一种太阳能薄膜液体除湿空调系统的应用分析

林远深

摘要：指出了液体除湿空调系统在近几年获得了越来越多的关注。设计了一种太阳能薄膜液体除湿空调系统，在该太阳能薄膜液体除湿空调系统中，液体-空气膜能量交换器被用于对湿空气除湿和稀释除湿剂液体的再生。在送风和排风空气中除湿剂液滴的剩余，限制了传统直接接触液体除湿空调在商业和民用建筑中的应用。而液体-空气膜能量交换器可以解决这个问题，因为液体-空气膜能量交换器使用一张半透膜使空气和液体分离，从而在不接触液体除湿剂的情况下传热和传湿。因此，这种系统具有更高的实用性。

关键词：液体除湿空调系统；液体-空气膜能量交换器；太阳能热系统

中图分类号：TU831

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）20016404

1引言

安装在建筑物中的空气调节系统给居住者提供了健康和高效的环境。在广泛使用的低效传统空调系统的操作中消耗了相当多的能量，带来了一些环境问题，这些问题与能源生产例如空气污染、全球变暖和酸性降水相关[1]。近期的研究表明，整个世界上的建筑要消耗大约40%的主要能源并且排放接近33%的温室气体[2]。以下3个相关问题造成了空调系统的发展停滞：①空调系统的能耗效率，②环境污染，③室内空气质量。因此，科学家和工程师们正在努力开发更高效的，能够在低能耗和空气污染排放量的情况下获得良好室内空气质量的空调系统。

2太陽能薄膜液体除湿空调系统特点

在发展的节能空调技术中，液体除湿空调系统，在过去的几十年里表现突出，而且被认为是广泛使用的传统空调系统系统的强大竞争对手。下面是几个液体除湿空调系统的主要优点。

（1）液体除湿空调系统能够高效地控制室内的空气湿度等级，应用于需要有效的湿度控制的场合。

（2）液体除湿空调消除了在传统空调系统中普遍存在的冷却线圈的冷凝现象，因此防止霉菌和细菌的生长。

（3）液体除湿空调系统的主要能源需求低于传统空调系统，当使用液体除湿空调系统时，排放到环境中废气量会更低。

（4）在液体除湿空调系统中使用的溶液除湿剂可以在45～65 ℃之间的低温下重新生成，所以低等级的热源，像平板太阳能集热器和低质量的废热等，可以满足热能的需求

（5） 溶液除湿剂能够从供给空气中吸收一些污染物，从而改善调节空间内的室内空气质量。

太阳能热冷却系统，相比于传统冷却系统，是一个有前途的技术，尤其应用在位于炎热和潮湿气候的地方，这种地方需要有效的温度和湿度控制。太阳能加热冷却系统的使用减少了化石燃料的燃烧和温室气体的排放。通常来说，太阳能热冷却系统可以分为开循环系统、闭循环系统和热（机械）力学系统，其中开循环系统的特征是可以使用低等级热能来运行。开循环系统被分为固体除湿空调系统（SDAC）和液体除湿空调系统（LDAC），其中液体除湿空调系统相比于固体除湿空调系统，有如下几个优点。

（1）固体除湿剂在除湿过程中释放热来处理空气，而液体除湿剂可以同时对空气做冷却和除湿处理。

（2）液体除湿剂比固体除湿剂有更大的吸水能力[4]。

（3）液体除湿空调系统需要的再生温度低至40～70 ℃之间，而固体除湿空调系统需要再生温度高达60～115 ℃[5]，因此，液体除湿空调系统可以用低等级热源比如平板型太阳集热器来高效运行。

（4）液体除湿空调系统可以与集中液体除湿剂储存系统相结合，从而允许更多的再生灵活时间。

（5）空气调节和溶液再生功能在液体除湿空调系统中可以被物理隔离，因为液体除湿剂可以被方便地在位于不同位置的换热器之间管道连接[6]。

太阳能溶液除湿空调技术是由太阳能技术、热能驱动的溶液除湿技术和水蒸发冷却技术三者组成的。这三种技术都很环保和节能，具体表现如下。

（1）制造成本低，运行安全[7]。该种空调结构简单，可在常压下运行，因此大大减少了对材料的承压要求，减少了材料的用量，且很多部分可使用塑料；而提供热源的太阳能集热器，制造成本不高.制造技术也很成熟。因此整个系统制造成本低，空调可在常压下运行，安全可靠。

（2）节能并可高效储能。该种空调可使用各种低品位热源，如天然气太阳能、工业废热和余热等。可使用太阳能制得的60 ℃以上的热水（使用CaCl2水溶液，则热源温度可以更低），且能效比较高。这样低温度的热源即使吸收式空调都难以很好的利用。它又可避免传统空调采用的冷凝除湿中的过度冷却和再热的损失，而使用电能仅仅是驱使空调中的溶液泵、风机以及控制器运行，该种空调使用十分节能。而且可方便地实现高密度的储能[8]。将多余的太阳能存储起来，在太阳能不够的时候使用。

（3）环保健康[9]。该种空调可提供全新风，可同时调节房间的空气温度和湿度。并且空调使用的除湿用水溶液对人体和环境无害，还可除尘杀菌，同时避免了“空调病”和“热岛现象”，因此，十分环保健康。

（4）空调能力随空调负荷正向变化。阳光越强烈，气温越高，空调的负荷越大，但同时太阳能能量越高。这样，恰好使得空调能力随空调负荷正向变化。

（5）太阳能除湿空调可使用在太阳能资源丰富的地区中的以下场合：人员密集、空气污浊、有毒和有高温热源；需要新风、或不能采用回风运行、门窗敞开、需要迅速降温或需要调湿的地方。在这些地方，传统的空 调无法胜任或成本太高，而溶液除湿空调则可以很好地胜任。并且该种空调可实现加湿、除湿、通风、热回收制冷和制热等功能，做到一机多用。

3太阳能薄膜液体除湿空调系统介绍

3.1空气侧

在薄膜液体除湿空调系统中（见图1），室外空气通过一个除湿器，目的是除湿至一个覆盖建筑物和一部分的热负荷的整个湿负荷（也就是空间，通风和渗透）的条件。剩余的热负荷通过冷却来自调节空间的回风空气来满足，如图1所示。上述薄膜液体除湿空调系统，通过灵活地冷却回风空气满足了热负荷，通过对在混合之前对通风空气进行除湿满足了湿负荷，这个系统有如下很多优点。endprint

（1）冷却盘管可以在更高的蒸发温度下运行，比传统空调系统的冷却盘管温度还要高，从而提高了性能系数（COP）。

（2）冷却盘管上没有凝结，从而减少了发霉的风险和降低了维护费用。

（3）通过液体-空气膜能量交换器的气流率被限制在通风气流以内，意味着液体-空气膜能量交换器是更小的，因此减少了成本。

（4）上述系统的控制效果预计会更好，因为是通过调整显热盘管和液体-空气膜能量交换器除湿器的大小来解决不同的空气流，而不是通过调整换热器大小。

如图1所示，当一个全热交换器（ERV）安装在一个全空气HVAC系统中，室外炎热潮湿空气在进入之前被用排出调节空间的空气预处理。假设全热交换器运行在平衡送风和排风气流速度下，并且除热和除湿效率为75%。整个建筑物的湿负荷以及一部分热负荷（包括空间，通风和空气渗透负荷）都由除湿器满足，除湿器给离开全热交换器的通风空气除湿，当没有全热交换器，给来自室外的通风空气除湿。一部分来自调节空间的回风通过了仅除热冷却盘管，盘管满足了除湿器满足不了的热负荷。然后，在进入调节空间之前，从冷却盘管离开的被冷却的回风与从除湿器离开的干燥通风空气混合。仅除热冷却盘管运行在一个高蒸发温度下，进而比传统空调（传统空调）系统使用的湿冷却盘管有了更高的COP。所以，可以推测的是，仅除热冷却盘管的COP为5.5，比通常在传统空调系统使用的湿冷却盘管的为4的COP要高[10]。送风和排风风机的效率假设为60%。假定供给和排气管道的压降分别为1250 Pa和500 Pa，假定全热交换器有200 Pa的壓降[11]。

3.2液体除湿空调系统

冷却和浓缩的除湿剂液体，用来满足整个调节空间的湿负荷，从除湿器离开后，变得温热和稀释。稀释的除湿剂液体需要被再生，为了重复利用来给炎热和潮湿的通风空气除湿。除湿剂溶液的再生靠提升温度至表面蒸发压力比室外环境空气高来实现。所以，在被加热盘管加热至一个特定温度（当使用全热交换器，为45℃；当不使用全热交换器，为50 ℃）之前，除湿剂液体在溶液-溶液显热交换器被预热。离开加热盘管的热稀释除湿剂液体，进入再生器用再生空气（在本文指室外空气）来浓缩。尽管来自再生器的除湿剂液体是浓缩的，它的温度仍然很高。浓缩的除湿剂液体在进入除湿器之前必须要冷却，为了减少它的表面蒸发压力然后才能够从潮湿的通风空气中吸收水分。因此，除湿剂液体在液体-液体显热交换器中被预先冷却，然后被一个干冷却盘管冷却至一个特定的设定温度（当使用全热交换器为23℃；当不使用全热交换器为20 ℃）。可以推测，因为冷却设备的高蒸发温度，用来冷却除湿剂液体的干燥冷却盘管的冷却设备运行在COP为7的条件下[10]。液体的冷却负荷由一个冷却热泵来提供。

3.3液体除湿剂加热系统

如图2所示，液体除湿剂再生所需的热能由太阳能提供。平板太阳能集热器的性能是根据稳态二次效率曲线集热器模型来估计的，如公式（1）所示。集热器的光学效率参数（a0）为0.78，同时热损失参数（a1和a2）分别为3.87 W/（m2·K）和0.012 W/（m2·K）[12]。集热器的水流量保持在40 kg/（h·m2），处在ASHRAE的建议范围（36～72 kg/（h·m2）之内[13]。入射角修正因子设定在不变值0.1。集热器面朝南，倾斜角度为25.7N（迈阿密的纬度）。这个情况下，全年运行的太阳能系统可以最大化获得太阳能[14]。集热水箱是垂直的，纵横比为4∶1，并且它包括15个完全混合节点，用来计算水箱内的热分层。墙体的总热损失系数假设为0.7 W/（m2·K），处在建议的范围（0.5～0.9）之中[15]。

3.4液体-空气膜能量交换器

本研究中的除湿器和再生器为平板液体-空气膜能量交换器，如图3所示，平板液体-空气膜能量交换器包含了几个空气和液体通道，通道用半透膜分离，这允许了空气和除湿剂液体的传热和传湿，而避免了任何液体液滴的传播。因此，液体-空气膜能量交换器中的送风和排风中没有夹带的液滴。图3（b）表示了当运行在空气除湿和液体再生模式下，液体-空气膜能量交换器内的传热和传质方向。传热和传质方向决定于除湿剂液体的温度和浓度以及空气的温度和含湿量。例如，为了给一个湿空气除湿，除湿剂液体的平衡含湿量应该比除湿器中空气的含湿量低，并且在再生器中也反之亦然。

4系统的经济性分析

对于该系统来说，太阳能集热系统可以稍微改进太阳能热水器便可以使用，技术成熟，成本不高；而水蒸发冷却系统结构也很简单，成本低。由于溶液再生器和除湿器在大气压下运行，所以没有压力部件，许多部件都可以由塑料制成；再生和除湿填料的价格不高；整体结构也很简单。因此，与传统的空调主机相比，其成本要低得多，安装维护要简单得多。对于运行成本，该系统的驱动能量用于太阳能等废热，仅供控制器使用，各种溶液泵，各种水泵运行。因此，考虑到太阳能和余热等低级热源非常便宜，系统可以储存余热，因此系统具有较高的能源效率和较低的运行成本。可以用较少的电量来冷却，提供正确的温度和湿度的新鲜空气。因此，与传统空调系统相比，太阳能解决方案除湿空调系统成本低，安装维护成本低，运行成本低，可以提供全新风。

5系统应用前景

太阳能是世界上分布最广泛、储量最丰富的资源之一。从地理分布情况来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在 4 kW·h/m2以上，西藏最高达 7 kW·h/m2[10]。而且太阳能是一种清洁可再生能源的使用，可以说是取之不尽。 随着可再生能源的日益枯竭以及日益增长的环境污染，太阳能的开发利用势必将成为未来社会经济发展的主要趋势，预计将成为未来能源结构的重要组成部分。。

随着人们生活质量的提高，太阳能集中式热水系统和供热系统得到了大规模应用和推广，伴随着夏季太阳能热量的损失越来越严重，导致太阳能集热器的年效率不高。 夏季空调制冷使用太阳能是解决这个问题的有效途径。 太阳能空调制冷最大的优点是供需匹配好，夏季时间或地区越热，制冷需求越多，太阳辐射越强，空调系统的冷却能力就越大。 因此，技术应用规模可以有效缓解夏季空调负荷的建设，为平衡电网高峰和空调系统节能效果显着。空气除湿是空气调节的一个重要方面，不同的生活与生产环境对湿度的要求不同， 控制湿度不仅与人的生活息息相关，也对工业生产等活动有着重要的影响。从室外气候环境来看，我国大部分地区处于温带和亚热带季风性气候，除湿时间较长，尤其是一些海洋性季风气候地区和华南地区，全年气候潮湿，除湿时间大约需要从 3 月初直到 10 月中旬，除湿量大；从建筑内部空调湿负荷来看，相对一些大中型公共建筑，室内人员量大，散湿设备较多，相对湿度大多不在人体舒适区范围内，也需要对空气进行除湿处理。endprint

太阳能薄膜液体除湿空调系统充分利用了太阳能和液体除湿空调的优点，并弥补了单一技术应用的相对缺点。利用液体除湿空调的巨大储能特性可以弥补太阳能能量密度低，具有间歇性和不稳定性等问题；液体除湿空调系统中除湿溶液再生能源消耗量较大，占到除湿空调系统总能源消耗量的 60%左右，而且所需能量品位较低，只要保证再生过程中溶液的温度不低于 60℃，就能获得良好稳定的再生效果，而太阳能技术正能很好的满足这一特点[16]。

太阳能薄膜液体除湿空调系统以其节能、环保、健康舒适等优点引起了国内外科研工作者的极大关注，并显示出了良好的发展前景。

参考文献：

[1]

Wang J， Zhai ZH， Zhang C，et al. Environmental impact analysis of BCHPsystem in different climate zones in China[J]. Energy， 2010（35）：4208～16.

[2]Perez-Lombard L， Ortiz J， Pout C. A review on buildings energy consumptioninformation[J]. Energy Build， 2008（40）：394～398.

[3]Li HWD， Yang L， Lam JC. Impact of climate change in energy use in the builtenvironment in different climate zones-a review[J]. Energy Build， 2012（42）：103～12.

[4]ASHRAE. ASHRAE Handbook-Fundamentals， American Societyof Heating， Refrigerating and Air-Conditioning Engineers， Inc.，Atlanta， Georgia，2009.

[5]Katejanekarn， T.， Kumar， S. Performance of a solar-regeneratedliquid desiccant ventilation pre-conditioning system[J]. Energy Build，2008（40）：1252～1267.

[6]Sullivan， C. Liquid desiccant dehumidification for challengingenvironments[J]. Eng. Syst.， 2011（28）.

[7]顾洁，唐钢.液体除湿的经济性分析田[J].暖通空调，2003， 33 （6）：117～118.

[8]张小松，费秀峰溶液除湿燕发冷却系统及其蓄能特性初步研究[J].大连理工大学学报， 2001，41（1）.

[9]江亿，李震，陈晓阳，等.溶液式空调及其应用[J].暖通空调.2004，33（Ⅱ）：88～97.

[10]罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术[M].北京：化学工业出版社，2005：217～220.

[11]Fauchoux， M.T.， Simonson， C.J.， Torvi， D.A. The effect of energyrecovery on perceived air quality， energy consumption， and theeconomics of an office building[J]. ASHRAE Trans，2007（113）：436～448.

[12]La， D.， Dai， Y.， Li， Y.， et al. Case study and theoretical analysis of a solar driventwo-stage rotary desiccant cooling systemassistedby vapor compression air-conditioning[J]. Sol. Energy，2011（85）：2997～3009.

[13]Kim， Y.-D.， Thu， K.， Bhatia， H.K.， et al. Thermalanalysis and performance optimization of a solar hot water plant witheconomic evaluation[J]. Sol. Energy，2012（86）：1378～1395.

[14]Elminir， H.K.， Ghitas， A.E.， El-Hussainy， F.， et al. Optimum solar flat-plate collector slope：case study for Helwan， Egypt[J]. Energy Convers. Manage，2006（47）：624～637.

[15]Syed， A.， Izquierdo， M.， Rodriguez， P.， et al. A novel experimental investigation of asolar cooling in Madrid[J]. Int. J. Refrig，2005（28）：859～871.

[16]殷勇高，張小松，权硕，等.溶液除湿冷却系统的再生性能实验研究[J]. 工程热物理学报，2005，26（6）：915～917.

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