摘 要：為進一步提高液體除濕空調溶液再生性能，提出一種基于太陽能界面蒸發(fā)的溶液再生方式。研究溶液種類、濃度對于再生速率和效率的影響，并與傳統(tǒng)熱再生及膜再生進行對比。結果表明，在一個太陽強度照射下，溫度為26 ℃、質量濃度為40%的LiCl溶液達到0.39 kg（/ m2·h）的再生速率，質量濃度為80%的KCOOH溶液達到0.37 kg（/ m2·h）的再生速率。與傳統(tǒng)的膜再生以及填料塔熱再生相比，該方式展現(xiàn)了較高的再生速率，因此基于太陽能界面蒸發(fā)方式有望成為一種新型高效的溶液再生方法。

關鍵詞：太陽能；海水淡化；空調；蒸發(fā)；溶液再生

中圖分類號：TK519 文獻標志碼：A

0 引 言

建筑環(huán)境與人類生產和生活密不可分，70%～90% 的人類社會經濟活動都與建筑環(huán)境息息相關。隨著極端氣候的加劇，以及人類社會對舒適環(huán)境的要求不斷提高，空氣調節(jié)顯得尤為重要。在整個建筑環(huán)境的運行耗能中，空氣調節(jié)占據(jù)30%～50% 的電能消耗［1-2］。傳統(tǒng)的空氣調節(jié)系統(tǒng)通常采用壓縮式制冷系統(tǒng)，通過將空氣冷卻至露點以下進行除濕，然后再加熱到所需的送風溫度。然而，在這個過程中，由于空氣的過度冷卻和再加熱，不可避免地會導致能源的損失。同時，水的冷凝還可能導致霉菌等問題，降低送風品質，且還存在制冷劑泄漏等問題。相比之下，溶液除濕空調系統(tǒng)（liquiddesiccant air conditioning system，LDAC）可高效地處理空氣的潛熱和顯熱負荷，且能有效凈化空氣。在空調領域，顯示出巨大的應用潛力。

LDAC 系統(tǒng)中，除濕器和再生器是兩個重要的組成部分，液體除濕劑在除濕器中吸收空氣中的水分，然后在再生器中進行再生。目前，常見的再生方式包括熱再生［3］、膜再生［4-6］和電再生［7-8］。然而，傳統(tǒng)的熱再生方法效率較低，膜再生存在膜易污染等問題，而電滲析再生在高濃度下，再生能力較弱。因此，尋找更高效的再生方法，是當前研究的重點之一。

太陽能是目前實現(xiàn)溶液再生最清潔、來源最廣的可再生能源之一?；谔柲芙缑嬲舭l(fā)是一種新型的海水淡化方式，引起很多研究者的興趣［9-12］。其結構主要包括第1 層的高效光熱材料以及第2 層親水低熱導的多孔材料。第1 層材料能將太陽光轉化為熱能，為水分的蒸發(fā)提供熱量；第2層的多孔材料通過毛細力不斷地為第1 層提供液體，并將熱量維持在氣液界面處。溶液再生也是實現(xiàn)水分蒸發(fā)的過程，但需注意的是，高濃度的除濕劑易在界面蒸發(fā)的過程中產生鹽度極化現(xiàn)象，即蒸發(fā)器內部鹽分濃度遠遠大于溶液本身濃度［13］。此外，溶液的黏度、表面張力等性質與海水存在明顯的不同，因此有必要探究基于太陽能界面蒸發(fā)的溶液再生特性。相較于傳統(tǒng)的無機鹽除濕溶液，KCOOH 由于環(huán)境友好，溶解度高，價格低廉且無腐蝕性，近年來引起較多的關注［14］。所以本研究探索了無機鹽（LiCl）與有機鹽（KCOOH）兩種除濕溶液的界面蒸發(fā)再生特性。

1 實驗原理及裝置

1.1 太陽能界面蒸發(fā)原理

太陽能界面蒸發(fā)驅動溶液再生的基本原理如圖1 所示。該系統(tǒng)的第1 層為光熱材料，主要功能為吸收太陽光并將其轉化為熱能，以促進水分的蒸發(fā)。第2 層為親水多孔材料，通過毛細力將底部溶液輸送至蒸發(fā)層。為確保系統(tǒng)具有高效的能源轉換，其主要特征如下：1） 高效的光熱吸收層；2）親水性的輸液層；3） 低熱導率的支撐結構。因為水分只能在氣液界面處發(fā)生相變，而該結構不僅可將熱能維持在氣液界面處，同時可避免對底部溶液的整體加熱。因此這種結構能實現(xiàn)高效的溶液再生，并具備再生后溶液溫升低的優(yōu)點。

1.2 樣品制備及實驗裝置

首先，將去離子水和甲基纖維素以一定比例混合，經磁力攪拌后制備成質量分數(shù)為2% 的甲基纖維素溶液。接著，將制備好的甲基纖維素溶液與墨水以1∶1 的體積比混合，并充分攪拌均勻，制得墨水前驅體溶液。第2 層采用親水性良好的木質纖維素泡沫，通過多次負載的方法將墨水前驅體溶液涂覆在木質纖維素表面，并在鼓風干燥箱中干燥12 h，得到所需的蒸發(fā)器。所制備的蒸發(fā)器直徑為4 cm，厚度為1 cm。

圖2 展示了實驗裝置。裝有除濕溶液的燒杯放置于配備AM1.5G 濾光片的氙燈模擬器下方，模擬器的光強可通過輻照計進行標定。除濕劑溶液表面放置上述制備好的蒸發(fā)器，同時蒸發(fā)器四周被EPP 泡沫環(huán)覆固定，EPP 泡沫既可防止蒸汽從四周逸出，也可防止系統(tǒng)從非吸光區(qū)域吸收能量。模擬器開啟后，溶液的質量變化將通過精度為0.1mg 的電子天平實時記錄。溶液的溫升通過熱電偶測量得到。實驗過程中，環(huán)境溫度為25±3 ℃，環(huán)境的相對濕度為50%±10%。

1.3 評價指標

隨著水分的逐漸蒸發(fā)，除濕溶液將會逐漸濃縮。再生速率v 是評價再生表現(xiàn)的重要衡量指標，定義為：

v = Δm／SΔt （1）

式中：v——水蒸發(fā)速率，kg（/ m2·h）；Δm——除濕劑的質量變化，g；S——蒸發(fā)器的面積，m2；Δt——蒸發(fā)的時間，h。

再生效率由式（2）計算得到：

η =（ （v +vdark ）hlv／coptq0） ×100% （2）

式中：η——再生效率，%；vdark——無光照環(huán)境下，除濕劑的質量變化速率，kg（/ m2·h）；hlv——水的蒸發(fā)焓，kJ/kg；copt——光學聚光比；q0——太陽輻照度，W/m2。

2 實驗結果與討論

2.1 蒸發(fā)器結構性能表征

良好的光熱性能是實現(xiàn)高效再生的前提條件。圖3 展示了蒸發(fā)器在一個標準太陽強度照射下溫升變化規(guī)律。該蒸發(fā)器可快速將太陽能轉換為熱能，在30 s 照射后，溫度上升約25 ℃，最終穩(wěn)定溫度約為65 ℃。這一結果表明蒸發(fā)器具有優(yōu)異的光熱轉換性能，確保了系統(tǒng)在蒸發(fā)過程中的能量吸收。

具有優(yōu)異親水性的蒸發(fā)器對于溶液再生尤為重要。因為除濕溶液具有更高的濃度，因此蒸發(fā)器更易出現(xiàn)鹽分沉積現(xiàn)象。圖4 顯示了水滴在蒸發(fā)器表面的潤濕過程。水滴在接觸蒸發(fā)器表面后，僅需20 ms 即可完全浸潤，表明蒸發(fā)器具有優(yōu)異的親水性能。這有利于溶液輸送和鹽分擴散，從而確保連續(xù)的蒸發(fā)過程。需注意的是，在蒸發(fā)過程中，應避免蒸發(fā)器表面出現(xiàn)大面積的鹽分沉積，因為其會降低蒸發(fā)器的吸光能力，進而影響蒸發(fā)效率。

圖5 展示的是蒸發(fā)器在干燥狀態(tài)以及潤濕水之后的導熱系數(shù)。結果表明，即使蒸發(fā)器浸潤水之后，其導熱系數(shù)也只有 0.29 W（/ m·K）。低導熱系數(shù)可將熱量維持在蒸發(fā)表面，防止熱量向下傳遞，從而提高蒸發(fā)效率。

2.2 蒸發(fā)器再生性能研究

圖6 顯示在一個太陽強度照射下，不同質量濃度的LiCl 溶液以及KCOOH 溶液質量變化隨時間的關系。對于同一工質，隨著溶液濃度的增加，溶液質量變化將會減少。這種現(xiàn)象主要因為隨著濃度的增加導致溶液表面的蒸氣壓降低，進而減少傳質的驅動力。因此，溶液的質量變化會減少。這一結果表明，在設計除濕系統(tǒng)時，保證除濕的前提下，可通過對溶液濃度進行合理選擇，從而優(yōu)化系統(tǒng)的再生效果。

根據(jù)圖6 的時間與質量變化曲線，可計算得出再生速率與效率，結果如圖7 所示。對于20% 濃度的LiCl 溶液，其再生速率為0.87 kg/（m2·h），當濃度升到40% 時，再生速率降至0.39 kg/（m2·h）。30% 濃度的KCOOH 溶液，其再生速率為1.19 kg/（m2·h），當濃度升到80% 時，再生速率降低0.37 kg/（m2·h）。

再生效率的變化趨勢與再生速率相同。隨著溶液濃度的增加，再生效率和速率均呈現(xiàn)下降趨勢。20% 濃度的LiCl溶液其再生效率為58.2%，當溶液濃度增至40% 時，再生效率將會降至30.1%。再生速率和效率隨著溶液濃度增加而降低主要是由于溶液水蒸氣分壓力降低所致。同樣發(fā)現(xiàn)，對于40% 濃度的LiCl 溶液以及80% 濃度的KCOOH 溶液，其再生速率和效率相似。根據(jù)文獻［15］的報告，這兩種濃度的除濕溶液在此濃度下，有著相似的蒸氣壓。表明溶液的蒸氣壓是影響再生效率和速率的主要因素，而溶液種類對再生表現(xiàn)的影響較小。

本文對蒸發(fā)器進行多次再生實驗，圖8 展示循環(huán)實驗的再生速率。每次循環(huán)實驗測試時間為1 h，測試的溶液為40% 濃度LiCl 溶液。經過多次循環(huán)之后，蒸發(fā)器依然可保持穩(wěn)定的再生速率，表示該蒸發(fā)器具有穩(wěn)定的結構以及高效的抗鹽特性。

表1 比較了基于太陽能界面蒸發(fā)方式、傳統(tǒng)填料塔熱再生以及膜再生的溶液再生效果。可看出，太陽能界面蒸發(fā)方式能在較低的溶液溫度下實現(xiàn)高的再生速率。這表明采用這種新型的再生方式可降低溶液再生后的溫升，有利于下一步的除濕過程。因此，基于太陽能界面蒸發(fā)驅動溶液再生具有優(yōu)異的再生效果和廣泛的應用潛力。

3 結 論

針對LDAC 系統(tǒng)中的溶液再生問題，研究基于太陽能界面蒸發(fā)驅動溶液再生方法的可行性，得出以下主要結論：

1）在常溫下，對于40% 濃度的LiCl 溶液，熱界面驅動溶液再生可實現(xiàn)0.39 kg/（m2·h）的再生速率和30.1% 的再生效率。對于80% 濃度的KCOOH 溶液，熱界面驅動溶液再生可實現(xiàn)0.37 kg/（m2·h）的再生速率和29.2% 的再生效率。

2）隨著溶液濃度的增加，再生效率和速率均呈現(xiàn)下降趨勢。主要是隨著溶液濃度的增加，蒸氣壓降低。因此在設計除濕系統(tǒng)時，保證除濕的前提下，可通過對溶液濃度進行合理選擇，從而優(yōu)化系統(tǒng)的再生效果。

3）溶液的蒸氣壓是影響再生表現(xiàn)的主要因素，而溶液種類對再生表現(xiàn)的影響較小。

4）與傳統(tǒng)填料塔熱再生方式以及膜再生相比，即使在溶液溫度較低的情況下，采用熱界面驅動溶液再生也可實現(xiàn)較高的再生速率。該再生方式同時也避免了再生后溶液溫升高的問題。

［參考文獻］

［1］ GURUBALAN A， SIMONSON C J. A comprehensivereview of dehumidifiers and regenerators for liquiddesiccant air conditioning system［J］. Energy conversionand management， 2021， 240： 114234.

［2］ KHAN R， KUMAR R， MA Z J. Experimental investigationson the performance characteristics of plastic surfaces fordeveloping low flow falling film liquid desiccantregenerators［J］. Solar energy， 2022， 236： 356-368.

［3］ SU W， LU Z F， SHE X H， et al. Liquid desiccantregeneration for advanced air conditioning： acomprehensive review on desiccant materials， regenerators，systems and improvement technologies［J］. Applied energy，2022， 308： 118394.

［4］ 王建偉， 張小松， 孫博， 等. 基于真空膜蒸餾的空調除濕溶液再生實驗研究［J］. 制冷學報， 2021， 42（4）：91-100.

WANG J W， ZHANG X S， SUN B， et al. Experimentalstudy on liquid desiccant regeneration in air conditioningsystem by vacuum membrane distillation［J］. Journal ofrefrigeration， 2021， 42（4）： 91-100.

［5］ 周君明， 張小松. 基于減壓膜蒸餾除濕溶液再生過程實驗研究［J］. 工程熱物理學報， 2020， 41（11）： 2635-2640.

ZHOU J M， ZHANG X S. Experimental study on vacuummembrane distillation liquid regeneration of liquiddesiccant air conditioning system［J］. Journal of engineeringthermophysics， 2020， 41（11）： 2635-2640.

［6］ LIU J J， ALBDOOR A K， LIN W Y， et al. Membranefouling in direct contact membrane distillation for liquiddesiccant regeneration： effects of feed temperature andflow velocity［J］. Journal of membrane science， 2022， 642：119936.

［7］ 孫博， 王建偉， 張小松. 基于電滲析的溶液再生傳質模型及性能分析［J］. 化工學報， 2021， 72（增刊1）：218-226.

SUN B， WANG J W， ZHANG X S. Mass transfer modeland performance analysis of liquid desiccant regenerationby electrodialysis［J］. CIESC journal， 2021， 72（S1）：218-226.

［8］ SUN B， ZHANG M X， HUANG S F， et al. Limitingconcentration during batch electrodialysis process forconcentrating high salinity solutions： a theoretical andexperimental study［J］. Desalination， 2021， 498： 114793.

［9］ GHASEMI H， NI G， MARCONNET A M， et al. Solarsteam generation by heat localization［J］. Naturecommunications， 2014， 5： 4449.

［10］ 黃叢亮， 皇強強， 杜長康， 等. 基于傳熱傳質分析的熱局域化太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)優(yōu)化研究進展［J］. 科學通報， 2021， 66（13）： 1628-1641.

HUANG C L， HUANG Q Q， DU C K， et al. Researchadvances on optimization of thermal localization solarsteam generation system based on heat and mass transferanalysis［J］. Chinese science bulletin， 2021， 66（13）：1628-1641.

［11］ 吳琳， 王軍， 范奇， 等. 基于生物質碳的界面光熱蒸發(fā)實驗研究［J］. 太陽能學報， 2022， 43（11）： 106-111.

WU L， WANG J， FAN Q， et al. Experimental study oninterfacial photothermal evaporation based on biomasscarbon［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（11）：106-111.

［12］ WU D X， DU C K， HUANG C L. Combining carbonizedsawdust beds with preheating water design for efficientsolar steam generation［J］. Applied thermal engineering，2021， 195： 117238.

［13］ 王潔冰， 高金彤， 徐震原. 基于不同類型溶液蒸氣壓特性的太陽能界面蒸發(fā)實驗研究［J］. 化工學報， 2022， 73（2）： 663-671.

WANG J B， GAO J T， XU Z Y. Experimental study onsolar interfacial evaporation based on vapor pressurecharacteristics of different solutions［J］. CIESC journal，2022， 73（2）： 663-671.

［14］ LONGO G A， FEDELE L. Experimental measurement ofequilibrium vapour pressure of H2O/KCOOH （potassiumformate） solution at high concentration［J］. Internationaljournal of refrigeration， 2018， 93： 176-183.

［15］ WEN T， LUO Y M， WANG M， et al. Comparative studyon the liquid desiccant dehumidification performance oflithium chloride and potassium formate［J］. Renewableenergy， 2021， 167： 841-852.

［16］ ZHANG L， HIHARA E， MATSUOKA F， et al.Experimental analysis of mass transfer in adiabaticstructured packing dehumidifier/regenerator with liquiddesiccant［J］. International journal of heat and masstransfer， 2010， 53（13/14）： 2856-2863.

［17］ GOMMED K， GROSSMAN G， ZIEGLER F. Experimentalinvestigation of a LiCl-water open absorption system forcooling and dehumidification［J］. Journal of solar energyengineering， 2004， 126（2）： 710-715.

［18］ ZHOU J M， WANG F M， NOOR N， et al. Anexperimental study on liquid regeneration process of aliquid desiccant air conditioning system （LDACs） basedon vacuum membrane distillation［J］. Energy， 2020， 194：116891.

［19］ LEFERS R， BETTAHALLI N M S， FEDOROFF N， et al.Vacuum membrane distillation of liquid desiccantsutilizing hollow fiber membranes［J］. Separation andpurification technology， 2018， 199： 57-63.

基金項目：國家自然科學基金（51876034）