带有再热除湿功能的房间空调器的设计研究

陆东铭 卢云

上海三菱电机·上菱空调机电器有限公司 上海 200135

1 引言

中国很多地区雨水充沛，有些地区甚至全年潮湿，例如：华南、华中、西南地区，全年湿度偏高，华东地区春夏，特别是5、6月份的梅雨季节更是闷热潮湿，十分难熬。还有华北及其他沿海地区也同样受到湿度过高的困扰。但目前家用空调对于湿度调节方面的关注较少，相关的空调标准也没有对除湿方面的指标规定和考核，大部分的家用空调厂家都把设计重点放在对温度的调节上，绝大部分家用空调都只具备简单的弱制冷除湿功能，不能对湿度进行自由调节。在环境温度较低的高湿度条件下，这种除湿方式会因为吹出的风太冷而无法使用，无法满足环境温度较低时的除湿需求。

在此背景下，本公司研究开发了带有再热除湿功能的房间空调器，能在降低湿度的同时，维持温度基本不变，即使在宽气候环境温度下也能使用。本文从理论上阐述了温度维持不变的除湿的必要性，对比了弱制冷除湿和再热除湿的工作原理与优缺点，介绍了再热除湿的制冷回路和控制思路，并给出了实机验证数据。

2 温度维持不变的除湿的必要性

体感温度的影响因子主要有气温、风速、空气湿度、太阳辐射和着装。其中空气湿度对体感温度的影响在特定条件下比较明显。当环境温度较高时，湿度增大会影响人体排汗，从而加剧人体对热的感觉。在低温条件下，高湿会使人感觉阴冷，从而加剧人的不适感。而高温低湿的环境，则会使人产生燥热的不适感。由于男女差异、年龄差异以及运动量的差异，人们的体感温度也会有差异，怕热者和怕冷者分别在相对湿度为75%和50%时的体感温度舒适区间如图1和图2所示。

在湿度高的场合，怕热者和怕冷者感到舒适的温度区间是不一样的，如果按照怕热者的舒适温度来设定房间温度的话，怕冷者会感到太冷。在湿度低的场合，即使房间温度高一些，也会感到舒适。因此存在怕热者和怕冷者同时感到舒适的区间。由此可见，维持温度不变、只降低湿度的除湿方式是很有必要的。

3 再热除湿方式的研究

3.1 弱制冷除湿的工作原理和优缺点

目前市场上的房间空调器一般都带有除湿功能，但大多采用的是弱制冷除湿方式（又称作电子除湿方式）。弱制冷除湿的工作原理如图3所示，将空调的室内热交换器作为蒸发器，使其温度降到空气的露点温度以下，让空气中的水凝结到室内热交换器上并排出，从而达到除湿的目的。制冷势必会引起空气温度的下降，导致人感到太冷、不舒适，因此为避免温度下降过多，只能采取开开停停的方式，被称作弱制冷。

弱制冷除湿的优点是消费电力低，回路构成简单和价格便宜；缺点是尽管湿度下降了，但温度也下降了，导致吹出的风偏冷，舒适性差。在环境温度低时，由于吹出的风太冷而无法使用，无法满足低环境温度下的除湿需求。另外由于频繁开停，除湿量有限，即湿度不容易下降。

3.2 再热除湿方式的研究

鉴于弱制冷除湿方式在除湿的同时温度也随之下降，无法满足前述的温度不变只下降湿度的需求。因此我们研究了再热除湿方式，即可实现温度基本维持不变的除湿。

3.2.1 再热除湿方式的工作原理

再热除湿的工作原理如图4所示，将室内热交换器分为两部分，一部分作为蒸发器，用来制冷以除湿；另一部分作为冷凝器，用来制热，将冷却的空气加热后送出。这样能在降低湿度的同时、维持温度的基本不变，在宽气候环境温度下也能使用。

3.2.2 再热除湿的制冷系统回路

通常的弱制冷除湿的制冷系统回路如图5所示，我们设计的再热除湿的制冷系统回路如图6所示。

如图6所示，我们在再热除湿的制冷系统中，在室内热交换器的回路中间增设了一个节流阀。节流装置的动作如下：

（1）再热除湿运转时

A. 室外的节流装置不节流，高温高压的制冷剂直接流进室内机→室外的节流装置采用电子膨胀阀，设定为全开。

B. 室内热交换器的回路中间的节流装置进行节流，该节流装置上游的室内热交换器部分为冷凝器，该节流装置下游的室内热交换器部分为蒸发器。

（2）通常的制冷、制热运转时，将室内侧的节流装置全开，通过室外的节流装置进行节流减压。

再热除湿的压焓图和空气线图如图7、图8所示。

3.3 再热除湿的控制思路

通过调整室外风量、压缩机频率、室内风量、室内节流量和室外节流量等变量，相关参数在压焓图上的变动如图9所示。为了简化控制，我们只对影响大的变量进行调节：

（1）室内侧节流，室外侧不节流；

（2）由于室内风量受用户的喜好影响，设定权应交给用户，因此不作为变量调节；

（3）通过调整室外侧风量来调整室外冷凝能力，从而间接调整室内侧的冷凝能力，以调整显热能力和吹出温度；

（4）通过调整压缩机的频率来调整潜热能力、控制除湿量；

（5）通过设置湿度传感器，对湿度进行显示和控制。

3.4 实机研制及对比测试结果

3.4.1 再热除湿时室内冷凝器部分与蒸发器部分的划分

图1 湿度75%的舒适区间

图2 湿度50%的舒适区间

图3弱制冷除湿的工作原理

图4 再热除湿的工作原理

图5 弱制冷除湿制冷系统回路

图6 再热除湿制冷系统回路

图7 再热除湿的压焓图

图9 压焓图

我们研制了某1.5匹挂壁机，该机组室内冷凝器部分和蒸发器部分的划分如图4所示。节流装置配置在室内冷凝器部分和蒸发器部分之间。配置时，要注意避免蒸发器上的凝结水下滴到冷凝器上引起水分的再次蒸发。关于节流装置的位置如何设置最佳，即室内冷凝器部分和蒸发器部分如何配比最佳，今后还需要进行更深入的研究。

表1 弱制冷除湿和再热除湿下某1.5匹挂壁机的参数

图8 再热除湿的空气线图

3.4.2 关于除湿量的比较

我们对比测试了某1.5匹挂壁机分别在弱制冷除湿和再热除湿下的参数，测试结果如表1所示。

从表1可以看出，在同等初始室内工况条件（室温21.0℃/相对湿度90%）、同等室外工况条件（24.0℃）和同等运转时间（2Hr）下，弱制冷除湿时室温下降较多，但相对湿度并没有下降多少，且吹出温度低，人会感到太冷。而再热除湿方式则能维持室温基本不变，相对湿度得到了有效下降，吹出温度明显比弱制冷温和舒适，除湿量比弱制冷提高了约39%。

3.4.3 关于相对湿度、室温及耗电量的比较

我们对比测试了某1.5匹挂壁机在弱制冷除湿和再热除湿下运转200分钟左右的相对湿度、室温及耗电量，测试结果如图10、图11所示。两种运转模式的试验工况条件相同，均为：室内房间初始温度为30℃，初始相对湿度为70%，室外环境温度为29℃。

如图10所示，开机时先运行通常的制冷运转，设定温度24℃，约10分钟后房间温度达到24℃后转为弱制冷除湿运转，压缩机开开停停，整个运转过程中直至试验结束（运行187分钟后），室温基本能维持在24℃，但相对湿度一直在70%附近波动，没有下降。累计耗电量约600W•h。

图10弱制冷除湿模式

图11 再热除湿模式

如图11所示，开机即按再热除湿模式运转，设定温度24℃，设定湿度40%，约运转20分钟后，房间温度达到设定温度24℃，之后室温一直维持在24℃左右，约60分钟后，压缩机维持低频运转，在约140分钟时，相对湿度达到设定的40%，之后一直维持在该湿度直至停止试验，在与如图10所示的弱制冷运转相同的运转时长187分钟时，累计耗电量约850W•h，比弱制冷提高约40%。但是弱制冷运转时，相对湿度无法降低，无法满足使用需求，因此再热除湿时累计耗电量的提高是合理的。

3.5 再热除湿的优缺点

再热除湿的优点是在一定程度上可以实现温度和湿度的自由控制，除湿量大（湿度容易下降），可以实现温度基本不变的除湿，体感舒适。再热除湿的缺点是相对弱制冷来说，消费电力略高；回路构成较复杂、价格较高。

4 结论

本文论述了再热除湿的工作原理、制冷剂回路、压焓图、空气线图、控制思路、实机验证和优缺点等诸多方面。结论如下：

（1）通过对室内蒸发器的分割，可同时提供对空气加热和除湿的功能。利用增设的室内电子膨胀阀和室外节流装置配合，实现制冷、制热和再热除湿功能。

（2）通过对电子膨胀阀开度、室外换热量、压缩机频率的调整，可以对除湿量和降温量进行精确的调整，除湿能力远大于目前使用的弱制冷除湿方式。