程 清 張小松

(東南大學能源與環(huán)境學院，南京 210096)

一種用于除濕溶液的新型太陽能耦合再生系統

程 清 張小松

(東南大學能源與環(huán)境學院，南京 210096)

摘 要:為了提高太陽能溶液再生系統的運行可靠性，提出了一種用于溶液除濕空調系統的新型太陽能溶液耦合再生系統.分析了該系統的工作原理，建立了該系統的耗能模型，并與傳統太陽能溶液熱再生系統進行了對比研究.研究結果表明，在2種運行模式下，太陽能耦合再生系統與太陽能熱再生系統相比具有較大的節(jié)能優(yōu)勢.在太陽能耦合再生系統運行模式下，太陽能集熱/再生器出口處溶液濃度對太陽能耦合再生系統耗能的影響最大.在系統設計過程中，應將太陽能集熱/再生器出口處溶液濃度設計得盡可能小.此外，太陽能集熱/再生器的再生效率對太陽能耦合再生系統的耗能也有較大的影響.

關鍵詞:溶液除濕;溶液再生;太陽能;耦合再生

空氣除濕是制冷空調和環(huán)境熱濕控制的關鍵.相對而言，溶液除濕空調系統(LDAS)是一種基于液體吸濕劑除濕技術的極具潛力的新型空調方式［1-3］.

對于溶液除濕空調系統，目前廣泛采用的再生方式是使用熱能驅動(TH).再生過程中所需的熱能可以從溫度相對較低(100℃以下)的熱源獲得，因此這種再生方式可以使用可再生能源，例如太陽能、地熱能、工業(yè)余熱、廢熱等.太陽能是一種節(jié)能環(huán)保、具有顯著社會經濟效益的可再生能源，因此使用太陽能對除濕溶液進行再生引起了國內外眾多學者的關注［4-6］.然而，太陽能溶液熱再生方式卻嚴重依賴于周圍環(huán)境的狀況，在高溫或高濕的氣候條件下，僅使用太陽能對溶液進行再生后得到的除濕溶液將不能滿足除濕的需求.另一方面，太陽能是一種間歇、不連續(xù)的能源，使用太陽能將不足以滿足空調和除濕的穩(wěn)定需求.因此，為保證太陽能溶液再生系統在高溫高濕天氣下工作的穩(wěn)定性有必要尋找一種新的再生流程.

電滲析(ED)是膜分離技術中的一種［7-9］，它是在直流電場作用下，以電位差為動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來的電化學分離過程.基于電滲析技術，Li等［10-11］提出了一種新型溶液再生器:將電滲析裝置作為溶液再生器，并利用太陽能光伏電池對電滲析器進行驅動.該新型溶液再生器被命名為PV-ED再生系統.基于PV-ED再生系統，Cheng等［12］提出了一種雙級太陽能光電光熱電滲析再生系統(PVT-ED).

為了提高太陽能溶液除濕空調系統的可靠性和經濟性，本文提出了一種新型太陽能耦合再生系統，分析了該系統的工作原理并建立了該系統的耗能模型.研究結果表明，太陽能耦合再生系統與傳統太陽能熱再生系統相比具有較高的節(jié)能潛力.

1 系統原理和耗能模型

1.1 太陽能熱再生系統

1.1.1 系統原理

圖1是一種典型的太陽能熱再生系統.該系統由稀溶液槽、太陽能集熱器、再生器、濃溶液槽、風機等組成.該系統工作原理如下:稀溶液槽中的稀溶液流入太陽能集熱器并吸收熱量(升溫)，之后流入再生器中與來自環(huán)境中的空氣接觸并進行再生(傳熱傳質)，再生后的濃溶液流入濃溶液槽中進行存儲.

圖1 典型的太陽能熱再生系統

1.1.2 系統耗能模型

在太陽能熱再生過程中，系統消耗的能量主要是集熱器中用于加熱稀溶液的太陽能.太陽能熱再生系統中用于加熱稀溶液的能量為［13］

式中，QTH為用于加熱稀溶液的太陽能;mw為稀溶液

1.2 太陽能耦合再生系統

1.2.1 系統原理

為了提高太陽能溶液除濕空調系統運行的可靠性和經濟性，本文提出了一種新型太陽能耦合再生系統(見圖2).該系統由稀溶液槽、淡化液槽、濃溶液槽、太陽能電池(PV/T組件)、熱交換器、太陽能集熱/再生器、電滲析再生器等組成.根據不同的天氣工況，太陽能耦合再生系統可在2種不同的模式下運行.中水的蒸發(fā)速率，kg/s;r0為水的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg;ηTH為再生效率.

在再生器中，來自環(huán)境的空氣與稀溶液相接觸并吸收稀溶液中的水分.因此，稀溶液的濃度在再生器中得以提高.在再生器的傳熱傳質過程中有

式中，ms為太陽能集熱器中稀溶液的流量;Cs，i為再生器溶液進口處稀溶液的質量濃度;Cs，o為再生器溶液出口處濃溶液的質量濃度.

根據式(1)和(2)，理想狀態(tài)下太陽能熱再生系統再生單位質量濃溶液所消耗的太陽能為

圖2 太陽能耦合再生系統

1)運行模式1.在晴天時，太陽能耦合再生系統中閥門A處于關閉狀態(tài)，而閥門B處于開啟狀態(tài).再生過程如下:來自稀溶液槽的稀溶液通過閥門B流經熱交換器與冷卻水進行換熱(升溫)，換熱后的稀溶液流入太陽能集熱/再生器與來自環(huán)境的空氣進行傳熱傳質(初步再生)，之后流入電滲析再生器的再生室中并進一步再生到所需要的濃度，再生后的濃溶液流入濃溶液槽進行儲存.

2)運行模式2.在夜間或陰雨天氣，太陽能耦合再生系統中閥門A處于開啟狀態(tài)，而閥門B則處于關閉狀態(tài).再生過程如下:來自稀溶液槽的稀溶液通過閥門A直接流入電滲析再生器的再生室中再生，直到所需要的濃度，再生后的濃溶液流入濃溶液槽進行存儲.

太陽能耦合再生系統具有以下優(yōu)點:① 利用太陽能電池運行時散發(fā)的熱量對需要再生的除濕溶液進行預熱，可以提高太陽能集熱/再生器的再生效率;②溶液溫度的提高會相應提高電滲析再生器的再生效率并降低電滲析再生器的能量消耗;③利用冷卻水對太陽能電池表面進行冷卻，太陽能電池表面溫度的降低可以提高太陽能電池的發(fā)電效率.

1.2.2 太陽能耦合再生系統的耗能模型

1)運行模式1下太陽能耦合再生系統的耗能.運行模式1下太陽能耦合再生系統的耗能為太陽能電池和太陽能集熱/再生器耗能的總和.由于溶液泵和風機的耗能與太陽能電池和太陽能集熱/再生器所消耗的能量相比較小，因此忽略其對太陽能耦合再生系統耗能的影響.因此，太陽能耦合再生系統所消耗的能量為

式中，QSC為太陽能電池消耗的太陽能;QC/R為太陽能集熱/再生器消耗的太陽能.

對于太陽能電池，其所消耗的太陽能用于提供給流經熱交換器的稀溶液并驅動電滲析再生器，即

式中，Qhe為提供給流經熱交換器的稀溶液的能量;PED1為模式1下電滲析再生器的耗能;Qloss為太陽能電池的能量損失.

對于電滲析再生器，其所消耗的電能用于將除濕溶液再生至所需要的濃度［7-9］，即

式中，U為電滲析再生器的運行電壓，V;z為電滲析再生器中溶液的化合價;F為法拉第常數，C/mol;ms，c為電滲析再生器再生室中溶液流量kg/s;Cs，c，i為電滲析再生器再生室進口的溶液質量濃度，%;Cs，c，o為電滲析再生器再生室出口的溶液質量濃度，%;ζ為電滲析再生器的電流效率，%;N為電滲析再生器的膜對數;Md為電滲析再生器中溶液溶質的分子質量，g/mol.

太陽能集熱/再生器再生溶液所需的太陽能為［14］

式中，G為太陽能集熱/再生器中溶液的蒸發(fā)速率，kg/s;ηC/R為太陽能集熱/再生器的再生效率.

根據太陽能集熱/再生器中的傳質關系可得

式中，ms為太陽能集熱/再生器進口處溶液流量.

根據式(7)和(8)可得

在太陽能耦合再生系統中，稀溶液在熱交換器中進行了初步加熱，因此太陽能集熱/再生器實際消耗的太陽能為

對于太陽能電池［15］，有

式中，ηT為太陽能光熱轉化效率;ηE為太陽能光電轉化效率.

根據式(6)和(11)可得

根據式(11)和(12)可得

根據太陽能集熱/再生器中的傳質關系可得

式中，C's，i為稀溶液槽的稀溶液質量濃度;C's，o為太陽能集熱/再生器溶液出口處的質量濃度.

太陽能耦合再生系統中太陽能集熱/再生器所消耗的太陽能不可能為負值，因此可得

在太陽能耦合再生系統中，太陽能集熱/再生器出口溶液的濃度與電滲析再生器再生室進口溶液的濃度相等(C's，o=Cs，c，i).因此，運行模式 1 下太陽能耦合再生系統再生單位質量濃溶液所消耗的太陽能為

2)運行模式2下太陽能耦合再生系統的耗能.運行模式2下太陽能耦合再生系統的耗能為電滲析再生器消耗的電能.由于溶液泵的耗能與電滲析再生器所消耗的能量相比較小，因此忽略其對太陽能耦合再生系統耗能的影響.太陽能耦合再生系統所消耗的能量為

式中，PED2為模式2下電滲析再生器消耗的電能.

對于電滲析再生器，其在運行模式2下消耗的電能為［7-9］

1.3 2種太陽能再生系統的耗能對比

1)運行模式1下2種系統的耗能對比

在對2種太陽能再生系統耗能進行對比時，假定2種系統的溶液初始濃度和再生后濃度相同，可得

因此，根據式(20)和(21)，運行模式2下太陽能耦合再生系統再生單位質量濃溶液的所消耗的能量為

根據式(3)、(16)和(20)可得

式中，αCT為運行模式1下太陽能耦合再生系統耗能與太陽能熱再生系統耗能的比值.

2)運行模式2下2種系統的耗能對比

根據式(3)、(19)和(20)可得

式中，βCT為運行模式2下太陽能耦合再生系統耗能與太陽能熱再生系統耗能的比值.

2 結果和討論

本文在2種運行模式下將太陽能耦合再生系統與太陽能熱再生系統進行對比.在模擬過程中假定氯化鋰(LiCl)為再生系統采用的除濕溶液.式(21)用于研究運行模式1下太陽能耦合再生系統和太陽能熱再生系統的耗能對比情況.式(22)用于研究運行模式2下太陽能耦合再生系統和太陽能熱再生系統的耗能對比情況.模擬過程中參數的設定值見表1.

表1 計算參數表

2.1 運行模式1下2種再生系統的比較

在晴天時，太陽能耦合再生系統在運行模式1下對除濕溶液進行再生.本文將研究 ηC/R，C's，o和Cs，i對運行模式1下太陽能耦合再生系統耗能與太陽能熱再生系統耗能比值的影響.

2.1.1 太陽能集熱/再生器出口溶液濃度的影響

在本次模擬中將Cs，i設置為35%，將ηC/R設置為45%.αCT隨C's，o變化規(guī)律如圖3所示.

圖3 αCT隨 C's，o的變化

從圖3中可以發(fā)現，αCT隨著C's，o的增大而增大.在運行模式1下，太陽能集熱/再生器出口溶液濃度的降低將使得太陽能耦合再生系統與太陽能熱再生系統相比具有更大的節(jié)能優(yōu)勢.

此外，從圖 3 中還可以發(fā)現，當C's，o從 35.5%變化到36%時，αCT的值近似相等.這是因為太陽能集熱/再生器消耗的太陽能不可能為負值.因此，當C's，o=35.5%時，熱交換器中冷卻水傳遞給稀溶液的熱量多于太陽能集熱/再生器所需要的能量，使得熱交換器中冷卻水傳遞給稀溶液的一部分熱量沒有得到利用，導致了太陽能耦合再生系統耗能的增加.

2.1.2 太陽能集熱/再生器再生效率的影響

在本次模擬中將Cs，i設置為 35% ，將C's，o設置為36%.αCT隨ηC/R變化的規(guī)律如圖4所示.從圖中可以看出，αCT的值隨著ηC/R的增大而降低.在運行模式1下，太陽能集熱/再生器再生效率的提高將使得太陽能耦合再生系統與太陽能熱再生系統相比具有更大的節(jié)能優(yōu)勢.

圖4 αCT隨 ηC/R的變化

2.1.3 太陽能集熱/再生器進口處溶液濃度的影響

在本次模擬中將ηC/R設置為45%，將C's，o設置為(Cs，i+Cs，o)/2.αCT隨Cs，i變化的規(guī)律如圖 5所示.

圖5 αCT隨 Cs，i的變化

從圖5中可以看出，Cs，i的變化對αCT的影響較小.在運行模式1下，太陽能集熱/再生器進口處溶液的濃度對太陽能耦合再生系統耗能與太陽能熱再生系統耗能比值的影響較小.

2.2 運行模式2下2種再生系統的比較

在夜間或陰雨天氣下，太陽能耦合再生系統在運行模式2下對除濕溶液進行再生.

βCT隨Cs，i變化的規(guī)律如圖6所示.從圖中可以看出，在運行模式2下，太陽能耦合再生系統與太陽能熱再生系統相比具有極大的節(jié)能優(yōu)勢.

從圖6中可以看出，Cs，i的變化對βCT的影響較小.在運行模式2下，太陽能集熱/再生器進口處溶液的濃度對太陽能耦合再生系統耗能與太陽能熱再生系統耗能比值的影響較小.

圖6 βCT隨 Cs，i的變化

2.3 2種太陽能再生系統耗能對比的討論

通過2種太陽能再生系統的耗能對比結果可知，無論在哪種運行模式(運行模式1或運行模式2)下，太陽能耦合再生系統與太陽能熱再生系統相比均具有較大的節(jié)能優(yōu)勢.

在運行模式1下，在眾多影響太陽能耦合再生系統性能的參數中，太陽能集熱/再生器出口處溶液濃度(C's，o)對太陽能耦合再生系統耗能的影響最大.從本質上看，C's，o的大小代表了太陽能集熱/再生器對太陽能耦合再生系統溶液再生過程的貢獻.在系統設計過程中，在熱交換器中冷卻水傳遞給稀溶液的熱量得到完全利用的情況下，C's，o應當設計得盡可能小.此外，太陽能集熱/再生器的再生效率(ηC/R)對太陽能耦合再生系統的耗能也有較大的影響.因此，太陽能集熱/再生器的再生性能將對太陽能耦合再生系統的再生性能具有較大影響.

在運行模式2下，在太陽能不能滿足再生過程的工況下，太陽能耦合再生系統可以利用電能驅動電滲析再生器以保證溶液再生過程的可靠性，此時，太陽能耦合再生系統與電加熱輔助的太陽能熱再生系統相比將具有極大的節(jié)能性.此外，太陽能耦合再生系統還可以利用夜間低谷低價電進行蓄能，從而緩解電力負荷峰谷差，并達到提高系統經濟性的目的.

3 結論

1)為了提高太陽能溶液除濕空調系統運行的可靠性和經濟性，本文提出了一種新型太陽能耦合再生系統.該系統有效地利用了太陽能光伏與光熱的互補性，實現了對太陽能的綜合利用，并且在高溫高濕的氣候條件下仍然可以穩(wěn)定高效地對除濕溶液進行再生.同時，該系統還可以利用夜間低谷低價電進行蓄能，從而緩解電力負荷峰谷差，并達到提高系統經濟性的目的.

2)研究結果表明，在運行模式1和運行模式2下，太陽能耦合再生系統與太陽能熱再生系統相比具有較大的節(jié)能性.在運行模式1下，在眾多影響太陽能耦合再生系統性能的參數中，太陽能集熱/再生器出口處溶液濃度對太陽能耦合再生系統耗能的影響最大.在系統設計過程中，在熱交換器中冷卻水傳遞給稀溶液的熱量得到完全利用的情況下，太陽能集熱/再生器出口處溶液濃度應當設計得盡可能小.此外，太陽能集熱/再生器的再生效率對太陽能耦合再生系統的耗能也有較大的影響.

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A new solar coupling regeneration system for liquid desiccant

Cheng Qing Zhang Xiaosong
(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing210096，China)

Abstract:A new solar coupling regeneration system used in the desiccant air-conditioning system is proposed in order to improve the reliability of solar desiccant regeneration system.Analysis of the method of the new system was made and the energy model of the new system was developed.Moreover，the performance of the new system was compared with the solar thermal regeneration system.The results show that the solar coupling regeneration system is more energy efficient than the solar thermal regeneration system under both operational conditions.Under operational condition 1，the most influential factor of the solar coupling regeneration system is the concentration of desiccant at the exit of the solar collector/regenerator，and it should be maintained as low as possible.Moreover，the regeneration efficiency of the solar collector/regenerator affects the regeneration performance of the solar coupling regeneration system greatly.

Key words:liquid desiccant;regeneration;solar energy;coupling regeneration

中圖分類號:TK519

A

1001－0505(2014)01-0110-06

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.020

收稿日期:2013-07-20.

程清(1989—)，男，博士生;張小松(聯系人)，男，博士，教授，博士生導師，rachpe@seu.edu.cn.

基金項目:“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ03B05)、東南大學優(yōu)秀博士學位論文基金資助項目(YBJJ1228).

程清，張小松.一種用于除濕溶液的新型太陽能耦合再生系統［J］.東南大學學報:自然科學版，2014，44(1):110-115.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2014.01.020］