基于分布式能源低溫余熱利用的膜式液體除濕技術(shù)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(shù)研究

羅城鑫，趙大周，劉心喜，谷菁

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310030）

隨著節(jié)能減排技術(shù)的不斷深入，分布式能源技術(shù)的綜合能源利用率也在逐步升高。探討了分布式能源梯級(jí)利用情況和常用的除濕技術(shù)，重點(diǎn)介紹了基于分布式能源低溫余熱的膜式液體除濕技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和潛力，提出了亟待研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)和未來(lái)發(fā)展方向。

分布式能源；低溫余熱；膜式液體除濕；能源消費(fèi)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，空調(diào)已經(jīng)成為建筑、住宅和工業(yè)過程中的必需品。據(jù)《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2018年）》公布數(shù)據(jù)：2016年，中國(guó)建筑能源消費(fèi)總量折算為8.99億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20.6%[1]。其中，空調(diào)能耗占建筑能耗的50%～60%，中國(guó)南方炎熱潮濕地區(qū)，用于空氣除濕的能耗占空調(diào)能耗的20%～40%[2]。由此可見，空調(diào)系統(tǒng)是建筑耗能大戶，而空調(diào)除濕系統(tǒng)有巨大的節(jié)能潛力，是建筑節(jié)能的主要發(fā)展方向。

空氣的濕度和溫度都是影響人體環(huán)境舒適度的重要指標(biāo)。潮濕的空氣有利于細(xì)菌的繁殖和傳播，從而影響人的身體健康。傳統(tǒng)的冷卻除濕方式不能實(shí)現(xiàn)溫濕度獨(dú)立控制，而近年來(lái)比較受到關(guān)注的溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能40%以上[3]。

2 某分布式能源梯級(jí)利用情況

分布式能源系統(tǒng)具有運(yùn)行控制靈活、污染物排放低、綜合能源利用效率高等特點(diǎn)。根據(jù)“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的科學(xué)用能思想[4]，分布式能源系統(tǒng)可以根據(jù)不同用戶的能源品位需求，把“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)”等各環(huán)節(jié)嵌入用戶側(cè)，實(shí)現(xiàn)低成本的能源輸送過程，達(dá)到能源利用收益的最大化。

某分布式能源系統(tǒng)供能如圖1所示，燃料通過燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)或者微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒釋放900～1 200 ℃高溫?zé)崮苡糜隍?qū)動(dòng)動(dòng)力設(shè)備發(fā)電，產(chǎn)生的電能直接供給電負(fù)荷用戶或電儲(chǔ)能設(shè)備；400～500 ℃的中溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽供熱用戶或驅(qū)動(dòng)煙氣型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組制冷；100 ℃熱水可用于驅(qū)動(dòng)熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組制冷，從而實(shí)現(xiàn)了能源品位從高溫到低溫的梯級(jí)利用。

分布式能源通過燃料燃燒釋放的能量產(chǎn)生30%～40%發(fā)電效率的同時(shí)，發(fā)電后的余熱還可以用來(lái)制熱或制冷，從而使分布式能源系統(tǒng)的綜合能源利用效率達(dá)到70%。即便如此，仍有約30%的低溫余熱被浪費(fèi)掉，所以系統(tǒng)仍有巨大的節(jié)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(diào)除濕系統(tǒng)的除濕溶液進(jìn)行再生，減少空調(diào)系統(tǒng)能源消耗，提高整體能源利用水平，保障國(guó)家用電安全和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

圖1 某分布式能源站的系統(tǒng)供能示意圖

3 除濕技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著人們對(duì)生活環(huán)境品質(zhì)的要求不斷提高，除濕技術(shù)的研究也獲得廣泛關(guān)注。目前，常用的除濕技術(shù)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(shù)

冷凍除濕技術(shù)具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、除濕效果好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[5]，是應(yīng)用范圍最廣泛的除濕技術(shù)。它的原理是利用冷媒水（5～7 ℃）把空氣冷卻到露點(diǎn)以下使空氣中的水冷凝，再加熱到合適溫度送到室內(nèi)。冷凍除濕法經(jīng)過冷卻再升溫，不能實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的獨(dú)立控制，使得這種方法耗能巨大。因此，溫濕度獨(dú)立控制是實(shí)現(xiàn)除濕系統(tǒng)節(jié)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(shí)現(xiàn)除濕系統(tǒng)中濕度和溫度的獨(dú)立控制。

3.2 固體除濕技術(shù)

固體除濕技術(shù)的原理是用固體除濕劑來(lái)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(diǎn)。由吸濕轉(zhuǎn)輪、空氣加熱器、固定分隔板等部件構(gòu)成的除濕轉(zhuǎn)輪是實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣除濕最常用的方法，隨著除濕轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣除濕和除濕劑再生在轉(zhuǎn)輪的不同位置同時(shí)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的連續(xù)除濕。但固體除濕技術(shù)也有一些不足，比如當(dāng)空氣通過固體干燥劑時(shí)，會(huì)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(duì)應(yīng)的再生能耗也較高。

3.3 液體除濕技術(shù)

液體除濕技術(shù)是利用液體除濕劑的強(qiáng)吸水性能對(duì)空氣進(jìn)行干燥，吸收水蒸氣后的除濕劑可通過低溫廢熱或者太陽(yáng)能等低品位熱源驅(qū)動(dòng)再生。限制液體除濕技術(shù)應(yīng)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(nèi)空氣，而且液體干燥劑的系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往比固體干燥劑復(fù)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(shè)備使用壽命，還增加了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本。但是相對(duì)于固體除濕劑而言，液體除濕劑具有流動(dòng)特性，可以增強(qiáng)換熱過程擾動(dòng)，增大接觸面積，從而強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞效果；它的再生溫度較低，所以對(duì)應(yīng)的再生過程能耗也較低，只要50～80 ℃的低溫?zé)嵩醇纯蓪?shí)現(xiàn)溶液的再生，液體除濕劑的這種適用于低品位熱源驅(qū)動(dòng)再生的特點(diǎn)使它成為非常有潛力的發(fā)展方向。

3.4 膜除濕技術(shù)

膜法空氣除濕的原理是基于溶解-擴(kuò)散機(jī)理，對(duì)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(shù)比氮?dú)?、氧氣和其他一些空氣中的微量氣體高至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)含水蒸氣的空氣與膜材料接觸時(shí)，在膜的兩側(cè)形成水蒸氣的濃度梯度，高濃度水蒸氣向低濃度水蒸氣側(cè)擴(kuò)散，所以增強(qiáng)膜兩側(cè)的濃度梯度可以提高膜的滲透效率。

為了加強(qiáng)這種濃度梯度，采用的傳統(tǒng)方法有壓縮法、真空法、吹掃汽法等。膜材料的質(zhì)量直接影響整個(gè)除濕過程的性能，膜材料的造價(jià)、壽命都是影響膜法除濕技術(shù)發(fā)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(shù)

綜上所述，單一除濕技術(shù)面臨能耗、室內(nèi)空氣污染、材料腐蝕、成本等各種問題，組合式除濕技術(shù)可以集成不同除濕方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，比如膜除濕與制冷除濕的組合式除濕技術(shù)具有系統(tǒng)調(diào)節(jié)方便、適宜性強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)約能源等優(yōu)勢(shì)，是今后除濕技術(shù)的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

膜除濕與液體除濕的組合式除濕技術(shù)，空氣流和除濕溶液流分別布置于膜材料的兩側(cè)，空氣流中的水蒸氣可以透過選擇性滲透膜達(dá)到除濕溶液流側(cè)，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(xù)維持膜兩側(cè)的水蒸氣濃度梯度，實(shí)現(xiàn)空氣的高效除濕。該技術(shù)解決了單一液體除濕技術(shù)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(tǒng)中50～80 ℃的低溫余熱或太陽(yáng)能等低品位能源驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。

5 總結(jié)與建議

分布式能源具有的高效、清潔特點(diǎn)在改善生態(tài)環(huán)境、緩解溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等方面發(fā)揮了重要作用，隨著節(jié)能減排技術(shù)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(dāng)今能源研究的發(fā)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(shù)具有廣闊的發(fā)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(shù)發(fā)展的重要因素，需要開發(fā)結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、成本低的選擇滲透膜材料；②除濕溶液對(duì)材料的腐蝕不可避免，需要進(jìn)一步研究適用于膜式液體除濕技術(shù)的防腐措施；③開發(fā)更優(yōu)秀的溶液冷卻方案以應(yīng)對(duì)溶液吸濕后的放熱現(xiàn)象，消除除濕效率急劇下降的影響；④針對(duì)分布式能源低溫余熱利用的膜式液體除濕技術(shù)的系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究。

［1］中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗統(tǒng)計(jì)專委會(huì).中國(guó)建筑能耗研究報(bào)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(tǒng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.

［3］張寧.熱泵驅(qū)動(dòng)的中空纖維膜液體除濕系統(tǒng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2015.

［4］吳仲華.能的梯級(jí)利用與燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［5］李麗芬，陳旭.單元式空調(diào)機(jī)冷凍除濕技術(shù)分析［J］.制冷與空調(diào)，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(shù)的研究工作。

〔編輯：張思楠〕