一種太陽能薄膜液體除濕空調(diào)系統(tǒng)的應用分析

林遠深

摘要：指出了液體除濕空調(diào)系統(tǒng)在近幾年獲得了越來越多的關注。設計了一種太陽能薄膜液體除濕空調(diào)系統(tǒng)，在該太陽能薄膜液體除濕空調(diào)系統(tǒng)中，液體-空氣膜能量交換器被用于對濕空氣除濕和稀釋除濕劑液體的再生。在送風和排風空氣中除濕劑液滴的剩余，限制了傳統(tǒng)直接接觸液體除濕空調(diào)在商業(yè)和民用建筑中的應用。而液體-空氣膜能量交換器可以解決這個問題，因為液體-空氣膜能量交換器使用一張半透膜使空氣和液體分離，從而在不接觸液體除濕劑的情況下傳熱和傳濕。因此，這種系統(tǒng)具有更高的實用性。

關鍵詞：液體除濕空調(diào)系統(tǒng)；液體-空氣膜能量交換器；太陽能熱系統(tǒng)

中圖分類號：TU831

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）20016404

1引言

安裝在建筑物中的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)給居住者提供了健康和高效的環(huán)境。在廣泛使用的低效傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的操作中消耗了相當多的能量，帶來了一些環(huán)境問題，這些問題與能源生產(chǎn)例如空氣污染、全球變暖和酸性降水相關[1]。近期的研究表明，整個世界上的建筑要消耗大約40%的主要能源并且排放接近33%的溫室氣體[2]。以下3個相關問題造成了空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展停滯：①空調(diào)系統(tǒng)的能耗效率，②環(huán)境污染，③室內(nèi)空氣質(zhì)量。因此，科學家和工程師們正在努力開發(fā)更高效的，能夠在低能耗和空氣污染排放量的情況下獲得良好室內(nèi)空氣質(zhì)量的空調(diào)系統(tǒng)。

2太陽能薄膜液體除濕空調(diào)系統(tǒng)特點

在發(fā)展的節(jié)能空調(diào)技術中，液體除濕空調(diào)系統(tǒng)，在過去的幾十年里表現(xiàn)突出，而且被認為是廣泛使用的傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)系統(tǒng)的強大競爭對手。下面是幾個液體除濕空調(diào)系統(tǒng)的主要優(yōu)點。

（1）液體除濕空調(diào)系統(tǒng)能夠高效地控制室內(nèi)的空氣濕度等級，應用于需要有效的濕度控制的場合。

（2）液體除濕空調(diào)消除了在傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中普遍存在的冷卻線圈的冷凝現(xiàn)象，因此防止霉菌和細菌的生長。

（3）液體除濕空調(diào)系統(tǒng)的主要能源需求低于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，當使用液體除濕空調(diào)系統(tǒng)時，排放到環(huán)境中廢氣量會更低。

（4）在液體除濕空調(diào)系統(tǒng)中使用的溶液除濕劑可以在45～65 ℃之間的低溫下重新生成，所以低等級的熱源，像平板太陽能集熱器和低質(zhì)量的廢熱等，可以滿足熱能的需求

（5） 溶液除濕劑能夠從供給空氣中吸收一些污染物，從而改善調(diào)節(jié)空間內(nèi)的室內(nèi)空氣質(zhì)量。

太陽能熱冷卻系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，是一個有前途的技術，尤其應用在位于炎熱和潮濕氣候的地方，這種地方需要有效的溫度和濕度控制。太陽能加熱冷卻系統(tǒng)的使用減少了化石燃料的燃燒和溫室氣體的排放。通常來說，太陽能熱冷卻系統(tǒng)可以分為開循環(huán)系統(tǒng)、閉循環(huán)系統(tǒng)和熱（機械）力學系統(tǒng)，其中開循環(huán)系統(tǒng)的特征是可以使用低等級熱能來運行。開循環(huán)系統(tǒng)被分為固體除濕空調(diào)系統(tǒng)（SDAC）和液體除濕空調(diào)系統(tǒng)（LDAC），其中液體除濕空調(diào)系統(tǒng)相比于固體除濕空調(diào)系統(tǒng)，有如下幾個優(yōu)點。

（1）固體除濕劑在除濕過程中釋放熱來處理空氣，而液體除濕劑可以同時對空氣做冷卻和除濕處理。

（2）液體除濕劑比固體除濕劑有更大的吸水能力[4]。

（3）液體除濕空調(diào)系統(tǒng)需要的再生溫度低至40～70 ℃之間，而固體除濕空調(diào)系統(tǒng)需要再生溫度高達60～115 ℃[5]，因此，液體除濕空調(diào)系統(tǒng)可以用低等級熱源比如平板型太陽集熱器來高效運行。

（4）液體除濕空調(diào)系統(tǒng)可以與集中液體除濕劑儲存系統(tǒng)相結(jié)合，從而允許更多的再生靈活時間。

（5）空氣調(diào)節(jié)和溶液再生功能在液體除濕空調(diào)系統(tǒng)中可以被物理隔離，因為液體除濕劑可以被方便地在位于不同位置的換熱器之間管道連接[6]。

太陽能溶液除濕空調(diào)技術是由太陽能技術、熱能驅(qū)動的溶液除濕技術和水蒸發(fā)冷卻技術三者組成的。這三種技術都很環(huán)保和節(jié)能，具體表現(xiàn)如下。

（1）制造成本低，運行安全[7]。該種空調(diào)結(jié)構(gòu)簡單，可在常壓下運行，因此大大減少了對材料的承壓要求，減少了材料的用量，且很多部分可使用塑料；而提供熱源的太陽能集熱器，制造成本不高.制造技術也很成熟。因此整個系統(tǒng)制造成本低，空調(diào)可在常壓下運行，安全可靠。

（2）節(jié)能并可高效儲能。該種空調(diào)可使用各種低品位熱源，如天然氣太陽能、工業(yè)廢熱和余熱等?？墒褂锰柲苤频玫?0 ℃以上的熱水（使用CaCl2水溶液，則熱源溫度可以更低），且能效比較高。這樣低溫度的熱源即使吸收式空調(diào)都難以很好的利用。它又可避免傳統(tǒng)空調(diào)采用的冷凝除濕中的過度冷卻和再熱的損失，而使用電能僅僅是驅(qū)使空調(diào)中的溶液泵、風機以及控制器運行，該種空調(diào)使用十分節(jié)能。而且可方便地實現(xiàn)高密度的儲能[8]。將多余的太陽能存儲起來，在太陽能不夠的時候使用。

（3）環(huán)保健康[9]。該種空調(diào)可提供全新風，可同時調(diào)節(jié)房間的空氣溫度和濕度。并且空調(diào)使用的除濕用水溶液對人體和環(huán)境無害，還可除塵殺菌，同時避免了“空調(diào)病”和“熱島現(xiàn)象”，因此，十分環(huán)保健康。

（4）空調(diào)能力隨空調(diào)負荷正向變化。陽光越強烈，氣溫越高，空調(diào)的負荷越大，但同時太陽能能量越高。這樣，恰好使得空調(diào)能力隨空調(diào)負荷正向變化。

（5）太陽能除濕空調(diào)可使用在太陽能資源豐富的地區(qū)中的以下場合：人員密集、空氣污濁、有毒和有高溫熱源；需要新風、或不能采用回風運行、門窗敞開、需要迅速降溫或需要調(diào)濕的地方。在這些地方，傳統(tǒng)的空 調(diào)無法勝任或成本太高，而溶液除濕空調(diào)則可以很好地勝任。并且該種空調(diào)可實現(xiàn)加濕、除濕、通風、熱回收制冷和制熱等功能，做到一機多用。

3太陽能薄膜液體除濕空調(diào)系統(tǒng)介紹

3.1空氣側(cè)

在薄膜液體除濕空調(diào)系統(tǒng)中（見圖1），室外空氣通過一個除濕器，目的是除濕至一個覆蓋建筑物和一部分的熱負荷的整個濕負荷（也就是空間，通風和滲透）的條件。剩余的熱負荷通過冷卻來自調(diào)節(jié)空間的回風空氣來滿足，如圖1所示。上述薄膜液體除濕空調(diào)系統(tǒng)，通過靈活地冷卻回風空氣滿足了熱負荷，通過對在混合之前對通風空氣進行除濕滿足了濕負荷，這個系統(tǒng)有如下很多優(yōu)點。endprint

（1）冷卻盤管可以在更高的蒸發(fā)溫度下運行，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的冷卻盤管溫度還要高，從而提高了性能系數(shù)（COP）。

（2）冷卻盤管上沒有凝結(jié)，從而減少了發(fā)霉的風險和降低了維護費用。

（3）通過液體-空氣膜能量交換器的氣流率被限制在通風氣流以內(nèi)，意味著液體-空氣膜能量交換器是更小的，因此減少了成本。

（4）上述系統(tǒng)的控制效果預計會更好，因為是通過調(diào)整顯熱盤管和液體-空氣膜能量交換器除濕器的大小來解決不同的空氣流，而不是通過調(diào)整換熱器大小。

如圖1所示，當一個全熱交換器（ERV）安裝在一個全空氣HVAC系統(tǒng)中，室外炎熱潮濕空氣在進入之前被用排出調(diào)節(jié)空間的空氣預處理。假設全熱交換器運行在平衡送風和排風氣流速度下，并且除熱和除濕效率為75%。整個建筑物的濕負荷以及一部分熱負荷（包括空間，通風和空氣滲透負荷）都由除濕器滿足，除濕器給離開全熱交換器的通風空氣除濕，當沒有全熱交換器，給來自室外的通風空氣除濕。一部分來自調(diào)節(jié)空間的回風通過了僅除熱冷卻盤管，盤管滿足了除濕器滿足不了的熱負荷。然后，在進入調(diào)節(jié)空間之前，從冷卻盤管離開的被冷卻的回風與從除濕器離開的干燥通風空氣混合。僅除熱冷卻盤管運行在一個高蒸發(fā)溫度下，進而比傳統(tǒng)空調(diào)（傳統(tǒng)空調(diào)）系統(tǒng)使用的濕冷卻盤管有了更高的COP。所以，可以推測的是，僅除熱冷卻盤管的COP為5.5，比通常在傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)使用的濕冷卻盤管的為4的COP要高[10]。送風和排風風機的效率假設為60%。假定供給和排氣管道的壓降分別為1250 Pa和500 Pa，假定全熱交換器有200 Pa的壓降[11]。

3.2液體除濕空調(diào)系統(tǒng)

冷卻和濃縮的除濕劑液體，用來滿足整個調(diào)節(jié)空間的濕負荷，從除濕器離開后，變得溫熱和稀釋。稀釋的除濕劑液體需要被再生，為了重復利用來給炎熱和潮濕的通風空氣除濕。除濕劑溶液的再生靠提升溫度至表面蒸發(fā)壓力比室外環(huán)境空氣高來實現(xiàn)。所以，在被加熱盤管加熱至一個特定溫度（當使用全熱交換器，為45℃；當不使用全熱交換器，為50 ℃）之前，除濕劑液體在溶液-溶液顯熱交換器被預熱。離開加熱盤管的熱稀釋除濕劑液體，進入再生器用再生空氣（在本文指室外空氣）來濃縮。盡管來自再生器的除濕劑液體是濃縮的，它的溫度仍然很高。濃縮的除濕劑液體在進入除濕器之前必須要冷卻，為了減少它的表面蒸發(fā)壓力然后才能夠從潮濕的通風空氣中吸收水分。因此，除濕劑液體在液體-液體顯熱交換器中被預先冷卻，然后被一個干冷卻盤管冷卻至一個特定的設定溫度（當使用全熱交換器為23℃；當不使用全熱交換器為20 ℃）。可以推測，因為冷卻設備的高蒸發(fā)溫度，用來冷卻除濕劑液體的干燥冷卻盤管的冷卻設備運行在COP為7的條件下[10]。液體的冷卻負荷由一個冷卻熱泵來提供。

3.3液體除濕劑加熱系統(tǒng)

如圖2所示，液體除濕劑再生所需的熱能由太陽能提供。平板太陽能集熱器的性能是根據(jù)穩(wěn)態(tài)二次效率曲線集熱器模型來估計的，如公式（1）所示。集熱器的光學效率參數(shù)（a0）為0.78，同時熱損失參數(shù)（a1和a2）分別為3.87 W/（m2·K）和0.012 W/（m2·K）[12]。集熱器的水流量保持在40 kg/（h·m2），處在ASHRAE的建議范圍（36～72 kg/（h·m2）之內(nèi)[13]。入射角修正因子設定在不變值0.1。集熱器面朝南，傾斜角度為25.7N（邁阿密的緯度）。這個情況下，全年運行的太陽能系統(tǒng)可以最大化獲得太陽能[14]。集熱水箱是垂直的，縱橫比為4∶1，并且它包括15個完全混合節(jié)點，用來計算水箱內(nèi)的熱分層。墻體的總熱損失系數(shù)假設為0.7 W/（m2·K），處在建議的范圍（0.5～0.9）之中[15]。

3.4液體-空氣膜能量交換器

本研究中的除濕器和再生器為平板液體-空氣膜能量交換器，如圖3所示，平板液體-空氣膜能量交換器包含了幾個空氣和液體通道，通道用半透膜分離，這允許了空氣和除濕劑液體的傳熱和傳濕，而避免了任何液體液滴的傳播。因此，液體-空氣膜能量交換器中的送風和排風中沒有夾帶的液滴。圖3（b）表示了當運行在空氣除濕和液體再生模式下，液體-空氣膜能量交換器內(nèi)的傳熱和傳質(zhì)方向。傳熱和傳質(zhì)方向決定于除濕劑液體的溫度和濃度以及空氣的溫度和含濕量。例如，為了給一個濕空氣除濕，除濕劑液體的平衡含濕量應該比除濕器中空氣的含濕量低，并且在再生器中也反之亦然。

4系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

對于該系統(tǒng)來說，太陽能集熱系統(tǒng)可以稍微改進太陽能熱水器便可以使用，技術成熟，成本不高；而水蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也很簡單，成本低。由于溶液再生器和除濕器在大氣壓下運行，所以沒有壓力部件，許多部件都可以由塑料制成；再生和除濕填料的價格不高；整體結(jié)構(gòu)也很簡單。因此，與傳統(tǒng)的空調(diào)主機相比，其成本要低得多，安裝維護要簡單得多。對于運行成本，該系統(tǒng)的驅(qū)動能量用于太陽能等廢熱，僅供控制器使用，各種溶液泵，各種水泵運行。因此，考慮到太陽能和余熱等低級熱源非常便宜，系統(tǒng)可以儲存余熱，因此系統(tǒng)具有較高的能源效率和較低的運行成本?？梢杂幂^少的電量來冷卻，提供正確的溫度和濕度的新鮮空氣。因此，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，太陽能解決方案除濕空調(diào)系統(tǒng)成本低，安裝維護成本低，運行成本低，可以提供全新風。

5系統(tǒng)應用前景

太陽能是世界上分布最廣泛、儲量最豐富的資源之一。從地理分布情況來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在 4 kW·h/m2以上，西藏最高達 7 kW·h/m2[10]。而且太陽能是一種清潔可再生能源的使用，可以說是取之不盡。 隨著可再生能源的日益枯竭以及日益增長的環(huán)境污染，太陽能的開發(fā)利用勢必將成為未來社會經(jīng)濟發(fā)展的主要趨勢，預計將成為未來能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。。

隨著人們生活質(zhì)量的提高，太陽能集中式熱水系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)得到了大規(guī)模應用和推廣，伴隨著夏季太陽能熱量的損失越來越嚴重，導致太陽能集熱器的年效率不高。 夏季空調(diào)制冷使用太陽能是解決這個問題的有效途徑。 太陽能空調(diào)制冷最大的優(yōu)點是供需匹配好，夏季時間或地區(qū)越熱，制冷需求越多，太陽輻射越強，空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能力就越大。 因此，技術應用規(guī)模可以有效緩解夏季空調(diào)負荷的建設，為平衡電網(wǎng)高峰和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著?？諝獬凉袷强諝庹{(diào)節(jié)的一個重要方面，不同的生活與生產(chǎn)環(huán)境對濕度的要求不同， 控制濕度不僅與人的生活息息相關，也對工業(yè)生產(chǎn)等活動有著重要的影響。從室外氣候環(huán)境來看，我國大部分地區(qū)處于溫帶和亞熱帶季風性氣候，除濕時間較長，尤其是一些海洋性季風氣候地區(qū)和華南地區(qū)，全年氣候潮濕，除濕時間大約需要從 3 月初直到 10 月中旬，除濕量大；從建筑內(nèi)部空調(diào)濕負荷來看，相對一些大中型公共建筑，室內(nèi)人員量大，散濕設備較多，相對濕度大多不在人體舒適區(qū)范圍內(nèi)，也需要對空氣進行除濕處理。endprint

太陽能薄膜液體除濕空調(diào)系統(tǒng)充分利用了太陽能和液體除濕空調(diào)的優(yōu)點，并彌補了單一技術應用的相對缺點。利用液體除濕空調(diào)的巨大儲能特性可以彌補太陽能能量密度低，具有間歇性和不穩(wěn)定性等問題；液體除濕空調(diào)系統(tǒng)中除濕溶液再生能源消耗量較大，占到除濕空調(diào)系統(tǒng)總能源消耗量的 60%左右，而且所需能量品位較低，只要保證再生過程中溶液的溫度不低于 60℃，就能獲得良好穩(wěn)定的再生效果，而太陽能技術正能很好的滿足這一特點[16]。

太陽能薄膜液體除濕空調(diào)系統(tǒng)以其節(jié)能、環(huán)保、健康舒適等優(yōu)點引起了國內(nèi)外科研工作者的極大關注，并顯示出了良好的發(fā)展前景。

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Application Analysis on a Solar Membrane Liquid Desiccantair Conditioning System

Lin Yuanshen

（College of Environmental and Energy Engineering，AnhuiJianzhuUniversity， Hefei，Anhui， 230601， China）

Abstract： Liquid desiccant air conditioning（LDAC）system has gain more and more attention in recent years.A solar membrane liquid desiccant air conditioning （S-M-LDAC） system wasproposed and investigated in this study. Liquid-to-air mem- brane energy exchangers （LAMEEs） are used for humid air dehumidi？cation and dilute desiccant solution regeneration in the S-M-LDAC system. It also eliminates the problem of desiccant droplets carry over in supply and exhaust air streams， which limits the wide use of conventional direct-contact liquid desiccant air conditioning systems in commercial/residential applications.Thus，this system is more practical.

Key words： liquid desiccant air conditioning；liquid-to-air mem- brane energy exchangers；solar thermal systemendprint