全无霜空气源热泵系统及吸附式除湿方法

高 森， 赵兆瑞*， 陈 曦

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

空气源热泵装置可以将空气中的低品位热能转换成生活和工作所需要的高品位热能，并且高效无污染，使用成本低，可以充分利用可再生能源[1-2]。在中国的能源政策和环境因素下，空间供暖和热水供应方式正逐渐从传统的小型燃煤锅炉和散煤燃烧等方式转变为清洁供热系统，空气源热泵正是其中一种，因此空气源热泵在我国受到极大的推广，尤其在长江流域及华南地区得到迅速发展[3-5]。

空气源热泵尽管优点众多，但是受环境的影响较大，尤其是在冬季。在低温高湿环境下运行时（－12.8℃≤环境温度≤5.8℃，相对湿度≥67%）[6]，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。

为解决上述问题，前人进行了两个方向的研究，传统的方法就是在室外换热器结霜后进行除霜，如电除霜、逆循环除霜、热气旁通除霜和超声波除霜等，但是在结霜-除霜循环中，结霜时间占运行时间的80%以上，并且普遍存在除霜不均匀等现象，这不仅导致系统能耗升高，而且影响室内环境舒适性[7-11]。而近年提出的全无霜热泵方法，则利用吸附式除湿技术对空气进行干预，降低空气湿度，防止室外换热器发生结霜。这种全无霜空气源热泵系统得到了越来越多的关注[12-19]。张毅等[1]着重介绍了全无霜空气源热泵整个系统的运行过程，而沈九兵[6]主要对热泵无霜化的原理进行了介绍。

本文对全无霜空气源热泵系统进行阐述，介绍国内外的全无霜空气源热泵技术的研究成果，概述这些系统的原理，尤其是所应用的吸附式除湿原理及方法，着重介绍常见的除湿吸附材料和使用装置，最后对全无霜空气源热泵系统目前仍存在的问题提出看法。

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[20-21]。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。

表1 全无霜空气源热泵系统研究进展

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[22-24]。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[13]。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。

图1 一种全无霜空气源热泵系统

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[14]。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[15]。

图2 带真空压缩装置的全无霜空气源热泵

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[25-27]。

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[16]。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。

图3 全无霜空气源热泵热水器

Wang 等[17-19]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。

图4 带蓄热器的全无霜空气源热泵热水器

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。

图5 无霜空气源热泵随温度变化的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。葛天舒等[28]搭建了由太阳能驱动的自冷式除湿系统，该除湿系统在中、高湿度区有良好的性能。Hua 等[29]研究了将吸附除湿系统与传统蒸汽压缩制冷技术结合的系统，利用废热进行除湿系统再生。全无霜空气源热泵系统中也可利用上述技术，从而提高系统的性能。

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[32]。

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。许多种液体式吸附除湿系统形式被提出，如填料式、降膜式、超声雾化式等[33-37]，并且在不同溶液、空气入口参数状态下对上述各系统的研究。而固体吸附式除湿的除湿装置可以分为三类：转轮除湿装置，固定床除湿装置和除湿换热器[38-42]。近年来国内外学者对吸附除湿装置的研究结果见表2。

表2 吸附除湿装置国内外研究结果

2.1 液体吸附式除湿装置研究

殷勇高等[33]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[34]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[37]。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[38]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[41]。Sun 等[42]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%。

图6 除湿换热器

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[26,30-31]。

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[43]。

刘林等[44]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。而Mohamed发现二氧化硅的解吸对除湿性能影响较小[45]。

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[46]。

郑旭等[47-49]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。

表3 复合吸附材料特性

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[56-57]，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[22]。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[32]。

表4 液体吸附材料介绍

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。