热湿和污染物联合控制的双层复合转轮空调系统
作者：2018级博士生 刘宁睿 胡新语 陈家杨 卜凡 清华大学建筑技术科学系
指导老师：莫金汉，王宝龙 清华大学建筑技术科学系
关键词： 南方夏季，转轮，除湿，污染物控制，空调，节能
摘要
本装置旨在克服传统除湿技术不节能、传统净化技术寿命短的问题。
装置将转轮与家用空调系统结合互补，实现温湿分控，避免冷热抵消以及提高冷机COP，实现节能；并设置双层转轮系统（硅胶除湿转轮+活性炭吸附转轮）：相比市场上转轮除湿机和家用空调器，增加了甲醛等VOC污染物的去除作用；相比市场上的空气净化器，延长吸附材料寿命，不用频繁更换，实现减排；此外，转轮还能去除新风中的臭氧和NOx，引入新风还能降低室内CO2浓度，确保了室内空气质量。
本装置将转轮、污染物吸附材料和空调系统相结合，实现了对室内温湿负荷、室内污染负荷和室外新风温湿、污染负荷的同时去除，达到了健康、舒适、节能、可持续的室内空气质量目标。在我国炎热潮湿的南方有广泛的应用前景。
一、背景介绍
我国夏季南方炎热除湿，导致住宅建筑除湿能耗占空调总能耗的20-40%，同时室内会散发甲醛等挥发性有机物，而室外O3、NOx浓度较高，特别是O3已成为南方城市夏季的首要污染物，所以我国南方夏季空气品质处在内忧外患之中，不容乐观。
面对此，现有除湿技术常采用冷凝除湿，需将温度降至空气露点温度以下，能耗较大；现有净化设备采用活性炭物理吸附，易饱和、寿命短。所以我们希望设计一种利用转轮同时进行除湿和净化的新风空调系统，在降温除湿、净化的基础上，引入新风净化，并节约能耗、延长使用寿命，实现健康、舒适、节能、减排的总目标。
二、装置原理
图1. 装置原理图
整个设备是一个双层转轮和空调相结合的新风空调系统。较高湿度的新风和较高VOC浓度的室内回风分别通入新风道和回风道，经过前蒸发器显热降温的新风与回风到达转轮，在适宜的吸附温度下依次通过硅胶转轮和活性炭吸附转轮进行水分、污染物的吸附，之后低湿、洁净的空气再经过后蒸发器进一步调节显热温度后送入室内。另外一部分室内排风先经过热回收区，回收一部分转轮中再生引起的蓄热，并给转轮降温，再经过冷凝器废热加热至转轮适宜的脱附温度，使水分、污染物脱附排出室外。实物样机如图2、图3所示。
图2. 第一代样机实物图
图3. 第二代样机实物图
三、创新点
1.实现温湿分控，利用转轮为空调承担除湿负荷，利用空调冷凝器废热对转轮进行再生。避免冷凝除湿带来的巨大能耗，同时节省了转轮再生所需的热量；
2.设置活性炭吸附转轮，通过转轮再生延长吸附材料使用寿命，确保长期有效去除污染物；
3.采取多种措施提升转轮自身吸附性能：
（1）设置前蒸发器预冷被处理风，提升转轮吸附性能；
（2）引入新风并独立处理，降低室内CO2浓度且避免组分稀释与不同污染物组分之间竞争吸附；
（3）新设热回收区，避免转轮蓄热和直流式再生。
