流体机械

试验组	环境温度t₁/℃	环境湿度ϕ_RH₁(%)	压缩机运行频率f/Hz
①	28.2	76	45
②	29.1	64	42
③	26.8	75	38

试验组	环境温度t₁/℃	环境湿度ϕ_RH₁(%)	压缩机运行频率f/Hz
①	28.2	76	45
②	29.1	64	42
③	26.8	75	38

验证组	环境温度t₁/℃	环境湿度ϕ_RH₁(%)	电子膨胀阀开度G_n(%)
①	30.1	59	30
②	30.5	64	25
③	27.9	75	18

验证组	环境温度t₁/℃	环境湿度ϕ_RH₁(%)	电子膨胀阀开度G_n(%)
①	30.1	59	30
②	30.5	64	25
③	27.9	75	18

双循环除湿机系统性能优化

张楚烦 ¹ , 蔡慧 ¹ , 焦建格 ¹ , 蔡文剑 ²

流体机械 | 应用技术 2025,53(3): 104-109

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流体机械 |应用技术 2025 , 53 (3) : 104 -109

双循环除湿机系统性能优化

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张楚烦¹, 蔡慧¹, 焦建格¹, 蔡文剑²

作者信息

¹中国计量大学机电工程学院，杭州 310018

²浙大宁波理工学院信息科学与工程学院，浙江宁波 315100

通讯作者:

蔡慧（1980），男，博士，教授，主要从事空调通风系统控制等方面的研究，通信地址：310018 浙江省杭州市钱塘区学源街258号中国计量大学机电工程学院，E-mail： caihui@cjlu.edu.cn。

作者简介:

张楚烦（2000），男，硕士研究生，主要从事双循环除湿控制等方面的研究，通信地址：310018浙江省杭州市钱塘区学源街258号中国计量大学机电工程学院，E-mail：1900383228@qq.com。

Performance optimization of dual‑circulation air dehumidification system

Chufan ZHANG¹, Hui CAI¹, Jiange JIAO¹, Wenjian CAI²

Affiliations

¹College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China

²School of Information Science and Engineering，Ningbo Institute of Technology，Zhejiang University，Ningbo 315100，China

出版时间: 2025-03-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.03.013

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摘要

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为了优化双循环除湿机系统性能，以压缩机运行频率为切入点，探究双循环除湿机在不同电子膨胀阀开度下的系统运行状况。研究建立了电子膨胀阀开度与系统制冷量、冷媒质量流量、系统能效比以及除湿量的理论模型，并验证了特定开度下系统达到最佳能效比时对应的压缩机运行频率。结果表明，当压缩机运行频率分别为38，42，45 Hz时，对应最佳能效比的电子膨胀阀开度分别为18%，25%，30%，系统能效比达到最高时，压缩机运行频率与膨胀阀开度呈正相关趋势；优化前，双循环除湿机系统能效比为0.993；优化后，将电子膨胀阀开度设置为25%、压缩机频率设置为42 Hz时，系统能效比可达1.817。本研究结果为同类型双循环除湿机提供了一种控制思路，有助于有效提升系统性能。

关键词

双循环除湿机 / 电子膨胀阀 / 压缩机 / 能效比

Abstract

收起

This study investigates performance optimization of dual‑circulation air dehumidification system by analyzing compressor operating frequency and electronic expansion valve （EEV） opening configurations. A comprehensive thermodynamic model was developed to correlate EEV openings with critical performance indicators including refrigeration capacity，refrigerant mass flow rate，coefficient of performance （COP），and dehumidification capacity. Experimental validation confirmed the optimal compressor-EEV coordination patterns under specific operating conditions. The results demonstrate that maximum COP values occur at EEV openings of 18%，25%，and 30% corresponding to compressor frequencies of 38，42，and 45 Hz respectively，revealing a monotonically increasing relationship between optimal frequency and valve opening. System optimization achieved a COP enhancement from 0.993 to 1.817 through implementation of 42 Hz compressor operation with 25% EEV opening，representing an 83% efficiency improvement. The established control strategy provides a methodological framework for operational optimization of dual‑circulation air dehumidification system under variable load conditions.

Key words

dual‑circulation air dehumidification system / electronic expansion valve / compressor / coefficient of performance

引用本文

张楚烦, 蔡慧, 焦建格, 蔡文剑. 双循环除湿机系统性能优化. 流体机械, 2025 , 53 (3) : 104 -109 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.03.013

Chufan ZHANG, Hui CAI, Jiange JIAO, Wenjian CAI. Performance optimization of dual‑circulation air dehumidification system[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (3) : 104 -109 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.03.013

正文

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0　引言

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制冷和除湿系统在室内环境控制上发挥着重要作用^［1-2］，但也消耗了大量能源。研究表明，制冷系统能耗占社会总能耗的20%以上^［3］，因此，降低系统能耗并提高其能效成为了研究热点^［4-6］。电子膨胀阀（electronic expansion valve，EEV）作为制冷和除湿系统中常见的节流装置，其开度对系统性能的影响受到了广泛关注。陈小砖等^［7］针对电动汽车空调系统，研究了环境温度对R1234yf系统性能的影响，并对比了不同EEV开度和压缩机转速下R1234yf和R134a系统的制冷性能。杨玉麒等^［8］针对CO₂制冷系统，发现在低蒸发温度范围内合理设置电子膨胀阀开度对提升系统性能具有重要作用。丁夏杰等^［9］针对跨临界CO₂空气源热泵系统，提出一种对压缩机频率、EEV开度和冷却水流量联合调控的策略，相比单部件调控，其系统制热量和能效比COP增幅分别为28.1%和15.3%。俞秀娟等^［10］针对水冷压缩式CO₂水合物蓄冷系统，将充注压力提高到4.2 MPa、吸气过热度提高到14 ℃，系统总蓄冷量达到3 633.80 kJ、系统COP达到3.53，均为最大值。HOU等^［11］针对跨临界CO₂系统，研究了开度对系统压力、温度和性能的影响，系统制冷量和能效比分别在开度为40%，60%时达到峰值。WANG等^［12］针对一种新型无霜空气源热泵（ASHP）系统，指出系统除湿性能和无霜时间很大程度取决于EEV开度，并证明了第一级、第二级节气门EEV开度分别为75%，40%时系统性能最佳。LI等^［13］研究了复叠式热泵高级循环EEV和低级循环变频压缩机对系统性能的影响，指出最佳性能下频率从150 Hz增加到225 Hz时，最佳开度从37.5%增加到50%。

目前，多数文献围绕电子膨胀阀开度、压缩机频率和转速等因素，对热泵、制冷等系统的性能展开研究。然而，在除湿系统领域，以电子膨胀阀开度和压缩机频率为切入点来探究系统性能优化的文献却较少。通过对这2个因素进行协同控制，能够更精准地调节冷媒流量，使其与除湿系统的容量相匹配，进而更好地适应复杂多变的工况以及负荷的实时变化。

本文将新型双循环除湿机作为研究对象，针对特定的压缩机运行频率，深入探究在不同电子膨胀阀开度的情况下，该系统的运行状况。同时，验证在特定开度下，系统达到最佳能效比时所对应的压缩机运行频率。依据试验结果得出的冷媒流量优化控制策略，可用于指导实际系统运行，助力实现高效节能的运行目标。

1　试验装置及原理

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2023年，陈禹宋等提出一种新型双循环除湿机（DCADS），主要由过滤器、表冷器、蒸发器、冷凝器、板式换热器、风机、压缩机、电子膨胀阀和水阀等部件组成；其中，板式换热器的配合使用是DCDAS区别于其他除湿系统的重要特征之一，能在一定程度上提高除湿效率^［14］。电子膨胀阀作为双循环除湿机的关键部件，其开度可在15%~100%之间进行调节；压缩机由变频器驱动，运行频率范围控制在20~50 Hz。

以R22为冷媒的双循环除湿机结构如图1所示。双循环除湿机的除湿过程主要通过预冷回路和压缩机回路完成。预冷回路流程：空气源热泵或冷水机组提供的12 ℃冷冻水分成2个支路，一路流入表冷器，对新风进行预冷并除湿，承担系统的大部分负载，另一路流入板式换热器，在出口处进行换热后流回空气源热泵。压缩机回路流程：经过预冷后的空气通过蒸发器降温并除湿，之后经过冷凝器，利用冷媒的放热效果，使空气温度升高至期望温度，最终将空气送入室内，实现双循环回路除湿效果。此类型的除湿机在最优情况下能够实现5 g/kg的除湿效果，且试验样机在未优化时，即膨胀阀开度调节为50%、压缩机频率设置为38 Hz时，系统能效比为0.993，除湿量为8.856 g/kg。

2　试验模型构建

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2.1　试验模型建立

双循环除湿机采用SEC系列型号的电子膨胀阀，其开度范围为15%~100%。在不同工况下，设定表冷器后空气温度t₂=13 ℃，风机风量V=400 m³/h，出口含湿量

d

=6 g/kg，主水阀开度G_m=50%，支路水阀G_b=30%。由于试验条件和系统稳定时间的限制，依次进行压缩机频率

f

为45，42，38 Hz的3组试验，将膨胀阀开度从15%逐渐增大到100%。系统每隔10 s采集1组数据，等待系统稳定运行30 min后，记录试验数据。试验工况见表1。

实际运行时，试验①更加稳定，运行数据更具代表性，且能够更为准确地反映电子膨胀阀开度与蒸发器蒸发温度的对应关系。采用曲线拟合法得出试验①中电子膨胀阀开度与蒸发器蒸发温度的关系式，如式（1）所示；拟合曲线如图2所示。

t e = 3.08 - 2.126 e - 0.5 [(G n - 18.967) / 20.166 2

（1）

式中，

t e

为蒸发器蒸发温度，℃；

G n

为电子膨胀阀开度。

其次，针对蒸发器，利用湿空气焓湿图查找特定温度、湿度及出口空气含湿量下对应的湿空气焓值。其中，蒸发器进口空气状态参数包括表冷器后空气温度t₂、表冷器后空气湿度ϕ_RH₂，蒸发器出口空气状态参数包括蒸发器蒸发温度t_e、出口空气含湿量d₂。根据上述参数分别获得蒸发器进口、出口湿空气焓值

i 1

，

i 2

，从而计算出蒸发器进出口湿空气焓差

Δ i

，如式（2）所示，并拟合得到试验①中蒸发器蒸发温度与进、出口湿空气焓差的关系，如式（3）所示，拟合曲线如图3所示。

∆ i = i 1 - i 2

（2）

∆ i = 20.622 - 1.24 e 0.41 t e

（3）

2.2　验证模型建立

以蒸发器蒸发温度与蒸发器进出口湿空气焓差作为中间变量，构建压缩机运行频率

f

与系统制冷量、冷媒质量流量、系统能效比以及除湿量之间的关系式。在不同环境条件下，分别开展膨胀阀开度为30%，25%，18%的3组试验，将压缩机频率从20 Hz逐步提高至50 Hz，并记录试验数据。验证工况如表2所示。

2.3　计算公式

针对DCADS建立系统制冷量、冷媒质量流量、系统能效比以及除湿量的模型，计算公式如式（4）~（7）所示。

Q = ρ V ∆ i

（4）

m = Q q 0

（5）

C O P = Q P

（6）

Δ d = d 1 - d 2

（7）

式中，

Q

为系统制冷量，W；

ρ

为空气密度，kg/m³，通常取

ρ

=1.29 kg/m³；V为新风风量，m³/s；m为冷媒质量流量，g/s；

q 0

为单位质量冷媒的制冷量，kJ/kg；

C O P

为系统能效比；

P

为输入功率，W；

Δ d

为除湿量，g/kg；d₁，d₂分别为进口、出口空气含湿量，g/kg。

不同蒸发温度下，

q 0

值有所不同。通过R22冷媒压焓图，能够获得特定温度和压力参数下的单位质量冷媒制冷量。

3　试验结果与分析

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3.1　电子膨胀阀开度对系统性能影响

电子膨胀阀开度与系统制冷量、冷媒质量流量、系统能效比及除湿量的关系如图4所示。由图可知，在同一压缩机频率条件下，系统制冷量和冷媒质量流量随膨胀阀开度的变化趋势基本一致。这是因为DCADS内部组件相互耦合，各参量之间相互影响。

在试验过程中，仅改变膨胀阀开度时，系统处于开环状态，稳定性下降，其他内部参量会对系统制冷量和冷媒质量流量产生干扰，所以膨胀阀开度与系统制冷量或冷媒质量流量并非呈线性关系。但在膨胀阀的开度范围内，必然存在某个特定开度，能使系统制冷量或冷媒质量流量达到最大值；且对于该系统而言，在不同的压缩机频率下，都分别存在一个开度，可使系统获得最优能效比和最优除湿量。

对比试验数据，在膨胀阀开度范围内，压缩机频率设定为45 Hz时，系统制冷量、冷媒质量流量、系统能效比和除湿量在开度为30%达到峰值，其峰值分别为2.745 kW，6.592 g/s，1.551，10.598 g/kg。当频率设定为42 Hz时，系统制冷量、冷媒质量流量、系统能效比和除湿量均在开度为25%时达到最大，其峰值分别为2.693 kW，6.469 g/s，1.817，9.950 g/kg。当频率设定为38 Hz，系统制冷量、冷媒质量流量、系统能效比和除湿量在开度为18%时达到最大，最大值分别为2.199 kW，5.272 g/s，1.371，9.203 g/kg。

3.2　压缩机运行频率对系统性能影响

压缩机频率与系统制冷量、冷媒质量流量、系统能效比及除湿量的关系分别如图5所示。由图可知，在同一膨胀阀开度的情况下，系统制冷量和冷媒质量流量随压缩机频率变化的趋势基本一致。然而，系统能效比和除湿量在压缩机频率过高或过低时均会受到影响。对比实际数据可得，当电子膨胀阀开度为30%时，系统对应的最佳能效比为1.452，除湿量为9.625 g/kg，此时压缩机的运行频率为46 Hz；当开度为25%时，最佳能效比为1.765，除湿量为10.331 g/kg，对应的压缩机频率为42 Hz；当开度为18%时，最佳能效比为1.519，除湿量为11.126 g/kg，压缩机频率则为40 Hz。由于试验组与验证组环境的差异、试验设计本身的缺陷以及数据处理的偏差等原因，导致试验结果产生一定程度的误差。但是验证组获得的结果在一定程度上印证了试验组结果的准确性，为指导DCADS节能高效运行提供了方法。

4　结论

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（1）当压缩机频率分别为38，42，45 Hz时，对应最佳能效比的膨胀阀开度分别为18%，25%，30%。在系统能效比达到最高的情况下，压缩机运行频率与电子膨胀阀开度呈现出正相关的趋势。

（2）合理控制压缩机频率和调节膨胀阀开度是优化系统性能的关键。未优化时的系统能效比为0.993，除湿量为8.856 g/kg。在试验工况下，压缩机频率设置为42 Hz，膨胀阀开度调节至25%，此时系统制冷量、冷媒质量流量、系统能效比和除湿量表现出较为显著的性能提升，其峰值分别为2.693 kW，6.469 g/s，1.817，9.950 g/kg。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第53卷第3期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.03.013

接收时间：2024-06-20
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-03-30

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收稿日期：2024-06-20
修回日期：2024-11-27

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¹中国计量大学机电工程学院，杭州 310018

²浙大宁波理工学院信息科学与工程学院，浙江宁波 315100

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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