太陽(yáng)能溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)再生技術(shù)的研究進(jìn)展與能耗分析

,2

(1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096； 2 東南大學(xué)能源熱力與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教育部 南京 210096)

溶液除濕技術(shù)因其能夠高效利用低品位熱能和除濕效率較高而備受關(guān)注[1-3]。與常規(guī)空調(diào)相比，溶液除濕空調(diào)具有更好的空氣除濕性，能夠有效凈化空氣，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，耗電量低[4-5]。且鹽溶液還能實(shí)現(xiàn)高密度儲(chǔ)能，儲(chǔ)存能力高達(dá)1 300～1 400 MJ/m3，比傳統(tǒng)冰蓄冷高3～4倍，無(wú)需保溫等措施[6-7]。太陽(yáng)能作為一種利用自由、環(huán)保潔凈的可再生能源，與溶液除濕相結(jié)合是緩解空調(diào)能耗和環(huán)境問(wèn)題的重要解決方案，近年來(lái)利用太陽(yáng)能進(jìn)行溶液再生已成為研究熱點(diǎn)[8-9]。太陽(yáng)能溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)是一種利用低品位能源的空調(diào)系統(tǒng)，它利用太陽(yáng)能熱量進(jìn)行溶液再生，所需的溫度范圍為40～80 ℃[5]。然后將再生后的濃溶液儲(chǔ)存，巨大儲(chǔ)能特性可以彌補(bǔ)太陽(yáng)能能量密度低、間歇性、不穩(wěn)定等問(wèn)題。溶液再生過(guò)程是太陽(yáng)能溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)中最重要的部分之一。本文研究的主要目的是介紹太陽(yáng)能溶液再生技術(shù)的發(fā)展，尋求提高太陽(yáng)能溶液再生系統(tǒng)的方法。

1 太陽(yáng)能溶液再生技術(shù)的研究現(xiàn)狀

再生器是整個(gè)溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)中最重要的傳熱傳質(zhì)設(shè)備之一[10]，合理利用太陽(yáng)能等低品位能源可以有效減少溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)的能耗。根據(jù)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成的能量形式的不同，太陽(yáng)能溶液再生系統(tǒng)劃分為三種：1)光熱式(PT)溶液再生，利用集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成熱能，并用所得熱能驅(qū)動(dòng)溶液再生；2)光伏式(PV)溶液再生，利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，并以電能的形式驅(qū)動(dòng)的溶液再生；3)光伏/熱式(PV/T)溶液再生，利用太陽(yáng)能電池和集熱器將太陽(yáng)能分別轉(zhuǎn)化為電能和熱能，以驅(qū)動(dòng)復(fù)合型溶液再生。

1.1 太陽(yáng)能光熱式(PT)溶液再生的研究現(xiàn)狀

太陽(yáng)能光熱式(PT)溶液再生系統(tǒng)一般由太陽(yáng)能集熱器、熱再生器、儲(chǔ)液罐、泵等組成[11]，如圖1所示。光熱式溶液再生，根據(jù)再生方式的不同，可分為空氣式和沸騰式。Yin Yonggao等[12-13]對(duì)填料塔式再生器的溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)再生器熱源溫度對(duì)再生性能有重要影響，并對(duì)比了內(nèi)熱型再生器和傳統(tǒng)絕熱型再生器，結(jié)果表明內(nèi)熱型再生器具有較高的再生速率和能源利用效率?？諝馐皆偕b置一般利用再生空氣和稀溶液接觸并將其水分帶走，所需熱源溫度較低，溶液再生濃度和效率較低，且受環(huán)境因素影響較大[14]。除濕溶液的沸騰式再生能夠降低空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室外環(huán)境的依賴性，沸騰式的再生設(shè)備一般是利用稀溶液沸騰將其水分蒸餾出去，沸騰再生方式受環(huán)境因素的影響很小，但所需再生溫度較高[15]。李達(dá)等[16]搭建了低壓沸騰溶液再生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并建立數(shù)學(xué)模型, 分析了不同運(yùn)行工況對(duì)溶液再生裝置性能的影響規(guī)律。徐惠斌等[17-18]研究了常見(jiàn)鹽溶液的沸騰溫度和傳熱系數(shù)，研究表明在相對(duì)濕度為40%的空氣狀態(tài)參數(shù)下，LiBr、CaCl2、LiCl溶液和空氣相平衡時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46%、40%、31%，LiBr、CaCl2、LiCl溶液的沸騰溫度分別為123、116、121 ℃，再生溫度較高。H. R. Yon等[19]提出一種在真空條件下運(yùn)行的溶液再生系統(tǒng)，這種新型的吸收性液體除濕再生(ALDR)系統(tǒng)有望取代傳統(tǒng)的溶液除濕系統(tǒng)(LDDS)中的常規(guī)填料再生器，并建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證其可行性，結(jié)果表明：當(dāng)真空壓力為1～2 kPa，LiBr為除濕劑時(shí)，ALDR系統(tǒng)的再生溫度降至20～35 ℃，該系統(tǒng)的再生溫度明顯低于其他形式的再生系統(tǒng)。PT溶液再生，根據(jù)溶液的加熱過(guò)程與濃縮過(guò)程是否在同一裝置上進(jìn)行，又分為間接太陽(yáng)能溶液再生器和直接太陽(yáng)能溶液再生器。間接太陽(yáng)能再生設(shè)備一般由填料噴淋塔和太陽(yáng)能平板集熱器組成，太陽(yáng)能平板集熱器不考慮再生過(guò)程；直接太陽(yáng)能再生器指集熱裝置上同時(shí)進(jìn)行溶液的加熱過(guò)程和濃縮過(guò)程，也稱為集熱/再生器。Peng Donggen等[20-22]對(duì)一種新型太陽(yáng)能溶液預(yù)處理集熱/再生器的再生性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)新型再生器溶液出口濃度、再生效率、蓄能容量均有較大提高，建立數(shù)學(xué)控制方程，并與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證模型的正確性，研究表明逆流形式比順流形式的太陽(yáng)能集熱/再生器性能提高了10%。

熱再生是較為常見(jiàn)的溶液再生方式，但有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：1)熱再生大部分受高溫高濕空氣的影響，在高溫高濕條件下再生效果不佳；2)熱再生必然造成溶液溫度的升高，產(chǎn)生對(duì)除濕過(guò)程不利的熱量；3)熱再生存在液滴濺入周圍環(huán)境并污染周圍空氣的風(fēng)險(xiǎn)[23]。

圖1 典型的光熱式(PT)溶液再生系統(tǒng)Fig.1 Typical photothermal (PT) solution regeneration system

1.2 太陽(yáng)能光伏式(PV)溶液再生的研究現(xiàn)狀

圖2所示為一種典型的太陽(yáng)能光伏式電滲析(PV-ED)再生系統(tǒng)，采用PV-ED再生技術(shù)可以很好地解決熱再生過(guò)程中的問(wèn)題[24-25],且太陽(yáng)能光伏板能夠加強(qiáng)屋面的通風(fēng)換熱，在一定程度上減小建筑能耗[26]。

吳俊偉[27]建立了計(jì)算系統(tǒng)綜合效率，利用投資回收期的數(shù)學(xué)模型，對(duì)比了太陽(yáng)能光伏和光熱制冷系統(tǒng)的綜合效率，結(jié)果表明太陽(yáng)能光伏制冷系統(tǒng)的綜合效率遠(yuǎn)高于光熱制冷系統(tǒng)。Li Xiuwei等[28-29]提出了一種基于PV-ED再生的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)，并對(duì)該種再生方式進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該種再生方法具有良好的穩(wěn)定性，性能遠(yuǎn)高于熱再生方式。為進(jìn)一步探索電滲析再生，Cheng Qing等[30-33]將一種新型太陽(yáng)能溶液耦合再生系統(tǒng)與傳統(tǒng)太陽(yáng)能溶液熱再生系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明，新型系統(tǒng)比太陽(yáng)能熱再生系統(tǒng)具有更大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，并建立了電滲析(ED)再生器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以確定不同濃度的液體干燥劑再生過(guò)程中ED再生器的穩(wěn)定性，研究了ED再生器在不同濃度下的再生性能。

國(guó)外對(duì)PV溶液再生技術(shù)方面的研究也不斷增多。Guo Yi等[34]以LiCl溶液為除濕劑進(jìn)行了電滲析再生實(shí)驗(yàn)，研究分析了溶液流量、電流密度、溶液初始濃度對(duì)電滲析的再生能力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)電滲析再生器的設(shè)計(jì)有很大幫助。A. Al-Jubainawi等[35]探討了膜電滲析在液體溶液系統(tǒng)中的傳質(zhì)機(jī)理和性能，結(jié)果表明為了獲得較好的電滲析性能，應(yīng)該盡量減小再生和淡化溶液之間的濃度差。

圖2 典型的光伏式電滲析(PV-ED)再生系統(tǒng)Fig.2 Typical photovoltaic electrodialysis (PV-ED) regeneration system

2 太陽(yáng)能光伏/熱式(PV/T)再生系統(tǒng)

PV/T組件由太陽(yáng)能電池和集熱器組成[37]，太陽(yáng)能電池和集熱器分別使用了太陽(yáng)光譜的不同部分，集熱器使用紅外波，太陽(yáng)能電池使用可見(jiàn)光波，因此PV/T組件可以更有效地利用整個(gè)太陽(yáng)光譜。且集熱器將太陽(yáng)能電池表面的熱量收集帶走，降低了太陽(yáng)能電池表面的溫度，提高了太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率，PV/T組件安裝所需的總空間小于每個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)安裝的空間[38]。儲(chǔ)存罐中的濃溶液進(jìn)入除濕器中對(duì)空氣進(jìn)行除濕，除濕后的濃溶液被稀釋，由溶液泵送入PV/T組件進(jìn)行加熱，溫度升高后的稀溶液進(jìn)入熱再生器，在熱再生器中溫度較高的稀溶液與環(huán)境空氣直接接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換，熱再生后的溶液進(jìn)入電滲析再生器中進(jìn)一步再生，電滲析再生器的電能由PV/T組件提供，電滲析再生后的濃溶液流入儲(chǔ)存罐進(jìn)行儲(chǔ)存。圖3所示為一種典型的太陽(yáng)能光伏/熱式電滲析(PV/T-ED)再生系統(tǒng)[30,36]。

圖3 典型的光伏/熱電滲析(PV/T-ED)再生系統(tǒng)Fig.3 Typical photovoltaic/thermoelectric dialysis (PV/T-ED) regeneration system

2.1 光熱式(PT)再生系統(tǒng)能耗模型

在PT再生系統(tǒng)溶液再生過(guò)程中，再生器消耗的能量主要為用于加熱稀溶液的太陽(yáng)能，溶液泵和風(fēng)機(jī)的能耗較少可忽略。加熱后的稀溶液與環(huán)境空氣直接接觸，空氣將稀溶液中的水分帶走。理想狀態(tài)下， PT再生過(guò)程再生單位質(zhì)量濃溶液所消耗的太陽(yáng)能為[30]：

(1)

式中：QTH為加熱稀溶液的太陽(yáng)能，kW；mTH為太陽(yáng)能集熱器中稀溶液的質(zhì)量流量，kg/s；mw為稀溶液中水的蒸發(fā)速率，kg/s；r0為水的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；ηcollector太陽(yáng)能集熱器的集熱效率，%；ηTH為熱再生效率，%；Cin、Cout分別為再生系統(tǒng)溶液進(jìn)、出口的質(zhì)量濃度，%。

2.2 太陽(yáng)能光伏式(PV)再生系統(tǒng)能耗模型

在PV再生系統(tǒng)溶液再生過(guò)程中，ED再生器所耗電能為運(yùn)行電流與電壓的乘積，同樣忽略溶液泵的能耗，而再生器運(yùn)行消耗的電能來(lái)源于太陽(yáng)能電池。因此，PV-ED再生過(guò)程再生單位質(zhì)量濃溶液所消耗的太陽(yáng)能為[30]：

(2)

式中：QPV為電滲析再生消耗的太陽(yáng)能，kW；mPV為稀溶液的質(zhì)量流量，kg/s;z為溶液的化學(xué)價(jià)；F為法拉第常數(shù)；U為電滲析再生器運(yùn)行的電壓，V；β為太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率；ζ為電流效率；N為膜對(duì)數(shù)；M為溶液溶質(zhì)的分子質(zhì)量，g/mol。

2.3 太陽(yáng)能光伏/熱(PV/T)再生系統(tǒng)能耗模型

PV/T-ED再生系統(tǒng)的PV/T組件同時(shí)為系統(tǒng)提供電能和熱能，以驅(qū)動(dòng)電滲析再生器和熱再生器，PV/T-ED再生系統(tǒng)的能耗主要取決于PV/T組件的能耗，系統(tǒng)中溶液泵和風(fēng)機(jī)的能耗較小可忽略。PV/T-ED再生系統(tǒng)再生單位質(zhì)量濃溶液所消耗的太陽(yáng)能為[39]：

(3)

(4)

3 能耗對(duì)比分析結(jié)果

運(yùn)用以上建立的3種太陽(yáng)能再生系統(tǒng)的能耗模型，分別對(duì)其進(jìn)行能耗模擬。為了更直接地對(duì)比不同系統(tǒng)間的能耗，假設(shè)系統(tǒng)的除濕溶液均為L(zhǎng)iCl溶液，相同太陽(yáng)輻射，相同面積的光熱/光伏板。這3種太陽(yáng)能再生系統(tǒng)的能耗模型參數(shù)較多，運(yùn)用Cheng Qing等[39]的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬過(guò)程中的參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 模擬計(jì)算參數(shù)[39]Tab.1 Simulation calculation parameters

圖4 ED再生器入口濃度對(duì)再生系統(tǒng)能耗的影響Fig.4 Effect of electrodialysis regenerator inlet concentration on energy consumption of regenerative system

圖5 熱再生效率對(duì)3種再生系統(tǒng)能耗的影響Fig.5 Effect of thermal regeneration efficiency on energy consumption of three different regeneration systems

當(dāng)PV/T-ED再生系統(tǒng)處于理想工況下運(yùn)行，3種太陽(yáng)能再生系統(tǒng)的Cin=35%、Cout=38%時(shí)，再生系統(tǒng)消耗的太陽(yáng)能隨ηTH的變化如圖5所示。由圖5可知，在理想工況下PV/T-ED再生系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗最低，PV-ED再生系統(tǒng)次之，PT再生系統(tǒng)最高，PV/T-ED再生系統(tǒng)具有較大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)ηTH由40%增至60%時(shí)，PV-ED再生系統(tǒng)和PV/T-ED再生系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗均隨之減小，分別減小了33.2%和15.1%，熱再生效率對(duì)PT再生系統(tǒng)影響較大，對(duì)PV/T-ED再生系統(tǒng)的影響較小。

PV/T-ED系統(tǒng)仍處于理想工況下運(yùn)行，3種太陽(yáng)能再生系統(tǒng)Cout=38%，PT再生系統(tǒng)和PV/T-ED再生系統(tǒng)中ηTH=50%時(shí)，3種太陽(yáng)能再生系統(tǒng)的太陽(yáng)能能耗隨再生系統(tǒng)Cin的變化如圖6所示。由圖6可知，在相同Cin時(shí)，同樣是PV/T-ED再生系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗最低，PV-ED再生系統(tǒng)次之，PT再生系統(tǒng)最高。當(dāng)Cin從35%增至37.5%，3種太陽(yáng)能再生系統(tǒng)的太陽(yáng)能能耗均會(huì)減少，這是由于Cout相同，Cin的減少使再生系統(tǒng)再生的量減少，再生系統(tǒng)的太陽(yáng)能能耗也隨之減少。當(dāng)Cin=35%時(shí)，PV/T-ED再生系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗比PT再生系統(tǒng)節(jié)能69.6%，PV-ED再生系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗比PT再生系統(tǒng)節(jié)能51.6%；當(dāng)Cin=37.5%時(shí)，PV/T-ED再生系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗比PT再生系統(tǒng)節(jié)能68%，PV-ED再生系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗比PT再生系統(tǒng)節(jié)能48%，隨著Cin的增加，PV/T-ED再生系統(tǒng)、PV-ED再生系統(tǒng)與PT再生系統(tǒng)相比的節(jié)能優(yōu)勢(shì)也隨之減少，分別降低1.6%和3.6%。再生系統(tǒng)入口溶液濃度在低濃度的情況下，PV/T-ED再生系統(tǒng)、PV-ED再生系統(tǒng)的節(jié)能效果更明顯，且PV/T-ED再生系統(tǒng)受Cin影響更小。

圖6 溶液入口濃度對(duì)3種再生系統(tǒng)能耗的影響Fig.6 Effect of solution inlet concentration on energy consumption of three different regeneration systems

通過(guò)上述分析可知，太陽(yáng)能光熱光伏的綜合利用有效降低系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗，是未來(lái)太陽(yáng)能溶液再生技術(shù)研究的方向。目前溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)中使用的除濕溶液最常見(jiàn)的有LiCl溶液、LiBr溶液、CaCl2溶液。為了方便對(duì)比3種不同除濕溶液在PV/T-ED再生系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，假設(shè)PV/T-ED再生系統(tǒng)處于理想工況下運(yùn)行，3種不同除濕溶液狀態(tài)下，系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗相同，系統(tǒng)溶液入口參數(shù)相同。對(duì)于溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)，其再生能力可用溶液進(jìn)出口濃度差ΔC=Cout-Cin表示。對(duì)于不同除濕溶液的除濕能力可通過(guò)除濕溶液和空氣水蒸氣分壓力差Δp=pa-ps表示，其中ps為不同除濕溶液的水蒸氣分壓力，可由文獻(xiàn)[40-41]計(jì)算得到，pa為空氣水蒸氣分壓力，以南京市為例，取3 368 Pa[42]。整個(gè)再生過(guò)程中系統(tǒng)溫度變化均較小，對(duì)比時(shí)設(shè)定除濕溶液的溫度為30 ℃[42-43]。如圖7所示為L(zhǎng)iCl溶液、LiBr溶液、CaCl2溶液分別在PV/T-ED再生系統(tǒng)中進(jìn)出口濃度變化量ΔC和除濕能力Δp隨Cin的變化。由圖7可知，相同入口濃度時(shí)，出口濃度變化量ΔC由小到大分別為L(zhǎng)iCl-H2O、CaCl2-H2O、LiBr-H2O，而出口溶液除濕能力由小到大分別為CaCl2-H2O、LiBr-H2O、LiCl-H2O。當(dāng)Cin從35%升至40%時(shí)，出口溶液除濕能也隨之增強(qiáng)。因此，LiBr-H2O的再生進(jìn)出口濃度差最大，而LiCl-H2O再生后除濕能力最強(qiáng)。

圖7 不同除濕溶液的再生濃度變化量和除濕能力對(duì)比Fig.7 Comparison of the concentration change and dehumidification capacity of different dehumidifying solutions

4 結(jié)論

本文對(duì)太陽(yáng)能光熱再生方法和太陽(yáng)能光伏再生方法的最新技術(shù)進(jìn)行了綜述，并對(duì)太陽(yáng)能光熱再生方法、太陽(yáng)能光伏再生方法、太陽(yáng)能光熱/伏再生方法進(jìn)行了對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1)太陽(yáng)能溶液熱再生系統(tǒng)嚴(yán)重依賴于周圍環(huán)境，在高溫高濕的氣候條件下，太陽(yáng)能熱再生不能滿足除濕要求，且在光熱式溶液再生中不可避免的造成了溶液溫度的升高，產(chǎn)生了對(duì)除濕過(guò)程不利的熱量。太陽(yáng)能光伏電滲析再生系統(tǒng)與熱再生相比，不再受周圍氣候的影響，同時(shí)也避免了再生溶液的液滴濺入周圍環(huán)境并污染空氣。

2)太陽(yáng)能光伏/熱再生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的綜合利用，通過(guò)能耗模擬發(fā)現(xiàn)，在理想狀態(tài)下，光伏/熱電滲析再生比光伏電滲析再生節(jié)能40.5%，光伏電滲析再生比光熱再生節(jié)能51.6%，太陽(yáng)能光熱光伏的綜合利用有效降低系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗，是未來(lái)太陽(yáng)能溶液再生技術(shù)研究的方向。

3)在理想工況下，光伏電滲析再生系統(tǒng)和光伏/熱電滲析系統(tǒng)太陽(yáng)能能耗均隨熱再生效率的增加而減小，分別減小了33.2%和15.1%，熱再生效率對(duì)光熱再生系統(tǒng)影響較大，對(duì)光伏/熱電滲析再生系統(tǒng)的影響較小。

4)分析溶液入口濃度對(duì)3種再生系統(tǒng)能耗的影響發(fā)現(xiàn)，光伏/熱電滲析再生系統(tǒng)、光伏電滲析再生系統(tǒng)與熱再生系統(tǒng)相比的節(jié)能優(yōu)勢(shì)隨著溶液入口濃度的增加而減少，分別降低了1.6%和3.6%，光伏/熱電滲析再生系統(tǒng)受濃度影響較小。

5)PV/T-ED再生系統(tǒng)處于理想工況下運(yùn)行時(shí)，對(duì)比LiCl溶液、LiBr溶液、CaCl2溶液3種溶液再生結(jié)果發(fā)現(xiàn)，出口濃度變化量ΔC由小到大分別為L(zhǎng)iCl-H2O、CaCl2-H2O、LiBr-H2O，而出口溶液除濕能力由小到大分別為CaCl2-H2O、LiBr-H2O、LiCl-H2O。