， 需要 2个单 向 阀， 不需要储 液器， 成本较 串联 型低 ； 并联型 除湿 设计 ， 只需要 2 个单向阀， 成本和复合型相 当； 并联 调节型除湿设计 ， 需要 1个单向阀， 1 个 三通调节 阀或 2个 比例调节阀， 1个电磁阀， 成本最高 ， 但能 够部分调节出风温度 ， 更好满足客户的需求。 由上文可知 ， 4种除湿技术在 除湿 能力、 经过 室内冷凝 盘管空气 的温 升、 温升是否可部分 连续 调节及成本这 4个 方面 ， 都有 较大 的不 同( 见表 第 4期 李丽芬 等 ： 单元式空调机冷却除湿技术分析 1 ) ， 应该 以除湿 环境具体工艺要 求选择应用 于单 元式空调机 的除湿技术 ， 以实现对 室 内湿 度及温 度波动范围的合理控制。 表 1 四种除湿技 术的除湿 能力 、 空气温升 、 出风温 度及成本 比较 3 四种除湿技术的设计要点分析 1 )制冷剂充注管理 由于升温除湿模式和 降温 除湿模式所需要 的 制冷剂充注量可能不 同， 要在系统 中考虑 多余制 冷剂 的储 存。在 串联型 除湿设 计 中， 在升 温除湿 模式下 ， 制冷剂还要流经室 内冷凝盘管 ， 因而升温 除湿模式需要的制冷剂 多于降温除 湿模式 ， 这一 问题可以通过在室外冷凝器和室外过冷器 问加入 储液器来解决 ； 在复合型除湿设计 中， 如果室 内冷 凝盘管和室外冷凝器 的大小相差不 大 ， 可 以不装 储液器 ； 在并联型除湿设计 中， 室内冷凝盘管 的工 作温度一般低于室外冷凝 器和室外过冷器 的工作 温度 ， 设计 的室 内冷凝盘管 的换 热面积会 小于室 外冷凝器及 室外过冷器 的， 从而导 致其铜 管 内容 积一般小于室外冷凝器及 室外过冷器 的铜管 内容 积 ， 因而在升温 除湿模 式下需要 的制冷剂 一般少 于降温除湿模式下 的， 可 以在室 内冷凝盘 管及单 向阀后加储液器 ； 但更好 的方法是如图 1 ( b ) 所示 ， 将单 向阀装 在室外冷凝器 和室外过 冷器 中间， 室 外过冷器作 为升温除湿模式 下 的储 液器 ； 并 联调 节型除湿机 ， 按照 略高于相 同型号但 没有并 联调 节除湿功能的空调机充 注量 进行充 注 即可 ， 在升 温除湿模式 下， 室外冷凝 器一侧 的 比例调解 阀最 好不要全关 ， 这样室外 冷凝器和室 外过冷器 可 以 一 直工作 ， 不用考虑制冷剂过多 的问题 ， 所 以无须 增加储液器。但需 要注意 的是 ， 当室外 冷凝 器一 侧的比例调解 阀开度较小 ， 而且冷 凝风机 的转速 不变， 环境温度降低 时， 冷凝 温度也 随之降低 ， 可 能会有较多的制冷剂存 留在室外冷凝器 和室外过 冷器内， 这样系统有可能缺液。所 以， 最好不要让 这个 比例调解 阀开度 太小 ， 同时冷凝风 机有有级 或无级调速 ， 以维持一定 的冷凝温度。同样 ， 若 室 内冷凝盘管一侧 的比例调解 阀开度较小 ， 当蒸 发 温度低时 ， 也可能有较 多 的制冷剂存 留在室 内冷 凝盘管 。一般来说 ， 室 内外冷凝盘 管 内容积 比例 的差别越大 ， 在 比例调 解 阀开度小 时制冷剂越 容 易存 留在盘管中。 2 )制冷剂抽空 在升温 除湿模式 下 ， 室外冷凝 器和室外过冷 器可能不工作 ； 在 降温除湿模 式下， 室 内冷凝盘管 不工作 。这些不工作 的部件会储存一些制冷剂和 润滑油 ， 如果不及 时泄放到系统里 ， 机组可能会缺 制冷剂和润滑油 ， 从而影 响系统 的性能和可靠性 。 如图 1 所示 ， 对 串联型 、 复合型及并联型除湿技术 ， 用管子连接 四通换 向阀吸气 接管和 系统 吸气管 ， 即可及时泄放不工作部件 中的制冷剂和润滑油到 系统 内； 对并联调节型除湿 ， 可 以在室 内冷凝盘管 和单 向阀之间接一管子 到系统吸气管 ， 管子上装 一 个 电磁阀， 在降温除湿模式下 电磁阀打开 ， 即可 泄放室内冷凝盘管中的制冷剂和润滑油到系统 内。 注意泄放管的直径不能太大也不能太小 ： 太大 ， 容易 造成太多液体瞬问回流压缩机产生液击 ； 太小 ， 制冷 剂回流过慢有可能造成系统缺制冷剂和润滑油 。一 般来说， 盘管的压力等于或接近吸气管压力即说 明 盘管 中的制冷剂已排空 ， 如果 1 2 mi n内能排空， 则泄放管的直径适合 。泄放管与 吸气管的接头要 在膨胀阀感温包下游 ， 不能影响膨胀 阀的动作 ， 也 不能距离压缩机太近， 以免出现液击。 3 )清除周期 在机组运行 过程 中， 即使 有 泄放 管 ， 润 滑油 也不容易排 出而积 聚在 不工作 的部件 中。另 外 ， 四通换 向 阀、 单 向阀 和 比例 调节 阀有 轻 微泄 漏 时 ， 润滑 油 和制 冷 剂也 会 积 聚在 不 工 作 的部 件 中， 这样会对 压缩 机产 生影 响， 所 以最好 有 清除 周期的控制设定 。对于 串联 型、 复合型及 并联型 除湿技术 ， 可 以在 机组 累计运 行一 段 时间后 ， 切 换当前 的运行模式 ， 如从升温 除湿模式 切换到 降 温除湿模 式或 从 降温除湿 模式切 换 到升温 除湿 模 式 ， 运 行 几 分钟后 再 切 换 回原 来 的模式 ； 对 于并 联调节型除湿 ， 可 以在机组累计运行一段 时间后 ， 改变当前 的运 行模 式到 比例调 节 阀开度适 中如 5 0 9 6 的升温 除湿模 式 ， 然后在运行几 分钟后切换 回原来的模式 。 4 )阀泄漏 保 护 四通 换 向 阀 、 单 向 阀 和 比例 调 节 阀有 可 能 泄 捌垮 室 谰 第1 1 卷 漏 ， 使不工作 的室外冷凝器和室外过冷器或 室内 冷凝盘管瞬间储存过多制冷剂 ， 此时若清 除周期 未到 ， 压缩机很可能因为缺乏制冷剂 以及润滑油 而损害， 可以在系统 中设计 比常规低压保护更高 的延时低压保护 ， 或排气压力保护 ， 或吸气过热度 保护， 或它们的任意组合 。 4 结论 单元式空调机组很容易通过增加盘管等部件 来实现冷却除湿功能， 具有技术实现简单 、 成本低 等特点。笔者根据单元式空调机组 的系统设计实 践， 总结了单元式空调机组除湿技术 的4种主要类 型， 即串联 型、 并联型、 并联调节型和复合型 。然 后对这 4种类型的技术特点 、 性能、 成本 、 设计要点 及注意事项等方面进行了分析 。在这 4种类型中， 串联型的除湿能力大 ， 成本 较高， 温升最低 ； 复合 型的除湿能力较 串联型的小 ， 成本低， 温升 比串联 型高 ； 并联型 在成本方 面和 复合型 相 当， 温升最 高， 但除湿能力较串联型及复合型都小； 并联调节 型除湿能力最 大， 成本最高 ， 最 大温升较高 ， 可以 实现部分除湿能力 和出风温度调节 。应该根据 除 湿环境具体工艺要求选择应用于单元式空调机 的 除湿技术 ， 以实现对 室内湿度及 温度 波动范 围的 合理控制。 在对单元式空调机进行 除湿功能设计时 ， 有 如下几个方 面的要点需要特别注意 ： 升温除湿 和降温除湿 2种模式需要 的制冷剂充注量一般有 差异 ， 要考虑多余制冷剂的储存 ； 解决不工作部 件中制冷剂和油存留问题 ， 以保护压缩机 ； 考虑 四通换向阀、 单 向阀和 比例调节 阀可 能泄漏 时造 成的影 响， 可以在系统 中设计一些保护 。 参 考 文 献 E l i 张立志 除湿技术E m 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 4 2 赵伟杰， 张立志， 裴丽霞 新型除湿技术的研究进展 I J 化工进展 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 1 1 ) ： 1 7 1 0 1 7 1 8 3 朱冬生， 剧霏， 李鑫， 等 除湿器的研究进展 J 。 暖通 空 调 ， 2 0 0 7， 3 5 ( 4 ) ： 3 5 - 4 0 4 邵双全 ， 石文星 ， 李先庭 ， 等 低 温除湿调 温热泵 机组 技术现状分析 J 制冷与空调， 2 0 0 3 ， 3 ( 6 ) ： 1 6 1 9 E s C h o u S K， C h u a K J ， Ho J C， e t