熱回收型太陽能分級溶液集熱/再生系統(tǒng)能量與分析

摘 要：基于熱力學第一、第二定律，建立熱回收型太陽能分級溶液集熱/再生系統(tǒng)的能量與分析數(shù)學模型。通過對比分析系統(tǒng)的效率和再生效率，揭示各種因素對系統(tǒng)熱力學性能的影響，結果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的效率高于再生效率，說明系統(tǒng)對能量“質(zhì)”的利用程度高于對能量“量”的利用程度。通過系統(tǒng)各部件損系數(shù)分析得到這些參數(shù)的最佳范圍，優(yōu)化后的系統(tǒng)再生效率和效率分別為27.3%、29.4%。通過系統(tǒng)損率分析可知，系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)在一級太陽能集熱/再生器、二級太陽能集熱/再生器以及填料式除濕器。

關鍵詞：太陽能；熱回收；能量；；溶液再生

中圖分類號：TQ028.8" " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，中國在2020年的建筑運行總商品能耗已占全國能源消費總量的五分之一以上［1］。而在中國建筑運行能耗中，空調(diào)的運行能耗占一半以上。近年來人們不斷尋找能夠減少空調(diào)能耗的途徑，溶液除濕空調(diào)因其健康、高效、節(jié)能等優(yōu)點而越來越受到關注。太陽能驅(qū)動的溶液除濕空調(diào)是一種清潔的可再生能源技術，對緩解能源短缺問題具有重要意義。國內(nèi)外學者對太陽能集熱和溶液再生進行過大量研究，Mehta等［2］研究了將新型真空管道作為再生器的太陽能溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)；李剛等［3］對太陽能溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)熱舒適性進行了模擬研究；梁澤德等［4］研究了基于自然冷源驅(qū)動和太陽能再生的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)。由于僅僅采用能量分析方法無法揭示系統(tǒng)內(nèi)部存在的能量“質(zhì)”的損耗，許多研究人員基于熱力學第二定律對溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)進行分析。Kiran等［5］對溶液除濕再生器進行能量、熵與分析；張勤靈等［6］對基于熱泵驅(qū)動的溶液除濕系統(tǒng)進行了分析；關博文等［7］基于分析，推導了在進行溶液除濕時的換熱器的最佳溶液流量。

在以往研究中，往往忽略了對系統(tǒng)損分布的分析，而其對于改進系統(tǒng)性能具有重要作用。筆者早前提出一種為了在極端氣候條件下提高高濃度溶液的集熱再生效率的太陽能分級溶液集熱再生系統(tǒng)［8］。在前期研究中，從能量角度出發(fā)對系統(tǒng)進行了再生性能分析以及氣候適應性分析，但還缺乏有關能量“質(zhì)”方面的分析。因此，本文從能量“質(zhì)”方面出發(fā)對太陽能分級集熱再生系統(tǒng)進行分析，分析對系統(tǒng)熱力學性能影響較大的因素并比較它們對系統(tǒng)效率以及各部件損系數(shù)的影響，給出這些參數(shù)的最佳范圍。通過對系統(tǒng)損率分析，得到系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，以期為系統(tǒng)進一步研究指明方向。

1 太陽能分級溶液集熱再生系統(tǒng)模型

圖1為分級再生的太陽能集熱/再生系統(tǒng)，在系統(tǒng)中，一級再生溶液只在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，其經(jīng)過一級太陽能集熱/再生器進行再生過程，目的是為二級再生提供干燥空氣。二級再生溶液是目的溶液，在二級太陽能集熱/再生器中進行再生。再生用空氣直接來自室外，經(jīng)過預除濕器后進入二級太陽能集熱/再生器，而后再進入一級太陽能集熱/再生器。一級和二級再生溶液都經(jīng)過熱回收器預熱，再生用空氣經(jīng)過溶液空氣熱交換器預熱。經(jīng)過預除濕器后的再生空氣擁有更低的濕度，有利于二級再生器中高濃度溶液的再生，實現(xiàn)能源分級梯度利用，因此系統(tǒng)具有較好的節(jié)能效果。

2 太陽能集熱再生系統(tǒng)熱力學分析模型

2.1 能量分析模型

2.1.1 太陽能集熱再生模型

太陽能集熱/再生器的數(shù)學模型不僅需考慮玻璃蓋板溫度影響，還需考慮溶液與玻璃之間的輻射影響，筆者之前的研究中提出過該模型［9］。

2.3 模型驗證

為驗證理論模型，建立一臺太陽能集熱再生器用以驗證太陽能集熱再生模型，其內(nèi)部凈空間尺寸為2.0 m×1.0 m×0.035 m［12］。建立一臺規(guī)則填料除濕器用以驗證預除濕模型，其比表面積為368 m2/m3，外形尺寸為0.5 m×0.5 m×0.3 m［13］。實驗中空氣流量測量采用法國KIMO公司生產(chǎn)的DEBIMO空氣流動測片CP3000，測量誤差為±3.9%；空氣濕度及溫度測量采用西門子公司生產(chǎn)的電容式溫濕度傳感器QFM3160、AQF3100，測量誤差分別為±2%、±0.2 ℃；太陽輻照度測量儀器為錦州陽光科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的總輻射表，測試精度小于2%。通過實驗數(shù)據(jù)誤差分析，得到蒸發(fā)率（除濕率）誤差為10.3%，能夠滿足精度要求。

圖2為實驗和理論模擬結果對比。圖中[Ta，in、Ta，out、Ts，in]為空氣進出口溫度和溶液進口溫度，[Φin、][Ya，in]分別為空氣進口相對濕度和含濕量，[ΔTa、ΔTs]分別為空氣和溶液的進出口溫差。圖2a為填料除濕器的實驗驗證，空氣流量為200 m3/h，溶液濃度0.287。圖2b為太陽能集熱再生器的數(shù)值解和實

驗結果對比，空氣流量為120 kg/h，溶液流量為14 kg/h，溶液濃度為0.26。圖2a中的[Ta，in]和[Ts，in]取值小是因為實驗是在冬天做的，而圖2b中的再生器實驗是在夏天做的，因為溶液再生需要較高的溫度。從圖2對比結果可看出，數(shù)值模擬結果具有較高準確性，保證了數(shù)值模型能夠用于后續(xù)的能量與分析。

3 能量與分析結果

基于熱力學定律所建立系統(tǒng)的能量與分析模型，目的是分析各種因素對系統(tǒng)再生效率及效率的影響，從而得到對系統(tǒng)性能影響最大的因素，為系統(tǒng)的進一步優(yōu)化提供方向。主要影響因素有：空氣流量[ma]、目的溶液流量[ms]、太陽能集熱/再生器長度[L]、填料式除濕器長度[Z]、室外溫度[T0]、室外相對濕度[Φ]，太陽輻照度[Ic]。模型設定的基準參數(shù)如表1所示。所選用的規(guī)則填料結構參數(shù)及圖片如表2及圖3所示。

3.1 系統(tǒng)效率和再生效率分析

調(diào)節(jié)空氣和溶液流量可增加或降低空氣和溶液之間的傳熱、傳質(zhì)系數(shù)，從而影響系統(tǒng)的效率和再生效率，如圖4所示。從圖4可看出，當空氣流量[ma]從100 kg/h變化到400 kg/h時，系統(tǒng)再生效率[ηz]從25.9%持續(xù)下降到14.1%，系統(tǒng)效率[ηe]先短暫增加到23.9%后下降到18.8%。當目的溶液流量[ma]從10 kg/h變化到60 kg/h時，系統(tǒng)再生效率從21.7%持續(xù)下降到15.6%，系統(tǒng)效率從24.7%持續(xù)下降到18.0%。這是因為在系統(tǒng)所獲得的太陽能輻射能不變的情況下，空氣和溶液流量越大，二級再生器的空氣和溶液溫度越低，使得溶液等效含濕量減小，溶液進出口擴散差也減小，從而使系統(tǒng)效率和再生效率降低。

調(diào)節(jié)設備的尺寸會增加或減少空氣和溶液之間的傳熱傳質(zhì)面積，從而影響系統(tǒng)效率和再生效率，如圖5所示。當再生器的長度[L]從1 m變化到3 m時，系統(tǒng)效率[ηe]從19.8%持續(xù)上升到24.8%，系統(tǒng)再生效率[ηz]從15.1%持續(xù)上升到24.0%。當除濕器的長度Z從0.1 m變化到0.5 m時，系統(tǒng)效率[ηe]從20.2%持續(xù)上升到24.5%，系統(tǒng)再生效率[ηz]從19.2%持續(xù)上升到21.2%。這是因為設備的傳熱傳質(zhì)面積越大，空氣與溶液之間的傳熱傳質(zhì)越充分，在系統(tǒng)總輸入太陽能不變的情況下，傳熱傳質(zhì)越充分，系統(tǒng)效率和再生效率越大。同時在圖5中可看出，集熱/再生器面積對系統(tǒng)效率和再生效率的影響更大。

圖6描述了系統(tǒng)效率[ηe]、系統(tǒng)再生效率[ηz]隨室外參數(shù)變化的規(guī)律。從圖6a可看出，當室外空氣溫度[T0]從10 ℃變化到40 ℃時，系統(tǒng)再生效率[ηz]先從18.6%持續(xù)上升到20.9%（[T0=28 ℃）]后下降到20.0%。系統(tǒng)效率[ηe]從14.5%持續(xù)上升到25.5%。再生效率出現(xiàn)先增后減是因為在其他參數(shù)不變時，環(huán)境溫度升高，空氣含濕量與溶液等效含濕量同時增大，二者差值先增后減，而系統(tǒng)再生效率與二者差值成正比，故系統(tǒng)再生效率先增后減。同時，當室外空氣相對濕度[Φ]從60%變化到90%，系統(tǒng)效率[ηe]從27.7%下降到21.6%，系統(tǒng)再生效率[ηz]從23.5%下降到19.4%。這是因為其他參數(shù)不變時，室外空氣相對濕度的增加使空氣含濕量增加，因此溶液與空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)降低，從而使系統(tǒng)效率和再生效率下降。

從圖6b可看出，隨著太陽輻照度[Ic]從0.55 kW/m2變化到1 kW/m2，系統(tǒng)效率[ηe]從16.3%持續(xù)上升到25.1%，系統(tǒng)再生效率[ηz]從12.0%持續(xù)增加到24.8%。這是因為太陽輻照度的增加使系統(tǒng)溫度升高，溶液等效含濕量與溶液進出口擴散差增大，但也會使系統(tǒng)效率與再生效率公式的分母增加，故效率與再生效率變化曲線逐漸變得平緩。同時，圖6b中簡單給出了分級與單級再生的對比，可看出分級再生系統(tǒng)在低太陽輻照度下仍有不錯的再生效果，這是分級再生的優(yōu)勢所在，它能夠適應低太陽輻照度、高溫高濕的惡劣環(huán)境，作者早前對此有過詳細分析［8］，這里不再贅述。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)效率和再生效率隨各影響因素的變化規(guī)律基本上保持一致，只是變化幅度有所不同。同時，系統(tǒng)效率高于系統(tǒng)再生效率，主要原因在于太陽能轉(zhuǎn)化成的熱量較小，而熱量轉(zhuǎn)化為的溶液擴散較大，從而使系統(tǒng)效率大于系統(tǒng)再生效率。而在某些特殊情況下，如圖6a中所示，當空氣進口溫度過低時，太陽能熱量轉(zhuǎn)化為的溶液擴散較小，從而使系統(tǒng)效率低于系統(tǒng)再生效率?？傮w上而言，系統(tǒng)效率更大，表明系統(tǒng)對能量“質(zhì)”的利用程度要高于對能量“量”的利用程度。

3.2 系統(tǒng)部件損系數(shù)分析

本系統(tǒng)中主要部件有：一級太陽能集熱/再生器（REG1）、二級太陽能集熱/再生器（REG2）、填料式除濕器（DEH）、溶液與空氣熱交換器（SAHX）、一級溶液熱交換器（SSHX1）、二級溶液熱交換器（SSHX2）、中間級溶液回熱器（ISHX）。

圖7分別描述了系統(tǒng)各部件損系數(shù)[Ω]隨空氣流量ma、目的流量ms的變化規(guī)律，如圖7a所示。當空氣流量ma從100 kg/h變化到400 kg/h時，4個換熱器的損系數(shù)變化范圍為0.006～0.028，一級再生器的損系數(shù)減少0.124，這是因為空氣流量的增大讓預除濕器中的預除濕溶液擁有更低的濃度，加強了一級再生器的溶液再生效果。二級再生器和預除濕器的損系數(shù)分別增加0.027和0.13，這是因為空氣流量的增大讓單位空氣獲得的能量減少，故而損增加?？偟膿p系數(shù)先減后增，因此空氣流量宜為240 kg/h。圖7b所示為目的溶液流量對系統(tǒng)各部件損系數(shù)的影響。當溶液流量ms從10 kg/h變化到60 kg/h時，4個換熱器的損系數(shù)變化范圍在0.0014～0.063之間，一級與二級再生器的損系數(shù)分別減少0.029和0.044，預除濕器的損系數(shù)增加0.008。可見，溶液流量對各部件損系數(shù)的影響較小，隨著溶液流量的增加，系統(tǒng)總損系數(shù)增加，而流量過小又會影響傳熱傳質(zhì)效果，故取溶液流量為30 kg/h。

圖8分別描述了系統(tǒng)損系數(shù)[Ω]隨再生器長度[L]、除濕器長度[Z]的變化規(guī)律。從圖8a可看出，當再生器長度從1 m變化到3 m時，4個換熱器的損系數(shù)變化范圍為0.011～0.018，二級再生器和預除濕器的損系數(shù)分別減少0.073和0.057，這是因為傳熱面積的增加加強了傳熱傳質(zhì)效果，使得損減少。同時二級再生器出口的空氣含濕量增加，進而降低了一級再生器的傳熱傳質(zhì)效果，使一級再生器的損系數(shù)增加0.073?？傮w上系統(tǒng)總的損系數(shù)減小，故再生器長度宜取為3 m。從圖8b可看出，系統(tǒng)中各部件的損系數(shù)隨除濕器長度的變化不大，且當除濕器的長度大于0.3 m時，各部件的損系數(shù)趨于穩(wěn)定，故填料式除濕器的長度宜大于0.3 m。

圖9分別描述了系統(tǒng)損系數(shù)[Ω]隨室外參數(shù)變化的規(guī)律。從圖9a可看出，當室外空氣溫度[T0]從10 ℃變化到40 ℃時，4個換熱器的損系數(shù)變化范圍在0.024～0.056之間，一級再生器和二級再生器的損系數(shù)分別減少0.148和0.97，預除濕器的損系數(shù)增加0.141。這是因為溫度升高會加強溶液再生而抑制溶液除濕，故再生器的損系數(shù)減少而除濕器的損系數(shù)增加，總損系數(shù)先減后增，當室外空氣溫度大于25 ℃時可收獲到較好的效果。從圖9b可看出，當室外空氣相對濕度[Φ]從60%變化到90%時，一級再生器與除濕器損系數(shù)變化分別為0.05和0.039，其余各部件的損系數(shù)變化均小于0.009，故系統(tǒng)能在較大范圍內(nèi)適應室外空氣相對濕度的變化。從圖9c可看出，當太陽輻照度Ic從0.55 kW/m2變化到1 kW/m2時，4個換熱器的損系數(shù)變化范圍在0.008～0.020之間，一級再生器的損系數(shù)增加0.047，二級再生器和預除濕器的損系數(shù)分別減少0.066和0.044。太陽輻照度增加與室外空氣溫度升高造成的變化類似，都是使系統(tǒng)的溫度升高，從而影響各部件的損系數(shù)變化。當太陽輻照度大于0.8 kW/h時，各部件的損系數(shù)基本上趨于定值，且這種強度的太陽輻射比較容易獲得。

3.3 系統(tǒng)損率分析

通過以上對系統(tǒng)再生效率、效率以及損分布方面的分析，得到優(yōu)化后的基準參數(shù)依次為：[ma=240] kg/h，[ms=30] kg/h，[L=3] m，[Z=0.5] m，[Ic=800] W/m2，[T0=31 ℃]，[Φ=60 %]。在此條件下，系統(tǒng)再生效率和效率分別為27.3%、29.4%，系統(tǒng)各部件的損率分布如圖10所示。由圖10可知，系統(tǒng)中損最大的部件為REG1，損率為34.0%，其次為REG2和DEH，二者損率約為29.7%和26.6%，最后為部件SAHX、SSHX1、SSHX2、ISHX共4個熱交換器，4個熱交換器總的損占系統(tǒng)總損的9.7%。顯然，系統(tǒng)的主要損集中在REG1、REG2、DEH共3個部件，這是系統(tǒng)中最需要改進的部件。

4 結 論

1）根據(jù)對系統(tǒng)效率以及再生效率分析，得到對系統(tǒng)熱力學性能影響由大到小的因素依次為：太陽輻照度、室外環(huán)境溫度、二級再生溶液流量、空氣流量、再生器長度、除濕器長度、室外空氣相對濕度。

2）通過對比得到系統(tǒng)效率總是高于系統(tǒng)再生效率，說明系統(tǒng)對能量“質(zhì)”的利用程度高于系統(tǒng)對能量“量”的利用程度。

3）通過分析各種因素對系統(tǒng)損系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)空氣流量、太陽能集熱/再生器長度、太陽輻照度、室外空氣溫度對系統(tǒng)各部件的損系數(shù)分布影響較大。

4）系統(tǒng)的損失主要損失在一級太陽能集熱/再生器、二級太陽能集熱/再生器以及填料式除濕器這三大部件上，其中一級太陽能集熱/再生器的損最大，占到系統(tǒng)總損的34.0%。

［參考文獻］

［1］ 清華大學建筑節(jié)能研究中心. 中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2022（公共建筑專題）［M］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2022.

Building Energy Efficiency Center， Tsinghua University. China building energy conservation annual development research report 2022（special topic on public buildings）［M］. Beijing： China Architecture amp; Building Press， 2022.

［2］ MEHTA J R， RANE M V. Liquid desiccant based solar air conditioning system with novel evacuated tube collector as regenerator［J］. Procedia engineering， 2013， 51： 688-693.

［3］ 李剛， 佘燦明， 池蘭， 等. 太陽能溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)熱舒適性模擬［J］. 太陽能學報， 2019， 40（8）： 2279-2288.

LI G， SHE C M， CHI L， et al. Indoor thermal comfort simulation of solar energy liquid descient air conditioning system［J］. Acta energiae solaris sinica， 2019， 40（8）： 2279-2288.

［4］ 梁澤德， 李清清. 基于自然冷源驅(qū)動和太陽能再生的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)研究［J］. 太陽能學報， 2021， 42（6）： 211-215.

LIANG Z D， LI Q Q. Research on liquid desiccant air conditioning system driven by natural cold source and solar energy regeneration［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（6）： 211-215.

［5］ KIRAN N B， MUTHUKUMAR P. Energy， entransy and exergy analyses of a liquid desiccant regenerator［J］. International journal of refrigeration， 2019， 105： 80-91.

［6］ ZHANG Q L， LIU X H， ZHANG T， et al. Performance optimization of a heat pump driven liquid desiccant dehumidification system using exergy analysis［J］. Energy， 2020， 204： 117891.

［7］ GUAN B W， LIU X H， ZHANG T. Exergy analysis on optimal desiccant solution flow rate in heat exchanger for air dehumidification using liquid desiccant［J］. International journal of refrigeration， 2021， 128： 129-138.

［8］ 彭冬根， 羅丹婷， 程小松. 熱回收型太陽能分級溶液集熱/再生系統(tǒng)模型及環(huán)境適用性分析［J］. 化工學報， 2017， 68（8）： 3242-3249.

PENG D G， LUO D T， CHENG X S.Modeling and environmental applicability of solar solution grading collector/regenerator system with heat recovery［J］. CIESC journal， 2017， 68（8）： 3242-3249.

［9］ PENG D G， ZHANG X S. A modified model of solar collector/regenerator considering effect of the glazing temperature［J］. International journal of refrigeration， 2015， 49： 151-159.

［10］ PENG D G， ZHOU J M， LUO D T. Exergy analysis of a liquid desiccant evaporative cooling system［J］. International journal of refrigeration， 2017， 82： 495-508.

［11］ 朱明善. 能量系統(tǒng)的分析［M］. 北京： 清華大學出版社， 1988.

ZHU M S. Exergy analysis of energy system［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 1988.

［12］ PENG D G ， ZHANG X S. Experimental investigation on regeneration performance， heat and mass transfer characteristics in a forced solar collector/regenerator［J］. Energy， 2016， 101： 296-308.

［13］ 彭冬根， 張小松. 應用于太陽能集熱再生系統(tǒng)的除濕效率模型［J］. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2016， 32（1）： 206-211.

PENG D G， ZHANG X S. Dehumidification efficiency model" " for" " solar" " thermal" " regeneration" " system［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（1）： 206-211.

ENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF SOLAR SOLUTION GRADING COLLECTOR/REGENERATOR SYSTEM WITH HEAT RECOVERY

Peng Donggen，Zhan Zhentong

（School of Infrastructure Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031， China）

Abstract：Based on the first and second laws of thermodynamics， a mathematical model of energy and exergy analysis of the solar graded solution heat collection/regeneration system with heat recovery is established. Exergy efficiency and regeneration efficiency of this system are compared to reveal the influence of various factors on the thermodynamic performance of the system. It is found that exergy efficiency of the system is higher than regeneration efficiency， indicating that the utilization degree of energy quality is higher than that of energy quantity. The optimal ranges of these parameters are obtained by analyzing the exergy loss coefficients of all components of the system. The regeneration efficiency and exergy efficiency of the optimized system are 26.6% and 32.3%， respectively. The analysis on exergy loss rate of the system shows that the weak links in the system are the first-grade solar collector/regenerator， the second-grade solar collector/regenerator and the packed dehumidifier.

Keywords：solar energy； heat recovery； energy； exergy； liquid regeneration

收稿日期：2022-05-08

基金項目：國家自然科學基金（51766010）；南昌市高效制冷技術創(chuàng)新團隊（2018-CXTD-004）

通信作者：彭冬根（1975—），男，博士、教授，主要從事太陽能制冷空調(diào)方面的研究。pengdonggen@ncu.edu.cn