CN105757836B - 基于除湿换热器的再生除湿热泵系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于除湿换热器的再生除湿热泵系统，包括蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀、除湿换热器、表冷器、第一水泵和第二水泵；其中所述除湿换热器包括除湿冷却器和除湿再生器；还包括5股同时运行的工质，包括1股制冷剂流程、2股水流程和2股空气流程；2股水流程包括除湿冷水流程和再生热水流程；2股空气流程包括被处理空气流程和再生空气流程。本发明通过热泵系统的蒸发器和冷凝器分别同时驱动两个除湿换热器的除湿过程和再生过程，产生干燥新风，并通过调控除湿换热器和表冷器实现湿、热负荷的独立处理，以及温湿度的精确控制，节能环保，体积小、成本低。

Description

基于除湿换热器的再生除湿热泵系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及制冷空调技术领域，尤其涉及一种基于除湿换热器的再生除湿热泵系统及其运行方法。

背景技术

目前，传统热泵空调系统是空调应用的主流，但传统热泵空调系统仍存在诸多不足。在夏季制冷工况下，为满足湿度要求，通过冷凝除湿降低空气的温湿度再通过加热升温到所需送风温度，造成能源利用品位上的浪费，限制了系统COP。同时凝结水的形成使空调内容易滋生细菌，影响室内空气质量。在冬季制热工况下，室内外空气湿度普遍较低，传统热泵空调系统只能实现对空气增温，而无法提供加湿，需要另外配置电加湿装置，这进一步增大的了能耗，同时影响了室内的热舒适性。

经对现有技术的公开文献检索发现，目前热泵空调系统难以同时兼顾热湿独立控制和冬夏两用的要求，例如中国专利号为201410326312.1的“热泵驱动的膜式新风溶液除湿空调系统及方法”，该系统只能满足夏季工况，不能在冬季供热，此外采用溶液除湿方法产生干燥新风，溶液除湿所使用的溶液会腐蚀金属，同时产生的飞沫会对空气质量造成影响。而中国专利申请号为201110327508.9的“一种温湿度独立控制的新风分体式空调系统”虽然满足了夏季供冷冬季供暖，但仍是同时处理空气的显热和潜热，造成能源浪费。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现湿热独立控制的基于除湿换热器的再生除湿热泵系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于除湿换热器的再生除湿热泵系统，包括蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀、除湿换热器、表冷器、第一水泵和第二水泵；其中除湿换热器包括除湿冷却器和除湿再生器；

基于除湿换热器的再生除湿热泵系统还包括5股同时运行的工质，5股同时运行的工质包括1股制冷剂流程、2股水流程和2股空气流程；2股水流程包括除湿冷水流程和再生热水流程；2股空气流程包括被处理空气流程和再生空气流程；

制冷剂流程侧的连接方式为：压缩机的出口与冷凝器的进口相连，冷凝器的出口与节流阀的进口相连，节流阀的出口与蒸发器的进口相连，蒸发器的出口与压缩机的进口相连；

除湿冷水流程侧的连接方式为：蒸发器与第一水泵连接，使得从蒸发器的水侧出口出来的冷却水通过相应的水路进入第一水泵的入口，第一水泵的出口与表冷器的水侧入口相连，表冷器的出口与除湿冷却器的入口相连，除湿冷却器的出口与蒸发器的水侧入口相连；

再生热水流程侧的连接方式为：冷凝器与第二水泵连接，使得从冷凝器的水侧出口出来的热水通过相应的水路进入第二水泵的入口，第二水泵的出口与除湿再生器的入口相连，除湿再生器的出口与冷凝器的水侧入口相连；

被处理空气流程侧的连接方式为：被处理空气与除湿冷却器的空气表面通过相应的风道相连，经过除湿冷却器的空气表面除湿过程的低湿空气通过相应的风道送入表冷器的入口，经过表冷器冷却降温的空气在相应的风机的驱动下由送风口进入被调空间；

再生空气流程侧的连接方式为：再生空气与除湿再生器的空气表面通过相应的风道相连，经过除湿再生器的空气表面成为高温高湿空气，高温高湿空气在相应的风机的驱动下被排入外部空间。

进一步地，除湿换热器是通过将固体除湿材料附着到传统的单独进行显热交换的翅片管式换热器表面制成。

进一步地，通过涂覆于翅片管式换热器外表面的固体干燥剂对水蒸气的吸附作用处理空气中的潜热负荷实现除湿，同时通过翅片管式换热器内冷却水带走吸附热以促进除湿过程，并降低被处理空气的温度，实现潜热和显热的处理，降低能耗。

进一步地，基于除湿换热器的再生除湿热泵系统还包括三通风阀和三通水阀，通过三通风阀和三通水阀的切换使得再生除湿热泵系统具有两种运行模式，从而能够实现除湿冷却器和除湿再生器的功能的平稳切换过渡，保证系统能够产生连续的除湿降温效果。

本发明还提供了一种上述基于除湿换热器的再生除湿热泵系统的运行方法，包括除湿冷却器的除湿冷却方法和除湿再生器的加热解吸方法；

其中，除湿冷却器的除湿冷却方法包括：

(1)被处理空气经过除湿冷却器表面，被除湿冷却器上附着的固体除湿材料吸湿，并产生吸附热；(2)除湿冷却器的内部流动的由蒸发器提供的冷却水带走吸附热，使自身温度升高，促进吸附过程的进行，实现被处理空气的潜热负荷处理；(3)被处理空气流经除湿冷却器的空气表面后，温度和湿度降低，湿负荷通过固体除湿材料对水蒸气的吸附作用被处理，热负荷通过除湿冷却器的内部冷却水被带走；

除湿再生器的加热解吸方法包括：

(1)除湿再生器的表面附着的固体除湿材料在冷凝器提供的再生热水的加热作用下进行再生；(2)除湿再生器的内部流动的再生热水温度降低，释放再生过程所需的热量；(3)再生空气流经除湿再生器的空气表面后，温度和湿度升高，湿负荷来自除湿再生器的表面附着的固体除湿材料中所吸附的水，热负荷来自再生热水。

进一步地，在基于除湿换热器的再生除湿热泵系统的运行方法中，除湿冷却器的除湿冷却过程和除湿再生器的加热解吸过程在系统运行时分别在除湿冷却器和除湿再生器侧同时进行，并按周期交替。

与现有技术相比，本发明基于除湿换热器的再生除湿热泵系统具有以下优势：

第一，与传统热泵空调系统相比，除了能满足夏季制冷冬季供暖的需求外，还可在夏季工况下实现热湿独立处理，精确调节温湿度，并充分利用热泵系统产生的热量和冷量，节约能源，提高系统的COP；在冬季工况下还同时具有加湿功能，无需再额外添加加湿设备，降低成本，提升舒适性。

第二，除湿换热器采用的管内冷却水在除湿过程可带走吸附热和部分显热负荷，实现降温除湿的热力过程，降低平衡吸附温度并维持干燥剂表面较低的水蒸汽分压力，提高系统除湿效率的同时降低循环驱动热源温度。

第三，本发明的除湿侧对被处理空气采用两次温度调节，第一次是采用除湿冷却器进行除湿同时进行预冷，第二次是采用表冷器再次调节被处理空气温度，精确达到所需的送风温度。

第四，与除湿转轮等新风设备相比，除湿换热器具有装置结构紧凑、制作工艺简单、投资费用低、易于安装等优点，和再生式蒸发冷却装置匹配具有可行性。因此系统可以继承再生式蒸发冷却的优势，实现较高的显热负荷处理能力。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于除湿换热器的再生除湿热泵系统在第一运行模式下的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的基于除湿换热器的再生除湿热泵系统在第二运行模式下的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一个较佳实施例提供了一种基于除湿换热器的再生除湿热泵系统，如图1和2所示，包括蒸发器26、冷凝器23、压缩机25、节流阀24、除湿换热器、表冷器11、第一水泵16和第二水泵21；其中除湿换热器包括第一除湿换热器5和第二除湿换热器6，当所述第一除湿换热器5为除湿冷却器时，所述第二除湿换热器6为除湿再生器；当所述第一除湿换热器5为除湿再生器时，所述第二除湿换热器6为除湿冷却器；

基于除湿换热器的再生除湿热泵系统还包括5股同时运行的工质，5股同时运行的工质包括1股制冷剂流程、2股水流程和2股空气流程；2股水流程包括除湿冷水流程和再生热水流程；2股空气流程包括被处理空气流程和再生空气流程；

制冷剂流程侧的连接方式为：压缩机25的出口与冷凝器23的进口相连，冷凝器23的出口与节流阀24的进口相连，节流阀24的出口与蒸发器26的进口相连，蒸发器26的出口与压缩机25的进口相连。

除湿冷水流程侧的连接方式为：蒸发器26与第一水泵16连接，使得从蒸发器26的水侧出口出来的冷却水通过相应的水路进入第一水泵16的入口，第一水泵16的出口与表冷器11的水侧入口相连，表冷器11的出口与除湿冷却器的入口相连，除湿冷却器的出口与蒸发器26的水侧入口相连；

再生热水流程侧的连接方式为：冷凝器23与第二水泵21连接，使得从冷凝器23的水侧出口出来的热水通过相应的水路进入第二水泵的入口，第二水泵的出口与除湿再生器的入口相连，除湿再生器的出口与冷凝器23的水侧入口相连；

被处理空气流程侧的连接方式为：被处理空气与除湿冷却器的空气表面通过相应的风道相连，经过除湿冷却器的空气表面除湿过程的低湿空气通过相应的风道送入表冷器的入口，经过表冷器11冷却降温的空气在相应的风机的驱动下由送风口13进入被调空间；

再生空气流程侧的连接方式为：再生空气与除湿再生器的空气表面通过相应的风道相连，经过除湿再生器的空气表面成为高温高湿空气，高温高湿空气在相应的风机的驱动下被排入外部空间。

本实施例的除湿换热器是通过将固体除湿材料附着到传统的单独进行显热交换的翅片管式换热器表面制成。

本实施例的基于除湿换热器的再生除湿热泵系统还包括三通风阀和三通水阀，通过三通风阀和三通水阀的切换使得再生除湿热泵系统具有两种运行模式，如图1和图2所示，该两种模式按照一定的周期来回切换，从而能够实现除湿冷却器和除湿再生器的功能的平稳切换过渡，保证系统能够产生连续的除湿降温效果。

图1和图2中：实心粗线上的箭头表示相应管道中水流方向，实心细线上的箭头表示热泵系统中制冷剂的流动方向，风道上方空心箭头表示对应风道中空气的流动方向，虚线表示该运行模式下未使用的风道或水路。

在两种运行模式下，热泵系统均以相同方式持续运行：热泵系统中的制冷剂由热泵制冷剂流通管道22从压缩机25出口依次通过冷凝器23、节流阀24、蒸发器26，最终回到压缩机25，形成一个完整的热泵循环。工作过程：制冷剂在冷凝器23内与再生热水换热，制冷剂冷凝放热同时使再生热水升温，提供除湿换热器再生过程中的再生热，制冷剂在节流阀24膨胀降温，并在蒸发器26中与除湿冷却水换热，制冷剂蒸发吸热的同时使除湿冷却水降温，从蒸发器26流出后回到压缩机25，经过压缩机25压缩为高温高压气体后再进入冷凝器，形成一个完整的循环。

如图1所示，在第一运行模式下：

被处理空气依次通过处理空气侧风道2、处理空气侧三通风阀4、第二除湿换热器6(此时为除湿冷却器)、第二三通风阀8、表冷器11、处理空气侧风机12、送风口13。工作过程：调节处理空气侧三通风阀4和第二三通风阀8，使第二除湿换热器6(除湿冷却器)空气表面的两端分别与被处理空气入口和表冷器11空气表面连通。被处理空气经过第二除湿换热器6(除湿冷却器)空气表面冷却除湿形成低温低湿的空气，再经过表冷器11降低温度，达到所需的新风标准，并通过表冷器11和除湿换热器的调控实现温、湿度独立控制，被处理空气最终经过处理空气侧风机12由送风口13进入被调空间。

再生空气依次通过再生空气侧风道1、再生空气侧三通风阀3、第一除湿换热器5(此时为除湿再生器)、第一三通风阀7，再依次经过再生空气侧风机9、再生空气出口10。工作过程：调节再生空气侧三通风阀3和第一三通风阀7，使第一除湿换热器5(除湿再生器)空气表面的两端分别与再生空气入口和再生空气侧风机9连通。再生空气经过第一除湿换热器5(除湿再生器)空气表面加热加湿形成高温高湿空气，实现除湿换热器的再生过程，最终空气经过再生空气侧风机9由再生空气出口10排出到大气环境中。

除湿冷却水依次通过蒸发器26、第一水泵16、表冷器11、第一除湿冷却水侧三通阀15、第二除湿换热器6(除湿冷却器)、第二除湿冷却水侧三通阀17。工作过程：除湿冷却水在蒸发器26中与制冷剂进行热交换温度降低，调节第一除湿冷却水侧三通阀15和第二除湿冷却水侧三通阀17使第二除湿换热器6(除湿冷却器)水侧两端分别与表冷器11和蒸发器26水侧相连，在第一水泵16的驱动下，冷却水流经第二除湿换热器6(除湿冷却器)，完成除湿换热器的除湿冷却过程，自身温度升高，最终流回蒸发器，完成一个循环过程。

再生热水依次通过冷凝器23、第二水泵21、第一再生热水侧三通阀20、第一除湿换热器5(除湿再生器)、第二再生热水侧三通阀18。工作过程：再生热水在冷凝器23中与制冷剂进行热交换温度升高，调节第二再生热水侧三通阀20和第一再生热水侧三通阀18使第一除湿换热器5(除湿再生器)水侧两端分别与第二水泵21出口和冷凝器23水侧入口相连，在第二水泵21的驱动下，再生热水流经第一除湿换热器5(除湿再生器)，完成除湿换热器的再生过程，自身温度降低，最终流回冷凝器，完成一个循环过程。

如图2所示，在第二运行模式下：

被处理空气依次通过处理空气侧风道2、处理空气侧三通风阀4、第一除湿换热器5(此时为除湿冷却器)、第一三通风阀7、表冷器11、处理空气侧风机12、送风口13。工作过程：调节处理空气侧三通风阀4和第一三通风阀7，使第一除湿换热器5(除湿冷却器)空气表面的两端分别与被处理空气入口和表冷器11空气表面连通。被处理空气经过第一除湿换热器5(除湿冷却器)空气表面冷却除湿形成低温低湿的空气，再经过表冷器11降低温度，达到所需的新风标准，并通过表冷器和除湿换热器的调控实现温、湿度独立控制，被处理空气最终经过处理空气侧风机12由送风口13进入被调空间。

再生空气依次通过再生空气侧风道1、再生空气侧三通风阀3、第二除湿换热器6(此时为除湿再生器)、第二三通风阀8，再依次经过再生空气侧风机9、再生空气出口10。工作过程：调节再生空气侧三通风阀3和第二三通风阀8，使第二除湿换热器6(除湿再生器)空气表面的两端分别与再生空气入口和再生空气侧风机9连通。再生空气经过第二除湿换热器6(除湿再生器)空气表面加热加湿形成高温高湿空气，实现除湿换热器的再生过程，最终空气经过再生空气侧风机9由再生空气出口10排出到大气环境中。

除湿冷却水依次通过蒸发器26、第一水泵16、表冷器11、第一除湿冷却水侧三通阀15、第一除湿换热器5(除湿冷却器)、第二除湿冷却水侧三通阀17。工作过程：除湿冷却水在蒸发器26中与制冷剂进行热交换温度降低，调节第一除湿冷却水侧三通阀15和第二除湿冷却水侧三通阀17使第一除湿换热器5(除湿冷却器)水侧两端分别与表冷器11和蒸发器26水侧相连，在第一水泵16的驱动下，冷却水流经第一除湿换热器5(除湿冷却器)，完成除湿换热器的除湿冷却过程，自身温度升高，最终流回蒸发器，完成一个循环过程。

再生热水依次通过冷凝器23、第二水泵21、第一再生热水侧三通水阀20、第二除湿换热器6(除湿再生器)、第二再生热水侧三通阀18。工作过程：再生热水在冷凝器23中与制冷剂进行热交换温度升高，调节第一再生热水侧三通水阀20和第二再生热水侧三通阀18使第二除湿换热器6(除湿再生器)水侧两端分别与第二水泵21出口和冷凝器23水侧入口相连，在第二水泵21的驱动下，再生热水流经第二除湿换热器6(除湿再生器)，完成除湿换热器的再生过程，自身温度降低，最终流回冷凝器，完成一个循环过程。

图1和图2的两种运行模式按照一定的周期来回切换：当图1的第一运行模式中第二除湿换热器6为除湿冷却器时，第一除湿换热器5为除湿再生器，当图2的第二运行模式中第一除湿换热器5为除湿冷却器时，第二除湿换热器6为除湿再生器。对于第二除湿换热器6，在第一运行模式中完成除湿过程，在第二运行模式中完成再生过程，同理，对于第一除湿换热器5，在第二运行模式2中完成除湿过程，在第一运行模式中完成再生过程，这两种运行模式按一定周期来回切换以实现除湿冷却器和除湿再生器功能的平稳过渡，保证系统可产生连续的空气除湿降温/加温加湿效果，提供稳定持续的新风供应。

在夏季工况下，室内空气温度高且潮湿，可将除湿空气出口的低温低湿空气通入室内，维持室内通风并降低空气的温湿度。在冬季工况下，室内空气温度低且干燥，可将再生空气出口的高温高湿空气通入室内，维持室内通风并增加空气的温湿度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于除湿换热器的再生除湿热泵系统，其特征在于，包括蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀、除湿换热器、表冷器、第一水泵和第二水泵；其中所述除湿换热器包括除湿冷却器和除湿再生器；

所述基于除湿换热器的再生除湿热泵系统还包括5股同时运行的工质，所述5股同时运行的工质包括1股制冷剂流程、2股水流程和2股空气流程；所述2股水流程包括除湿冷水流程和再生热水流程；所述2股空气流程包括被处理空气流程和再生空气流程；

制冷剂流程侧的连接方式为：所述压缩机的出口与所述冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口与所述节流阀的进口相连，所述节流阀的出口与所述蒸发器的进口相连，所述蒸发器的出口与所述压缩机的进口相连；

除湿冷水流程侧的连接方式为：所述蒸发器与第一水泵连接，使得从所述蒸发器的水侧出口出来的冷却水通过相应的水路进入所述第一水泵的入口，所述第一水泵的出口与所述表冷器的水侧入口相连，所述表冷器的出口与所述除湿冷却器的入口相连，所述除湿冷却器的出口与所述蒸发器的水侧入口相连；

再生热水流程侧的连接方式为：所述冷凝器与第二水泵连接，使得从所述冷凝器的水侧出口出来的热水通过相应的水路进入所述第二水泵的入口，所述第二水泵的出口与所述除湿再生器的入口相连，所述除湿再生器的出口与所述冷凝器的水侧入口相连；

被处理空气流程侧的连接方式为：被处理空气与所述除湿冷却器的空气表面通过相应的风道相连，经过所述除湿冷却器的空气表面除湿过程的低湿空气通过相应的风道送入所述表冷器的入口，经过所述表冷器冷却降温的空气在所述被处理空气侧风机的驱动下由送风口进入被调空间；

再生空气流程侧的连接方式为：再生空气与所述除湿再生器的空气表面通过相应的风道相连，经过所述除湿再生器的空气表面成为高温高湿空气，所述高温高湿空气在所述再生空气侧风机的驱动下被排入外部空间。

2.根据权利要求1所述的基于除湿换热器的再生除湿热泵系统，其特征在于，所述除湿换热器是通过将固体除湿材料附着到传统的单独进行显热交换的翅片管式换热器外表面制成。

3.根据权利要求2所述的基于除湿换热器的再生除湿热泵系统，其特征在于，通过涂覆于所述翅片管式换热器外表面的固体干燥剂对水蒸气的吸附作用处理空气中的潜热负荷实现除湿，同时通过所述翅片管式换热器内冷却水带走吸附热以促进除湿过程，并降低被处理空气的温度，实现潜热和显热的处理。

4.根据权利要求1所述的基于除湿换热器的再生除湿热泵系统，其特征在于，所述基于除湿换热器的再生除湿热泵系统还包括三通风阀和三通水阀，通过所述三通风阀和所述三通水阀的切换能够实现除湿冷却器和除湿再生器的功能的切换过渡，以保证系统能够产生连续的除湿降温效果。

5.一种根据权利要求1-4中任意一项所述的基于除湿换热器的再生除湿热泵系统的运行方法，其特征在于，包括除湿冷却器的除湿冷却方法和除湿再生器的加热解吸方法；

其中，所述除湿冷却器的除湿冷却方法包括：

(1)被处理空气经过所述除湿冷却器表面，被所述除湿冷却器上附着的固体除湿材料吸湿，并产生吸附热；(2)所述除湿冷却器的内部流动的由所述蒸发器提供的冷却水带走吸附热，使自身温度升高，促进吸附过程的进行，实现被处理空气的潜热负荷处理；(3)被处理空气流经所述除湿冷却器的空气表面后，温度和湿度降低，湿负荷通过固体除湿材料对水蒸气的吸附作用被处理，热负荷通过所述除湿冷却器的内部冷却水被带走；

所述除湿再生器的加热解吸方法包括：

(1)所述除湿再生器的表面附着的固体除湿材料在所述冷凝器提供的再生热水的加热作用下进行再生；(2)所述除湿再生器的内部流动的再生热水温度降低，释放再生过程所需的热量；(3)再生空气流经所述除湿再生器的空气表面后，温度和湿度升高，湿负荷来自所述除湿再生器的表面附着的固体除湿材料中所吸附的水，热负荷来自再生热水。

6.根据权利要求5所述的基于除湿换热器的再生除湿热泵系统的运行方法，其特征在于，在所述基于除湿换热器的再生除湿热泵系统的运行方法中，除湿冷却器的除湿冷却过程和除湿再生器的加热解吸过程在系统运行时分别在除湿冷却器和除湿再生器侧同时进行，并按周期交替。