太阳能智能控制除湿系统研究

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摘要：设计了一种太阳能再生式智能控制除湿系统。与传统的除湿系统相比，该系统通过结构设计有效降低了对太阳辐射的反射率和热损失，系统内外筒间充填变色硅胶，达到了迎光侧通过太阳能加热硅胶脱附再生，背光侧对风机送入的风吸附除湿的效果。同时系统采用在内筒配置智能温控仪、间歇转动等方法提高了再生热量的吸收率，使得系统除湿和再生效果大幅度提高。

关键词：太阳能；再生；硅胶；智能控制

随着经济的快速发展、人民生活水平的不断提高以及工业发展的迫切需要，人们对空气品质的要求也越来越高，不仅要求空气的温度和湿度合适，还要求空气中污染物浓度处在较低水平，因而对除湿机需求量越来越大。然而除湿工作还面临着一些问题，如干燥剂除湿率及机械性能问题，能源利用率及传热问题，除湿区和再生区之间、转芯和风道之间的结构、密封问题，整个装置的轻巧性、拆装性和成本问题等，实际应用中都需要加以考虑。为此，研发一种节能、环保、高效、低噪声、体积轻巧的新型除湿系统迫在眉睫。

1除湿技术研究进展

目前，常用的空气除湿方法有冷却除湿法、压缩除湿法、溶液吸收除湿法和固体吸附除湿法［1］。其中，固体吸附除湿是将固体除湿材料装载在空气流道内对流过的空气进行除湿，除湿材料经加热再生后又可继续吸附，具有处理空气量大、除湿能力强、结构简单且无污染等优点。固体除湿主要包括转轮除湿［2－4］和固定床除湿，主要能耗均为再生耗能［5］。再生耗能的来源和能源形式直接影响整个系统的运行效果和节能效果。传统的电加热存在能源利用率低、对吸附剂造成损坏等缺点［6］。为了降低再生过程中的能耗，提高再生效率，不同的研究者根据能量来源提出了各种加热再生方法，包括太阳能辐射再生、超声波再生、电渗再生以及微波再生等。有研究表明，通过太阳能系统可满足室内50％的能源消耗［7］。采用太阳能等低品位能源将显热和潜热分开处理，能实现节能和舒适性的要求［8］。

2除湿系统结构设计

2．1整体设计

除湿系统由除湿筒体、转动驱动部件、通风机与柔性连接件、电控组件、支架等组成。其中除湿筒体由太阳能加热外筒、电加热内筒（两筒内填充硅胶干燥剂）、风筒等构成；转动驱动部件主要由步进电机、加速器、轴承及相关连接与固定件等构成；电控组件主要由电机、加热等控制元件等构成。整体结构设计如图1所示。

2．2工作原理

太阳能再生式除湿系统工作原理图如图2所示。除湿系统结合了太阳能再生方式及转轮除湿和固定床除湿的优点，在结构设计上采用迎光再生侧与背光除湿侧1∶1的多层筒状结构，两侧面积越接近，均匀性越好，所需的再生温度也越低。外层为太阳能加热筒，筒中设置真空夹层以提高太阳能利用率。太阳能加热筒利用太阳能热辐射的能量加热硅胶使其再生，当夜晚或冬季太阳能不足时，内层电加热筒对硅胶进行辅助加热。通过这种多层筒状结构，可为除湿系统中的硅胶再生持续集中供热。背光侧硅胶吸附饱和后转动到迎光侧进行脱附再生，原迎光侧的硅胶则相应转动到背光侧对空气除湿，由此可实现硅胶的边吸附边脱附，从而缩短再生时间，降低能耗，减弱噪声提高除湿系统整体性能。

2．3除湿转筒

为了使太阳能利用率最大化，太阳能加热筒双层有机玻璃间为真空层，内层有机玻璃筒外壁包裹高吸收率、低发射率的太阳能热吸收膜。有机玻璃筒端设置法兰，以便与不锈钢筒连接。太阳能加热筒设计结构如图3所示。电加热筒采用不锈钢筒作为支撑，不锈钢外壁加设2块肋片将转筒分为迎光侧再生区和背光侧除湿区，同时配备智能温控仪，控温更精准。外壁包裹如图4所示硅橡胶加热带，直接加热筒间填充的变色硅胶使其再生。电加热筒结构如图5所示。特殊结构转轴（如图6所示）上两圆盘分别与电加热筒筒端采用平头螺丝连接。太阳能加热筒与电加热筒再通过筒端法兰结构连接，筒间填充硅胶干燥剂。组装出的除湿系统转筒部分如图7所示，筒端部开有通气孔，内衬托有既防漏硅胶又能通风的内丝网。

2．4控制系统设计

采用步进电机作为驱动，带动联轴器另一端的转轴旋转。通过计算机编写程序输入研控驱动器，实现转筒的间歇式旋转。计算机连接GRM200G等远程控制模块，对PLC中的数据进行收集，并通过软件远程对太阳能除湿器进行及时控制和研判。当除湿系统除湿效率达不到要求时，可通过计算机或手机更换模式和增大除湿系统功率。该情况下的大数据会反馈到控制系统，在以后出现类似情况时，除湿系统会自动加大功率。远程操控过程如图8所示。为了增加进气量，提高除湿系统除湿效率，在转筒左侧加设进风口与风机相连，为装置供风。最后综合实际性能及成本因素，对电机及风机进行优选计算。步进电机参数见表1。因为硅胶堆积，风仅能从孔隙流动，风量达不到最大，故选用JQ12032L12B型风机，其参数见表2。

2．5壳体设计

风筒固定于支架上，筒内加装分隔板将风道均分为上下两部分，与转筒再生区和除湿区位置相对应。转筒法兰上开沟槽连接风筒，采用O型密封圈进行动态密封。转轴两端靠轴承及轴承座固定于支架。在风筒下侧设置进风口和送风口，风机引流的湿空气经干燥除湿后送到室内；再生区风筒右侧开通风孔，硅胶脱附再生后释放的水蒸气由此排出。风筒通风示意图如图9所示。图9风筒通风示意图

3系统创新性

（1）采用间歇转动连续工作形式，延长单侧工作时间，使硅胶吸附脱附充分，同时保持连续工作，达到最大除湿效率。与传统转轮式除湿系统相比，该系统综合了转轮式和固定床式除湿系统的优点，在高效除湿的同时保证了连续工作。（2）除湿机体为多层筒状覆膜转筒，增加了硅胶的填充量，提高了除湿量。在有机玻璃筒中采用真空＋太阳能热吸收膜集热，提高了太阳能利用率。（3）为保证除湿系统在夜间或阴天等太阳能资源少而湿度大的情况下仍高效运行，在转筒迎光侧内侧设置电加热器，辅助太阳能加热。与传统的侧边设置加热器相比，内侧设置集热器增加了传热面积，强化换热，提高了脱附效率。（4）系统各部分采用组合式安装，装配方便，拆卸灵活，便于维修，延长了使用寿命，还利于材料更换。（5）采用倾斜安装方式，使太阳能辐照角度达到最佳。通过轻巧简单的支架设计，以最低的成本获得最大的脱附效率。

4结语

本文通过对除湿系统各组成部分的优化设计，实现了具有高效节能、空气净化除湿双功能、智能控制、成本低、寿命长等特点的太阳能再生式智能控制除湿系统。该除湿系统以太阳能加热方式使硅胶脱附再生，节能环保；结构设计综合了转轮除湿和固定床除湿技术的优点，使得除湿性能显著提高；智能控制既可根据太阳能光照强度和除湿效率自动切换太阳能和电能，也能通过远程控制模块，将信号发送到手机、计算机等终端；装置设备简单紧凑，整体造价低；组合式装配使得装置不仅灵活性较好，拆装容易，维修和清洗方便，而且使用寿命延长；与传统的空气压缩及冷冻除湿技术相比，以变色硅胶作为干燥剂，保证了除湿效果的同时，价格还低廉。

作者：田中训 刘伟军 余琦 单位：上海工程技术大学机械与汽车工程学院