冷凝再热空气的不同方式比较研究

杨智，曹祥，邵亮亮，张春路

（同济大学机械与能源工程学院制冷与低温工程研究所，上海 201804）

冷凝再热空气的不同方式比较研究

杨智，曹祥，邵亮亮，张春路*

（同济大学机械与能源工程学院制冷与低温工程研究所，上海 201804）

在恒温恒湿空调系统中，为了节能环保、减少再热过程中的能量损失，提出利用制冷系统的冷凝热用于再热来代替电加热的方式。本文以此为基础，利用仿真平台对采用不同再热方式的各系统进行了系统建模与理想循环分析。通过对仿真结果的定性分析，得到了使用冷凝热再热的方式比过冷再热方式范围较广，但系统性能系数较低。

恒温恒湿；再热；冷凝热回收；节能

0 引言

恒温恒湿空调机组在许多行业特别是工业领域中广泛应用[1-2]，可满足生产工艺所需的温湿度要求。普通恒温恒湿机组是将新风和回风混合后的空气冷却至足够低的露点温度，再通过二次加热、加湿等手段分别处理，使其达到设定的温湿度。这种方法同时存在着冷却、加热、加湿的过程，无疑会引起巨大的能源浪费[3]。随着节能与环保的越发重要，如何在恒温恒湿空调工程中改用合理的空气处理方式，减少再热过程中的能源消耗就成为了一个十分重要的课题。

目前国内外学者为了降低再热过程中的能源消耗，提出用制冷剂的冷凝热量来代替电加热用于二次加热的方法。一般来说，空调冷凝热量是作为“废热”通过风冷或者水冷的方式直接排向环境，若能回收利用这部分热量用于再热除湿后的低温空气，一方面可以减少对环境的热污染，另一方面可以有效解决恒温恒湿空调系统的能耗过大的问题。在现有的回收冷凝热的系统中，根据再热器与冷凝器的相对位置不同，可分为并联式与串联式两种[3-7]，其本质均是主要利用制冷剂冷凝时的全热进行再热，且已存在实际的设计案例[8]。而对于压缩机出口处制冷剂过热蒸汽的“废热”利用，国内外的主要研究在于回收这部分热量对生活用水进行加热[8-12]，这部分热量同样也可以对低温低湿空气进行再热。另外，也有学者提出利用冷凝器出口处制冷剂由饱和状态到过冷状态所携带的显热对低温空气进行再热的方式，并已将其运用至超市的冷冻冷藏陈列柜上[13]。

利用制冷剂的热量进行再热，一方面虽可以有效降低能源的消耗，但同时也会局限于制冷剂所携带的热量多少，其再热量有限，因此可以处理的湿度范围也是有限的，且对于不同的再热方式，系统的能耗也会不尽相同。根据这一情况，本文以仿真软件[14-15]为平台进行系统的仿真优化，横向对比上述所提及的3种利用制冷剂再热方式的系统性能，探寻他们在相同负荷下除湿能力的范围，并与传统的利用电加热再热的系统进行对比，评判各系统的优劣，为实际设计选用空调系统提供理论依据。

1 系统原理与流程简图

为了方便理解记忆，本文所研究的恒温恒湿一次回风空调系统，根据其利用的再热热源不同，在后文中分别称其为电加热再热系统，过冷再热系统，冷凝再热系统以及过热再热系统。这些系统分别主要利用了电加热、制冷剂的过冷显热、制冷剂的冷凝全热、制冷剂的过热蒸汽进行再热。

对于电加热系统，相较于普通系统，仅仅多了一个电加热器用来加热蒸发器出口处的低温低湿空气，故在此不再赘述。

对于冷凝再热系统，其系统原理图如图1所示。从压缩机出来的制冷剂分为两路，一路进入冷凝器冷凝，另外一路进入再热器冷凝。再热器作为“第二冷凝器”，制冷剂在其中冷凝的同时再热空气。其中，进入再热器的制冷剂流量是根据系统所需的再热量来调整三通阀的开度决定的。

图1 冷凝再热系统原理图

对于过冷再热系统，其系统原理图如图2所示。从冷凝器中出来的饱和制冷剂液体部分先进入再热器进行过冷，并利用过冷时产生的热量来再热蒸发器出口处的空气，再和另一部分制冷剂汇合后共同进入膨胀阀。进入再热器的制冷剂流量大小与所需的再热量有关。

图2 过冷再热系统原理图

对于过热再热系统，其系统原理图如图3所示。从压缩机出来的过热制冷剂蒸汽部分先进入再热器，然后在再热器中冷却的同时再热空气。最后与另一部分制冷剂蒸汽汇合共同进入冷凝器。同样，进入再热器的制冷剂蒸汽流量大小也是根据所需再热量来调节。由于一部分制冷剂先冷凝，再与另一部分相混合，若系统所需再热量大时，可能会出现汇合后的制冷剂为两相的问题。

图3 过热再热系统原理图

2 物理模型与计算参数设定

物理模型主要包括蒸发器、冷凝器、再热器、压缩机、房间负荷模型5个部分。本文使用仿真软件为平台进行仿真模拟，以过冷再热系统为例，其在软件中的建模如图4所示。

其中为了排除蒸发器、冷凝器、压缩机本身能力对系统性能的影响，在本研究中均采用仿真软件所提供的理想化模型，即蒸发器、冷凝器的换热能力仅与其对应的蒸发温度Te和冷凝温度Tc有关，而与其换热器的大小无关；压缩机性能仅与其等熵效率η有关。压缩机吸气过热度Tsh按经验值选取。相关的设定参数如表1所示。

房间负荷模型初始设定参数如表2所示。蒸发器出口空气干球温度Tout与该系统的除湿量W成正比，即出口温度越低，除掉的湿负荷越多，再热至送风温度所需的再热量也就越多。由于理想蒸发器的蒸发温度为7.5 ℃，考虑空气与制冷剂存在换热温差，所以Tout最低取7.6 ℃。

图4 GREATLAB建立的过冷再热空调机组模型

表1 理想模型设定参数

表2 房间模型初始设定参数

再热器模型采用翅片管式换热器，换热管类型为螺旋强化管，翅片类型为铝制百叶窗片。

最后还需设置系统的过冷度Tsub。由于过冷再热系统利用过冷段作为再热源，所以过冷度的选取对于其可处理的范围以及系统的COP（Coefficient of performance）均有较大的影响。因此，在此将分别讨论选择各系统的过冷度。

1) 对于电加热再热系统，由于采用了理想化模型，无法优化求解出最佳过冷度。根据经验，此处设为5 K。

2) 对于过热再热系统，由于再热量是由制冷剂过热蒸汽提供，与过冷度的关联不大，为了比较方便，此处也设为5 K。

3) 对于过冷再热系统，由于其再热量由制冷剂的过冷显热提供，即把制冷剂从冷凝器出口状态冷却到过冷状态这个过程所获取的热量。因此过冷度的大小直接影响了再热量的大小，也就影响了系统可以处理湿负荷W的范围。因此，设置该系统过冷度为0 K。

4) 对于冷凝再热系统，其系统可处理的最大湿负荷Wmax随过冷度的变化如图5所示。可见随着过冷度的增加，系统最大可处理湿负荷呈增长趋势，但增幅不大，为了比较方便，该系统过冷度同样也设为5 K。

图5 可处理湿负荷随过冷度变化图

3 计算结果与分析

根据以上设置的参数，在仿真平台中，对以上几种利用不同再热源的系统进行变湿负荷计算，得到的结果与分析如下。

3.1 系统性能与蒸发器出口温度的关系

由于系统可处理的湿负荷能力W与蒸发器出口温度Tout成正比，蒸发器出口的温度范围就可以反映出系统除湿的能力大小。对于冷凝再热系统、电加热再热系统以及过热再热系统来说，由于其过冷度相同，仅再热方式不同。所以其系统性能随房间湿负荷变化的趋势是相同的，差别仅在于所处理的范围不同。因此，在此以过热再热系统为例，分析其系统性能与蒸发器出风温度的联系。系统COP随蒸发器出口温度的变化如图6所示。当房间湿负荷减小时，所需再热量减小，蒸发器出口的空气温度升高，系统所需制冷量减小，系统COP随之升高。

图6 过热再热系统性能随出口温度变化图

对于过冷再热系统，其系统性能随出口温度变化如图7所示。与上述3种再热系统不同，过冷再热系统的COP随着空气侧出风温度的升高而略微降低。这可能是因为，当需要处理的湿负荷变小，空气侧出风温度升高，所需要的再热量减小，系统过冷度降低。虽然所需要的系统制冷量减小，但过冷度的减小使系统单位制冷量也随之减小。两者共同作用下，系统COP反而略有下降。

图7 过冷再热系统性能随出口温度变化图

3.2 不同再热方式可处理湿负荷范围

上述恒温恒湿空调系统在相同温度不同再热方式下的可处理湿负荷范围与系统COP如表3所示。

其中，蒸发器出口空气温度的范围不同是由于再热方式的不同造成的。当采用电加热的形式时，无加热量的限制，因此出风温度最低可以接近蒸发温度，此时能处理的湿负荷最多；而使用冷凝再热和过冷再热这两种形式时，由于受到流向再热盘管的制冷剂流量的比例限制，其可提供的再热值是有限的，因此可处理湿负荷范围要窄于电加热再热的系统。把冷凝再热和过冷再热这两种再热形式进行对比，由于冷凝再热主要使用的是制冷剂的全热进行再热，而过冷再热使用的是制冷剂的显热进行再热，其所含再热量要低于冷凝再热，因此过冷再热的可处理湿负荷范围要窄于冷凝再热。对于过热再热系统，如理论分析一致，当蒸发器出口温度为8 ℃时（如图8），其冷凝器进口处的制冷剂已为两相，这会导致冷凝器分液不均，影响系统性能，因此该再热方式的工作极限范围就是在冷凝器进口干度x=1处。

对比4个系统在同样的出风温度范围内进行的系统性能，对比结果如图9所示。

表3 可处理湿负荷范围表

图8 过热再热系统冷凝器进口状态

图9 系统性能对比图（改进前）

3.3 过冷再热系统优化

以上结论可以看出，过冷再热系统处理范围有限，但COP较高。由于系统湿负荷处理范围与系统可提供的再热量多少有关，而过冷再热系统的再热量是由制冷剂过热段的显热所提供。为了增加可利用再热量，现考虑在过冷再热系统中，使冷凝器出口状态为两相状态，以此来增大系统可处理的范围。将冷凝器出口干度x设为0.05，与原系统对比如图10所示。

图10 系统性能对比图（改进后）

可以看出，当过冷再热系统的进口状态由过冷度0 K变为两相干度0.05时，蒸发器出口温度下限变低，即系统可处理湿负荷范围变大，但系统COP有一定幅度的下降。但在房间湿负荷不是很小时，系统性能仍优于冷凝再热系统和过热再热系统。

4 模型验证

为了验证理论结果的正确性，利用GREATLAB通用仿真平台设计并制作了一台采用冷凝再热的样机，样机实物如图11所示。

图11 样机内机结构图

样机性能的实验值与GREATLAB中的的仿真值对比如表4所示，表中前6行为实验/仿真设定参数。

表4 房间模型初始设定参数

将实验值与仿真值相对比，考虑到测量仪器还存在一定的测量误差，可以看出两者在系统高低压、蒸发器出口温度以及送风温度等关键参数上基本相符，从系统制冷量、功耗以及最后系统的COP来看，其最大误差也未超过3%，表明本文建立的系统模型计算出的结果是真实可靠的，不同再热系统之间对比的理论分析也是具有可信度的。

5 结论

在恒温恒湿空调系统中，为了节能环保，减少再热过程中的能量损失，提出利用空调机组制冷剂本身存在的“废热”进行再热的方式。本文利用仿真平台（通过实际测试验证了仿真平台模型的可靠性），对利用不同状态的制冷剂热量再热的系统进行了仿真模拟，并将其与传统恒温恒湿空调中所使用的电加热的再热方式进行对比，得到了以下结论。

使用电加热进行再热的系统COP最低，系统功耗最高，不满足节能的要求。但由于其加热量不受限制，在相同热负荷的情况下，可处理的湿负荷范围最广，可考虑在湿负荷波动较大且严格要求恒温恒湿的场景下使用。

使用制冷剂过冷段显热再热时，系统COP最高，但由于该部分显热热量较少，所以其可以处理的范围有限，适合湿负荷不太大的情况下使用；可以通过改变冷凝器出口的制冷剂状态来扩展其范围，但COP也会有相应的下降。总的来说，过冷再热系统由于其再热能力较弱因而使用范围有限。

使用制冷剂冷凝全热以及制冷剂过热蒸汽段进行再热的两个系统性能相仿，处理范围相同，但由于过热再热系统存在冷凝器进口制冷剂两相的问题，因此不推荐使用。在一般工程项目中，由于冷凝再热系统范围较广，COP适中，因此可以考虑用此方式代替电加热再热的方式而广泛使用。

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Investigation on Comparison of Different Methods of Supply Air Reheat Using Condenser Heat

YANG zhi, CAO Xiang, SHAO Liangliang, ZHANG Chunlu*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In the constant temperature and humidity air condition system, the condenser heat is used to reheat supply air instead of electric heating in order to reduce the energy consumption of reheating air, to save energy and to protect environment. Based on this heat recovery theory, system models are set up based on the simulation platform, and different parts of condenser heat for supply air reheating are numerically compared. Some meaningful conclusions for actual system design are achieved: the working range of condensing heat is wider than that of subcooling heat, while its coefficient of system performance is lower than the latter.

Constant temperature and humidity; Reheat; Condensing heat recovery; Energy saving

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.207

*张春路（1971-），男，教授，博士。研究方向：制冷系统仿真与控制。联系地址：上海市曹安公路4800号同济大学，邮编：201804。联系电话：13671825133。E-mail：chunlu.zhang@gmail.com。

本论文选自2016年第九届全国制冷空调新技术研讨会。