一種太陽能薄膜液體除濕空調系統的應用分析

林遠深

摘要：指出了液體除濕空調系統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系統，在該太陽能薄膜液體除濕空調系統中，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，限制了傳統直接接觸液體除濕空調在商業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，這種系統具有更高的實用性。

關鍵詞：液體除濕空調系統；液體-空氣膜能量交換器；太陽能熱系統

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節系統給居住者提供了健康和高效的環境。在廣泛使用的低效傳統空調系統的操作中消耗了相當多的能量，帶來了一些環境問題，這些問題與能源生產例如空氣污染、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系統的發展停滯：①空調系統的能耗效率，②環境污染，③室內空氣質量。因此，科學家和工程師們正在努力開發更高效的，能夠在低能耗和空氣污染排放量的情況下獲得良好室內空氣質量的空調系統。

2太陽能薄膜液體除濕空調系統特點

在發展的節能空調技術中，液體除濕空調系統，在過去的幾十年里表現突出，而且被認為是廣泛使用的傳統空調系統系統的強大競爭對手。下面是幾個液體除濕空調系統的主要優點。

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

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

（3）液體除濕空調系統的主要能源需求低于傳統空調系統，當使用液體除濕空調系統時，排放到環境中廢氣量會更低。

（4）在液體除濕空調系統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，從而改善調節空間內的室內空氣質量。

太陽能熱冷卻系統，相比于傳統冷卻系統，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，太陽能熱冷卻系統可以分為開循環系統、閉循環系統和熱（機械）力學系統，其中開循環系統的特征是可以使用低等級熱能來運行。開循環系統被分為固體除濕空調系統（SDAC）和液體除濕空調系統（LDAC），其中液體除濕空調系統相比于固體除濕空調系統，有如下幾個優點。

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

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

（5）空氣調節和溶液再生功能在液體除濕空調系統中可以被物理隔離，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技術是由太陽能技術、熱能驅動的溶液除濕技術和水蒸發冷卻技術三者組成的。這三種技術都很環保和節能，具體表現如下。

（1）制造成本低，運行安全[7]。該種空調結構簡單，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。因此整個系統制造成本低，空調可在常壓下運行，安全可靠。

（2）節能并可高效儲能。該種空調可使用各種低品位熱源，如天然氣太陽能、工業廢熱和余熱等。可使用太陽能制得的60 ℃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都難以很好的利用。它又可避免傳統空調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使空調中的溶液泵、風機以及控制器運行，該種空調使用十分節能。而且可方便地實現高密度的儲能[8]。將多余的太陽能存儲起來，在太陽能不夠的時候使用。

（3）環保健康[9]。該種空調可提供全新風，可同時調節房間的空氣溫度和濕度。并且空調使用的除濕用水溶液對人體和環境無害，還可除塵殺菌，同時避免了“空調病”和“熱島現象”，因此，十分環保健康。

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

（5）太陽能除濕空調可使用在太陽能資源豐富的地區中的以下場合：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濕的地方。在這些地方，傳統的空 調無法勝任或成本太高，而溶液除濕空調則可以很好地勝任。并且該種空調可實現加濕、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系統介紹

3.1空氣側

在薄膜液體除濕空調系統中（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節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系統，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，這個系統有如下很多優點。endprint

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

（2）冷卻盤管上沒有凝結，從而減少了發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，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）上述系統的控制效果預計會更好，因為是通過調整顯熱盤管和液體-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系統中，室外炎熱潮濕空氣在進入之前被用排出調節空間的空氣預處理。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。一部分來自調節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，在進入調節空間之前，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溫度下，進而比傳統空調（傳統空調）系統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，比通常在傳統空調系統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液體除濕空調系統

冷卻和濃縮的除濕劑液體，用來滿足整個調節空間的濕負荷，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壓力比室外環境空氣高來實現。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

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穩態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（a0）為0.78，同時熱損失參數（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[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個完全混合節點，用來計算水箱內的熱分層。墻體的總熱損失系數假設為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的傳熱和傳質方向。傳熱和傳質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系統的經濟性分析

對于該系統來說，太陽能集熱系統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；而水蒸發冷卻系統結構也很簡單，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；整體結構也很簡單。因此，與傳統的空調主機相比，其成本要低得多，安裝維護要簡單得多。對于運行成本，該系統的驅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，系統可以儲存余熱，因此系統具有較高的能源效率和較低的運行成本。可以用較少的電量來冷卻，提供正確的溫度和濕度的新鮮空氣。因此，與傳統空調系統相比，太陽能解決方案除濕空調系統成本低，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，絕大多數地區年平均日輻射量在 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境污染，太陽能的開發利用勢必將成為未來社會經濟發展的主要趨勢，預計將成為未來能源結構的重要組成部分。。

隨著人們生活質量的提高，太陽能集中式熱水系統和供熱系統得到了大規模應用和推廣，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。 夏季空調制冷使用太陽能是解決這個問題的有效途徑。 太陽能空調制冷最大的優點是供需匹配好，夏季時間或地區越熱，制冷需求越多，太陽輻射越強，空調系統的冷卻能力就越大。 因此，技術應用規模可以有效緩解夏季空調負荷的建設，為平衡電網高峰和空調系統節能效果顯著。空氣除濕是空氣調節的一個重要方面，不同的生活與生產環境對濕度的要求不同， 控制濕度不僅與人的生活息息相關，也對工業生產等活動有著重要的影響。從室外氣候環境來看，我國大部分地區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和華南地區，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；從建筑內部空調濕負荷來看，相對一些大中型公共建筑，室內人員量大，散濕設備較多，相對濕度大多不在人體舒適區范圍內，也需要對空氣進行除濕處理。endprint

太陽能薄膜液體除濕空調系統充分利用了太陽能和液體除濕空調的優點，并彌補了單一技術應用的相對缺點。利用液體除濕空調的巨大儲能特性可以彌補太陽能能量密度低，具有間歇性和不穩定性等問題；液體除濕空調系統中除濕溶液再生能源消耗量較大，占到除濕空調系統總能源消耗量的 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系統以其節能、環保、健康舒適等優點引起了國內外科研工作者的極大關注，并顯示出了良好的發展前景。

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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