太阳能空气预处理分级溶液集热再生系统特性

彭冬根，张小松

（1．南昌大学建筑工程学院，南昌 330031；2．东南大学能源与环境学院，南京 210096）

太阳能空气预处理分级溶液集热再生系统特性

彭冬根1，张小松2

（1．南昌大学建筑工程学院，南昌 330031；2．东南大学能源与环境学院，南京 210096）

为了提高太阳能溶液集热再生器的效率，该文提出太阳能空气预处理分级溶液集热再生方法。通过定义蒸发率的品质系数和有效溶液比将一、二级太阳能集热再生模型和预除湿模型进行联接，建立系统数学模型。模拟结果表明，溶液预除湿的热交换效率为0.69时，有效蓄能密度SCe达到最大；室外空气相对湿度和太阳辐射强度存在一个临界值，用于判断该溶液再生方法和直接溶液集热再生的优劣。研究结果显示室外相对湿度越大，太阳辐射强度越弱，分级集热再生的方法越能体现其优势。

太阳能；模型；分级集热再生；品质系数；临界值；相对湿度

彭冬根，张小松.太阳能空气预处理分级溶液集热再生系统特性[J].农业工程学报，2016，32（6）：242-247. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.033 http://www.tcsae.org

Peng Donggen,Zhang Xiaosong.Characteristics of solar air-pretreatment solution grading thermal regeneration system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):242－247.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.033 http://www.tcsae.org

0 引言

太阳能溶液再生装置[1-2]是太阳能溶液除湿蒸发冷却空调系统的最重要部件。国内外学者将太阳能集热和溶液再生相结合构建太阳能溶液集热/再生装置[3]。太阳能集热再生装置分为自然和强迫对流2种，最早是采用自然对流方式对溶液进行集热/再生，并且是直接采用斜屋顶对溶液进行集热/再生[4]。自然对流太阳能溶液集热/再生装置依据其与室外环境的接触程度分为敞开式[5]、部分敞开式[6-7]及带玻璃盖板封闭式[8-9]3种。由于自然对流太阳能集热再生器再生效率较低[10]，因此国内外学者纷纷构建强迫对流太阳能溶液集热/再生器，Yang等在20世纪90年代至21世纪初对强迫对流太阳能溶液集热/再生装置进行大量理论和实验研究[11-15]。左远志等对强迫对流太阳能溶液集热/再生器进行了结构改进和系统创新[16-17]。Alizadeh等对顺流太阳能溶液集热再生过程进行理论和试验研究，得到溶液再生效率最大可达0.8～0.9左右[18-19]。Li等在对太阳能溶液集热/再生过程进行理论建模时考虑了溶液对玻璃盖板辐射换热影响[20]。Peng等构建了一种（单级）空气预处理太阳能集热再生装置，并进行相关理论研究，但是该装置采用和再生溶液等浓度的溶液对再生用空气进行预除湿，不利于系统性能改善[21-22]。因此，本文设计一种新型太阳能溶液再生系统[23]——太阳能空气预处理分级溶液集热再生系统，并建立理论模型对系统性能分析。

1 太阳能空气预处理分级溶液集热再生原理

太阳能空气预处理分级溶液集热再生系统（见图1）包括空气循环回路与溶液循环回路。

在空气循环回路中，室外空气直接进入一级集热/再生器与其中的低浓度溶液（预除湿溶液）进行传热传质，吸收低浓度溶液中水分后排到室外环境，构成一级再生空气回路。二级再生空气分别来自空气预处理器和室外环境，两者混合后进入二级集热/再生器吸收其中高浓度溶液（目的溶液）内水分后排到室外。

溶液循环回路分为一级再生溶液回路、二级再生溶液回路和预除湿溶液回路。一级再生溶液回路的溶液在一级集热/再生器、空气预处理器、（一级）溶液热交换器及一级再生溶液管路之中流动。一级再生溶液属于装置内循环溶液，它相对于二级再生溶液（目的溶液）是一种低浓度溶液，其再生和除湿循环只是为目的溶液再生提供相对干燥再生用空气，提高目的溶液（高浓度溶液）再生效果。二级再生溶液回路是一个外接管回路，从外部再生溶液槽出来的需再生目的溶液（高浓度溶液）先经二级溶液热交换器预热升温后进入二级集热/再生器中，与其中的空气进行热、质交换浓缩后经由二级溶液热交换器预冷，回到外部除湿溶液槽中。除湿溶液槽中储存的溶液可以用于对除湿空调系统中的空调用空气进行除湿，稀释后的溶液进入再生溶液槽。预除湿溶液回路也是一种装置内循环，它是在空气预处理器内部循环，从空气预处理器的下部储液槽中出来的预除湿溶液经过防腐溶液泵加压进入溶液—水热交换器降温，之后流入预处理器上部布液槽中，布液槽中溶液靠自身重力下行流动与其中预除湿空气进行接触，吸收预除湿空气中水分。

图1 太阳能空气预处理分级溶液再生原理图Fig.1 Schematic diagram of solar air-pretreatment solution grading collector/regenerator

空气预处理分级溶液集热/再生系统采用较稀溶液对室外空气进行预除湿以达到对更高浓度溶液进行更有效再生目的，它实现了不同浓度溶液分级再生和能源分级利用，有效提高能源利用效率，达到节能目的。

2 太阳能空气预处理分级溶液再生模型

2.1 太阳能集热再生模型

文献[24]已提出一种太阳能集热再生理论模型，在此基础上文献[25]进一步提出一种改进型太阳能集热再生过程的数值模型，并结合实验数据对模型进行验证。文中一、二级太阳能集热/再生器采用文献[25]提出的模型。

2.2 预除湿模型

图1中作为预处理器的填料除湿器采用文献[26]提出的湿度效率和等焓率拟合方程预测空气出口参数变化。2.3 其它参数模型

1）蓄能能力（密度）SC（MJ/m3）

对于溶液再生器,可用单位体积的稀溶液蒸发水分变为一定浓度浓溶液时所需的能量表示其蓄能能力。在忽略水蒸汽的显热，以再生器入口稀溶液定义单位体积再生溶液的蓄能能力（密度）（MJ/m3）为：式中ma为二级再生器内空气质量流量，kg/s；Y为空气含湿量，g/kg；hfg为水的蒸发潜热，kJ/kg；X为溶液中单位质量盐分所含水量，kg/kg；ξin为再生器入口溶液含盐分浓度，kg/kg；ρs,in为稀溶液密度，kg/m3；Vs,in为稀溶液的体积流量，m3/s；Δ为进出口差值。

2）流量因子ϑ

图1中二级太阳能集热/再生器入口空气可分别来自填料除湿器和室外环境空气，为衡量两者比例，定义经过预除湿后空气流量和二级太阳能集热/再生器内空气流量的比值为流量因子。

3）品质系数ψ

在溶液再生或除湿过程可分别用蒸发率或除湿率来表征其性能特性，但是蒸发率或除湿率受溶液浓度影响较大，即蒸发率（除湿率）不仅有量大小问题，还存在品质高低的问题。为此，文中取溶液（氯化锂）浓度等于0.4 kg/kg时的蒸发率作为基准，提出体现浓度变化对蒸发率影响的品质系数概念：

式中mev|ξ=0.4为浓度为0.4 kg/kg时溶液再生蒸发率，kg/s；mev|ξ为某浓度时溶液再生蒸发率，kg/s。

品质系数定义为在0.4浓度下溶液再生蒸发率和在其它某种浓度（ξ）下蒸发率的比值，其物理含义为在其他相同条件下，不同浓度下蒸发率的换算关系。品质系数越高说明蒸发率的品质也就越好。

4）有效溶液比Rs

文献[22]对（单级）太阳能空气预处理集热/再生装置定义有效溶液比（%）：

本文所提出的太阳能空气预处理分级溶液集热/再生，采用2种不同浓度的溶液集热再生器，也即空气预处理溶液（也即一级集热再生溶液）和二级集热再生溶液浓度不同。因此不能仅采用公式（4）定义有效溶液比。引入蒸发率品质系数分析方法对空气预处理分级溶液集热/再生系统进行建模分析，将不同浓度下的蒸发率（除湿率）转换为基准浓度下的等效量值进行比较。可重新定义有效溶液比：

式中mde为填料除湿率，kg/s；mev为二级集热再生蒸发率，kg/s。

二级再生蒸发率：

式中ms,in为二级集热/再生器溶液入口质量流量，kg/s；ξin，ξout为二级集热/再生器溶液进出口浓度，kg/kg；Ya，in，Ya，out为二级集热/再生器空气进、出口含湿量,kg/kg。填料除湿率（也即一级集热/再生蒸发率）：

式中ms，in为一级集热/再生器溶液入口质量流量，kg/s；为一级集热/再生器溶液进出口浓度，kg/kg；Y0，为一级集热/再生器空气进、出口含湿量，kg/kg。

将公式（6）和公式（7）代入公式（5）得：

为和二级集热/再生参数区别，图1中一级集热/再生器和填料除湿器参数采用下划线表示。

公式（8）计算的有效溶液比Rs充分考虑再生品质影响，即便在预除湿率量值上大于二级蒸发率时，由于预除湿率的品质系数要远低于二级蒸发率的品质系数，因此有效溶液比仍然非常可观。

5）系统有效蓄能密度SCe（MJ/m3）

在分级集热/再生系统中，为提高二级集热/再生器蓄存的蓄能能力，牺牲了一级集热/集热再生器对目的溶液进行再生所产生的蓄能能力，为了真实反映该系统的蓄能能力，定义有效蓄能密度为二级集热再生的蓄能密度SC和系统有效溶液比Rs乘积，即：

有效蓄能密度SCe真实反映了分级集热/再生过程中以牺牲一级集热/再生面积对二级集热/再生性能提高的综合效果。

3 理论性能及分析

文中理论模拟系统性能主要针对二级集热再生装置，其集热板长2 m，宽度1 m，盖板高度0.035 m。一级集热再生装置的板长、盖板高度同二级集热再生，但是其宽度假想是可变的，由其需要的再生蒸发率决定，该值等于填料除湿器的除湿率。一、二级集热再生溶液入口温度30℃，浓度分别为0.4 kg/kg（二级再生）和0.3 kg/kg（一级再生），冷却水温25℃，单位面积溶液流量15 kg/（m2.h），单位宽度空气流量240 kg/（m.h）；预处理空气流量因子1.0，预除湿器的气液流量比1.5。下文性能分析中，有效蓄能密度SCe表示预处理二级再生扣除一级再生等品质蒸发率的综合性能，蓄能密度SC分预处理和直接再生2种工况，预处理SC为图1中流量因子ϑ=1.0时二级集热再生性能，直接再生SC为流量因子ϑ=0时二级集热再生性能。

3.1 预除湿参数对系统性能影响

由文献[26]提出的预测预除湿器出口参数的效率模型可知填料除湿器的结构改变对湿度效率产生重大影响。它的结构参数包括比表面积a和填料高度Z乘积组成的复合变量（aZ），另外对湿度效率模型产生作用的还有冷却水温度及其热交换效率εhe（该热交换效率为图1中一级溶液热交换效率和溶液水热交换效率综合值）。下文分别改变热交换器结构（εhe）和填料结构复合变量（aZ），分析它们对预处理分级集热再生系统性能的影响。分析中一、二级集热/再生器的室外空气温度25℃，湿度15 g/kg，太阳辐射强度800 W/m2。尽管一级集热再生宽度可变，但由于溶液和空气流量也会成比例变化，因此其再生效率不变，经计算一级集热/再生器在上述运行工况下的品质系数Ψ为0.173，溶液出口温度为43.2℃。

在保持aZ=110不变时，热交换效率εhe从0.6提高到0.95，填料除湿溶液入口温度从32℃下降到26℃，对预处理分级溶液集热再生系统性能影响见图2（a）所示。图中显示随热交换效率提高，二级集热/再生蓄能能力从28.3 MJ/m3增加到36.5 MJ/m3，有效溶液比从77.5%下降到49%，有效蓄能密度先从21.9 MJ/m3上升到23.1 MJ/m3，之后下降到17.9 MJ/m3，在εhe=0.69时SCe达到最大值。图2（a）表明当溶液热交换效率变大时，预除湿量增加比例比溶液再生蒸发率提高比例大造成有效溶液比Rs下降，但是体现预除湿溶液再生系统性能的有效蓄能能力存在一个最大值。说明再生用空气预除湿程度对系统性能影响存在一个最佳工况。在相同工况下二级溶液直接集热/再生（再生用空气完全来自室外环境）的蓄能密度为13.3 MJ/m3，预处理溶液分级集热再生系统的有效蓄能密度最大提高73.7%，表明预除湿溶液再生性能要比直接再生提高非常显著。

在填料除湿器中，比表面积a大小表征填料布置疏密程度，而填料除湿长度Z越大说明空气和溶液接触距离越长除湿效果越好，因此aZ值大小能反映空气预除湿程度，其值从100增加大200对系统性能作用见图2（b）所示，其它条件同上。图2（b）显示aZ随值增大，溶液二级集热再生蓄能能力SC呈增加趋势，有效溶液比Rs呈下降趋势，两者综合表现为有效蓄能密度SCe随aZ增加而增加。另外，图中比较3种热交换效率εhe下再生性能，表明热交换效率越高，溶液再生蓄能密度SC相应也越高，有效溶液比Rs下降，但是有效蓄能密度SCe在热交换效率εhe= 0.69时达最大，这和图2（a）表现的规律相同。无论是提高溶液热交换效率εhe，还是增加aZ值都会提高再生用空气预除湿程度，但是两者在系统性能SCe上表现的规律不尽相同，热交换效率εhe存在一个最佳值，而aZ值提高却会一直提高系统性能。这种不同变化是由于空气除湿后温度变化不同，热交换效率εhe使空气预除湿出口湿度降低的同时也会造成温度下降，再生用空气湿度下降会提高溶液再生性能，温度下降会减弱溶液再生性能，因而εhe变化存在一个最佳工况。但是，只是aZ变化时，再生用空气湿度下降同时温度也会提高，因而aZ增大对溶液再生只起正面作用。

图2 预除湿参数对再生性能影响Fig.2 Effect of pre-dehumidification parameters on regeneration performance

3.2 室外环境状态对系统性能影响

除了空气预处理器的结构参数外，室外环境也都会对系统性能产生作用。本节分别对环境空气温度、湿度及太阳辐射强度对系统性能影响进行分析。计算参数为：填料比表面积和高度乘积（aZ）110，热交换效率（εhe）0.7，室外空气温度30℃，其它参数同上。但是一级集热/再生器的品质系数Ψ会随环境参数变化。

图3（a）为环境湿度从10 g/kg提高至20 g/kg，一级集热再生蒸发率的品质系数及系统性能变化。随环境湿度增加，一级集热/再生器的品质系数Ψ从0.44下降到0.057，说明环境湿度增加，浓、稀浓度之间的蒸发率差值加大。当Y0为20 g/kg时浓度为0.4的蒸发率为0.3浓度时的5.6%，室外湿度增加严重阻碍了高浓度溶液再生。当Y0小于11.5 g/kg时，有效溶液比Rs大于100%，预处理分级集热再生的有效蓄能能力SCe不仅高于预处理二级集热再生蓄能能力SC，并且预处理二级集热再生SC小于直接再生蓄能密度SC，这些都是由于在这些工况下室外湿度要低于除湿溶液（0.3浓度）的平衡湿度，也就是说填料器不仅没起到对再生用空气预除湿的作用，反而使再生用空气湿度增大，溶液再生性能降低，因此在该工况下有效蓄能密度SCe并不是真实值。

另外，有效溶液比Rs随环境湿度增加呈现先减后增变化，在Y0=17 g/kg时达到最小值。同样，空气预除湿再生的有效蓄能密度SCe也表现为先降后升，在Y0＞16 g/kg时有效蓄能密度SCe要明显高于直接再生的蓄能密度SC。说明只有当环境湿度Y0达到一定值时，预处理分级再生系统性能才具备优势；当室外空气相对干燥时预处理再生并不如溶液直接集热/再生。其实这也正是空气预处理再生的本意，如果室外空气干燥自然不需要预除湿过程。

在相同环境含湿量下，不同环境温度对应不同相对湿度也会对系统性能产生作用，见图3（b）所示。在环境湿度Y0为15 g/kg时，当环境温度T0从25℃上升到35℃，相对湿度φ0从75%下降到42%，一级集热/再生器的蒸发率品质系数ψ从0.2提高到0.35，说明相对湿度越高，浓度变化对蒸发率值影响越大；预处理再生的有效溶液比Rs从0.65下降到0.61后有所上升；预除湿再生比直接再生的蓄能密度SC提高12～18 MJ/m3，相对湿度越高两者相差越大；当T0＜29℃（φ0≥60%）时有效蓄能密度SCe高于直接再生的蓄能密度SC，反之则低于，说明当相对湿度φ0高于60%时预处理分级再生性能要高于直接再生，在φ0=75%时，预处理再生的有效蓄能密度提高了近40%。综合环境温、湿度变化对系统性能作用可知，60%相对湿度为预处理分级再生和直接再生性能比较的临界值，湿度高于临界值的环境状态才能体现预处理再生的优势。当然相对湿度的临界值随溶液入口参数及太阳辐射强度等参数改变。

图3（c）为太阳辐射强度从650至1 100 W/m2变化对预处理分级再生系统性能影响，图中显示一级集热/再生器的蒸发率品质系数Ψ随太阳辐射强度提高，从0.076上升到0.5左右，说明太阳辐射越低，浓度改变对蒸发率值影响越大。空气预除湿再生比直接再生的蓄能密度SC提高11.5～15.8 MJ/m3，预处理再生的有效溶液比Rs随太阳辐射增加呈现先降后升变化。预除湿再生的系统性能表现为当太阳辐射Ic小于780 W/m2时，预除湿再生的有效蓄能密度SCe要高于直接再生的蓄能密度SC，反之，则预处理再生性能不如直接再生。上述分析可知预处理再生的性能在太阳辐射较弱时才具有明显优势，其实如果环境湿度较大，太阳辐射受大气云层的阻挡，直射到地面上的辐射强度势必相对要弱，这就为预处理再生系统的应用提供了条件。另外可根据太阳辐射强度的变化，改变流量因子ϑ1值可使系统在预处理再生和直接再生2种工况之间转换使得系统性能达到最优。

图3 室外环境对再生性能影响Fig.3 Effect of surrounding conditions on regeneration performance

4 结论

1）通过定义体现浓度变化对水分蒸发率影响的品质系数，构建反映太阳能空气预处理分级溶液集热再生性能的参数模型。

2）通过分析预除湿参数对系统性能影响，发现溶液预除湿的热交换效率存在一个佳值（SCe=0.69），使系统有效蓄能密度SCe达到最大；并且溶液有效蓄能密度SCe随aZ增加而上升。

3）室外环境温湿度都空气预处理分级集热再生影响表现为存在一个临界相对湿度（60%），当室外环境湿度高于临界值时，预处理分级再生性能优于直接集热再生；并且太阳辐射强度对系统性能影响也存在临界值（780W/m2）,太阳辐射强度低于临界值时，预处理分级再生性能优于直接集热再生。

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Characteristics of solar air-pretreatment solution grading thermal regeneration system

Peng Donggen1,Zhang Xiaosong2
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Nanchang University,Nanchang,330031,China;2.School of Energy and Environment, Southeast University,Nanjing,210096,China)

At present,the most widely used air-conditioner is vapor compression cooling systems driven by electrical power. The dehumidification method of vapor compression cooling systems is often to cool the air below its dew point,and so the approach consumes much electrical energy,particularly when the air should be reheated after the dehumidification process. Besides the traditional dehumidification method(cooling the air below its dew point),the air may also be dehumidified by liquid desiccant and the liquid may be regenerated by solar energy.As a result,solar energy-driven liquid desiccant cooling systems have emerged as a potential alternative to conventional vapor compression systems for cooling and air conditioning. Two important parts of the solar liquid desiccant air conditioning system are the regenerator in which the weak solution is concentrated,and the solar collector in which solar radiation is transformed into heat energy.The 2 components may achieve their own functions respectively.The weak desiccant solution flows into the solar collector and absorbs the solar thermal energy,leading to the increase in its temperature,and then the heated weak desiccant solution flows into the regenerator and contacts with the passing air stream.In the regenerator,moisture is evaporated from the hot weak solution and then removed by the passing air,and as a result the weak solution is concentrated.On the other hand,solar collector/ regenerators(C/Rs)are designed to achieve the dual functions of solar collector and solution regenerator for high regeneration efficiency.In order to increase the efficiency of solar solution C/R,a method of solar air-pretreatment solution grading C/R is put forward in this paper.The solar air-pretreatment solution grading C/R is chiefly made up of the first grade solar C/R,the second grade solar C/R and the packed bed dehumidifier.The first grade solar C/R adopts directly surrounding air for regenerating solution with low concentration that is used to dehumidify the regeneration air for regenerating solution with high concentration in the second grade solar C/R.Such design aims to increase regeneration efficiency of strong solution in the second grade solar C/R.A mathematical model on solar air-pretreatment solution grading C/R is built by defining quality factor of evaporation rate of water vapor that is used to show difference of regeneration performance of different concentration solutions under other same parameters.In that model,effective solution proportion and effective storage capacity are defined to describe the performance of solar air-pretreatment solution grading C/R.The simulation results show when the efficiency of heat exchange used for solution pre-dehumidification is equal to 0.69,the effective storage capacity reaches the maximum.Moreover,the effective storage capacity increases with the increasing of the product of specific surface area and tower length.There are critical values for relative humidity of surrounding air and solar radiation intensity that are used for judging if the new solution regeneration method is superior to direct solar solution C/R. Simulation results show the critical values for relative humidity and solar radiation intensity are 60%and 780 W/m2respectively under given simulation conditions in the paper.When the relative humidity of surrounding air is greater and the solar radiation intensity is weaker than its own critical value,solar air-pretreatment solution grading C/R has greater superiority compared with traditional solar C/R.Finally,it is concluded that the proposed solar air-pretreatment solution grading C/R performs satisfactorily for regenerating the solution with high concentration under the climates of high humidity and low solar radiation in southern China.

solar;models;grading collector/regenerator;quality factor;critical value;relative humidity

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.033

TK511.3

A

1002-6819（2016）-06-0242-06

2015-08-07

2016-01-28

国家自然科学基金项目（51266010）；江西省科技支撑计划项目（20123BBG70195）

彭冬根（1975-），男，博士，副教授，主要从事太阳能制冷空调研究。南昌 南昌大学建筑工程学院，330031。Email:ncu_hvac2013@163.com