基于分布式能源低溫余熱利用的膜式液體除濕技術研究

羅城鑫，趙大周，劉心喜，谷菁

基于分布式能源低溫余熱利用的膜式液體除濕技術研究

羅城鑫，趙大周，劉心喜，谷菁

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；浙江省蓄能與建筑節能技術重點實驗室，浙江 杭州 310030）

隨著節能減排技術的不斷深入，分布式能源技術的綜合能源利用率也在逐步升高。探討了分布式能源梯級利用情況和常用的除濕技術，重點介紹了基于分布式能源低溫余熱的膜式液體除濕技術的優勢和潛力，提出了亟待研究和解決的關鍵技術和未來發展方向。

分布式能源；低溫余熱；膜式液體除濕；能源消費

1 引言

隨著經濟建設的快速發展，空調已經成為建筑、住宅和工業過程中的必需品。據《中國建筑能耗研究報告（2018年）》公布數據：2016年，中國建筑能源消費總量折算為8.99億噸標準煤，占全國能源消費總量的20.6%[1]。其中，空調能耗占建筑能耗的50%～60%，中國南方炎熱潮濕地區，用于空氣除濕的能耗占空調能耗的20%～40%[2]。由此可見，空調系統是建筑耗能大戶，而空調除濕系統有巨大的節能潛力，是建筑節能的主要發展方向。

空氣的濕度和溫度都是影響人體環境舒適度的重要指標。潮濕的空氣有利于細菌的繁殖和傳播，從而影響人的身體健康。傳統的冷卻除濕方式不能實現溫濕度獨立控制，而近年來比較受到關注的溫濕度獨立控制技術，可實現空調系統節能40%以上[3]。

2 某分布式能源梯級利用情況

分布式能源系統具有運行控制靈活、污染物排放低、綜合能源利用效率高等特點。根據“溫度對口、梯級利用”的科學用能思想[4]，分布式能源系統可以根據不同用戶的能源品位需求，把“源、網、荷、儲”等各環節嵌入用戶側，實現低成本的能源輸送過程，達到能源利用收益的最大化。

某分布式能源系統供能如圖1所示，燃料通過燃氣內燃機或者微型燃氣輪機燃燒釋放900～1 200 ℃高溫熱能用于驅動動力設備發電，產生的電能直接供給電負荷用戶或電儲能設備；400～500 ℃的中溫煙氣驅動余熱鍋爐產生蒸汽供熱用戶或驅動煙氣型溴化鋰吸收式冷水機組制冷；100 ℃熱水可用于驅動熱水型溴化鋰吸收式冷水機組制冷，從而實現了能源品位從高溫到低溫的梯級利用。

分布式能源通過燃料燃燒釋放的能量產生30%～40%發電效率的同時，發電后的余熱還可以用來制熱或制冷，從而使分布式能源系統的綜合能源利用效率達到70%。即便如此，仍有約30%的低溫余熱被浪費掉，所以系統仍有巨大的節能空間，可以利用分布式能源50～70 ℃的低溫余熱給膜法液體空調除濕系統的除濕溶液進行再生，減少空調系統能源消耗，提高整體能源利用水平，保障國家用電安全和促進可持續發展。

圖1 某分布式能源站的系統供能示意圖

3 除濕技術簡介

隨著人們對生活環境品質的要求不斷提高，除濕技術的研究也獲得廣泛關注。目前，常用的除濕技術主要有冷凍除濕、固體除濕、液體除濕和膜除濕。

3.1 冷凍除濕技術

冷凍除濕技術具有技術實現簡單、除濕效果好、性能穩定等優點[5]，是應用范圍最廣泛的除濕技術。它的原理是利用冷媒水（5～7 ℃）把空氣冷卻到露點以下使空氣中的水冷凝，再加熱到合適溫度送到室內。冷凍除濕法經過冷卻再升溫，不能實現溫度和濕度的獨立控制，使得這種方法耗能巨大。因此，溫濕度獨立控制是實現除濕系統節能的重要課題，固體或液體除濕劑可以脫除空氣中的水分，從而實現除濕系統中濕度和溫度的獨立控制。

3.2 固體除濕技術

固體除濕技術的原理是用固體除濕劑來吸附并脫除空氣中的水分，活性炭、活性氧化鋁和硅膠等都是常用的固體除濕材料。活性炭具有孔隙多、吸附面積大、能高效地從空氣中吸附水分的特點。由吸濕轉輪、空氣加熱器、固定分隔板等部件構成的除濕轉輪是實現對空氣除濕最常用的方法，隨著除濕轉輪的轉動，空氣除濕和除濕劑再生在轉輪的不同位置同時進行，從而實現對空氣的連續除濕。但固體除濕技術也有一些不足，比如當空氣通過固體干燥劑時，會造成一定的壓降損失；往往固體除濕材料的再生溫度較高，所以與之對應的再生能耗也較高。

3.3 液體除濕技術

液體除濕技術是利用液體除濕劑的強吸水性能對空氣進行干燥，吸收水蒸氣后的除濕劑可通過低溫廢熱或者太陽能等低品位熱源驅動再生。限制液體除濕技術應用的主要問題是液體除濕劑的除濕和再生過程中易造成除濕溶液的氣流攜帶，從而污染室內空氣，而且液體干燥劑的系統設計往往比固體干燥劑復雜；常用的液體除濕劑主要有氯化鈣、溴化鋰、氯化鋰、三甘醇等溶液，鹽溶液具有一定的腐蝕性，這不僅縮短了設備使用壽命，還增加了系統運行維護成本。但是相對于固體除濕劑而言，液體除濕劑具有流動特性，可以增強換熱過程擾動，增大接觸面積，從而強化熱質傳遞效果；它的再生溫度較低，所以對應的再生過程能耗也較低，只要50～80 ℃的低溫熱源即可實現溶液的再生，液體除濕劑的這種適用于低品位熱源驅動再生的特點使它成為非常有潛力的發展方向。

3.4 膜除濕技術

膜法空氣除濕的原理是基于溶解-擴散機理，對于特定的膜材料，水蒸氣在其中的透過速率比較大，其滲透系數比氮氣、氧氣和其他一些空氣中的微量氣體高至少兩個數量級。當含水蒸氣的空氣與膜材料接觸時，在膜的兩側形成水蒸氣的濃度梯度，高濃度水蒸氣向低濃度水蒸氣側擴散，所以增強膜兩側的濃度梯度可以提高膜的滲透效率。

為了加強這種濃度梯度，采用的傳統方法有壓縮法、真空法、吹掃汽法等。膜材料的質量直接影響整個除濕過程的性能，膜材料的造價、壽命都是影響膜法除濕技術發展的制約因素。

4 基于分布式能源低溫余熱利用的膜式液體除濕技術

綜上所述，單一除濕技術面臨能耗、室內空氣污染、材料腐蝕、成本等各種問題，組合式除濕技術可以集成不同除濕方法的技術優勢，比如膜除濕與制冷除濕的組合式除濕技術具有系統調節方便、適宜性強、運行平穩、節約能源等優勢，是今后除濕技術的研究重點和發展方向。

膜除濕與液體除濕的組合式除濕技術，空氣流和除濕溶液流分別布置于膜材料的兩側，空氣流中的水蒸氣可以透過選擇性滲透膜達到除濕溶液流側，水蒸氣不斷被除濕溶液流吸收并帶走，除濕溶液通過再生過程脫水濃縮，持續維持膜兩側的水蒸氣濃度梯度，實現空氣的高效除濕。該技術解決了單一液體除濕技術氣流攜帶的問題，而且液體除濕劑的再生溫度低，可以利用分布式能源系統中50～80 ℃的低溫余熱或太陽能等低品位能源驅動除濕劑的再生，因此，是提升綜合能源利用效率非常有潛力的研究熱點。

5 總結與建議

分布式能源具有的高效、清潔特點在改善生態環境、緩解溫室效應和環境污染等方面發揮了重要作用，隨著節能減排技術研究的不斷深入，挖掘能源利用潛力和尋求高品位能源的替代方案成為當今能源研究的發展方向。

基于分布式能源低溫余熱利用的膜式液體除濕技術具有廣闊的發展前景，以下是今后研究的主要方向：①膜材料是影響膜式液體除濕技術發展的重要因素，需要開發結構性能穩定、壽命長、成本低的選擇滲透膜材料；②除濕溶液對材料的腐蝕不可避免，需要進一步研究適用于膜式液體除濕技術的防腐措施；③開發更優秀的溶液冷卻方案以應對溶液吸濕后的放熱現象，消除除濕效率急劇下降的影響；④針對分布式能源低溫余熱利用的膜式液體除濕技術的系統方案的優化設計和研究。

［1］中國建筑節能協會能耗統計專委會.中國建筑能耗研究報告（2018）［EB/OL］.［2018-12-29］.http://www.cabee. org/site/c.ontent/22960.html.

［2］梁才航.膜法全熱回收制冷除濕系統的數值模擬與實驗研究［D］.廣州：華南理工大學，2010.

［3］張寧.熱泵驅動的中空纖維膜液體除濕系統的數值模擬與實驗研究［D］.廣州：華南理工大學，2015.

［4］吳仲華.能的梯級利用與燃氣輪機總能系統［M］.北京：機械工業出版社，1988.

［5］李麗芬，陳旭.單元式空調機冷凍除濕技術分析［J］.制冷與空調，2011，11（4）：14-18.

TU834.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.058

2095－6835（2019）18－0137－02

羅城鑫（1987—），男，浙江衢州人，碩士在讀，工程師，從事分布式能源低溫余熱利用技術的研究工作。

〔編輯：張思楠〕