夏热冬暖地区太阳能溶液除湿空调的分析

1、夏热冬暖地区太阳能溶液除湿空调的分析传统空调采用冷凝除湿，不可避免地出现容易滋生细菌、冷热抵消、制冷机效率低等缺点。溶液除湿 空调系统采用热湿分开处理，由除湿溶液承担全部湿负荷和部分冷负荷，室内末端承担剩余部分显热负荷， 除能有效避免传统空调的弊端外，还能够利用太阳能、工业废热等低品位能源而减少或避开使用高品位的电 能,间接起到节约能源和改善大气环境的作用。太阳能是一种清洁无污染，取之不尽用之不竭的可再生能源, 但由于太阳能能量密度低、间歇性出现等缺点而限制了它的广泛应用。除湿溶液有很好的蓄能特性，如能和 太阳能结合使用，可以使高峰盈余的太阳能蓄存起来以备不足时使用，起到“削峰填谷”的作用，达

2、到很好 的节能效果。此外，我国南方夏热冬暖地区夏季空调期长，易出现高温高湿天气,很适合采用太阳能溶液除湿 空调系统1。为此，本文通过模拟计算，从理论上分析在以广州为代表的夏热冬暖地区的气候下，太阳能溶 液除湿空调的运行能耗及其节能效果。1系统形式及工作原理太阳能溶液除湿空调系统工作原理如图1所示，系统分为三大部分，即太阳能集热系统、溶液除湿/再 生系统和常规制冷系统。1.1太阳能集热系统太阳能集热系统主要包括太阳能集热器、蓄热水箱等控制和输送设备。其中，集热器是太阳能集热系 统的核心部件，集热器性能的好坏直接影响着集热系统的优劣。常见的空调用集热器主要有平板型集热器、 全玻璃真空管集热器、热管

3、真空管集热器等。同平板集热器相比较，全玻璃真空管集热器和热管真空管集热 器具有集热温度高,太阳能热利用系数大、耐冻能力强等优点，但也存在着使用寿命较短、成本高、抗破损 能力弱等不足之处23。综合考虑夏热冬暖地区的气候和成本等因素,本文主要选取单层玻璃盖板平板集 热器来进行分析,其集热板为常见的铜铝复合材料翼形管板，吸热板长为1880mm、宽960mm,吸收率为0.95, 发射率为0.4。1.2溶液除湿/再生系统溶液除湿/再生过程是一个比较复杂的传热传质过程，其传质推动力为溶液和湿空气的水蒸气压力差。 由于在除湿/再生过程中产生了水蒸汽的相变过程，吸收或释放的相变热抑制和降低了传质推动力，从而导

4、 致了很大的不可逆损失。为减少不可逆损失，使除湿/再生过程接近可逆过程，文献4从“势容均衡”的角 度上提出了带有全热回收的分级除湿/再生器的新风机组。该机组通过对排风实现分级全热回收，降低新风 负荷,而得到了较高的能效比13,因此本系统中采用了以热水驱动的此类新风机(见图1)。图示新风机由溶液全热回收装置和可调温的单元喷淋模块组成，室外高温高湿的湿空气首先依次进入 全热回收装置内的各级除湿单元模块中而被逐级干燥，吸收水分的浓溶液变稀,被各级内溶液泵输往其相应 级的再生器中对室内排风进行全热回收而使稀溶液温度降低，浓度有所提高，以进行再循环。然后，从全热回 收装置内出来的新风再进入可调温的单元喷

5、淋模块中，被进一步除湿降温，以达到送风条件而送入室内。单 元喷淋模块的浓溶液由于吸收了水分变为稀溶液，通过溶液泵P3输送往稀溶液罐中等待再生器的再生。从 稀溶液罐中流向再生器的稀溶液先与再生后的温度较高的浓溶液进行显热交换，回收一部分热能后，再进入 再生器内逐级再生，其再生热源由太阳能集热器或辅助燃气加热器产生的热水(75/60C5)提供。再生后的 浓溶液进入浓溶液罐中以化学能的形式储存起来，以备除湿系统的需要。1.3常规制冷系统由于溶液除湿新风机组承担了全部湿负荷和部分冷负荷，室内末端设备只承担了部分显热负荷，其所 需的冷源温度可以显著提高10c左右,故而有效地提高了制冷机的COP值。图示系

6、统设计的供回冷水温度 为18/21C，相应的风机盘管送回风温度为22/26C。则提供此高温冷源的制冷机的整个空调季的平均效率 值可高达7.34，而常规提供7/12C冷水的制冷机的 7则为4.425。2运行模拟计算以广州某小型办公楼为例，利用建筑环境设计模拟分析软件DeST,对其运行能耗进行逐时摸拟计算。该 建筑每层空调面积约为200m2,底层层高4.5m,其余3.6m,共3层。空调系统要求采用风机盘管加新风形式, 运行时间从每日的上午8点至晚上8点，节假日仍正常工作。室内夏季空调设计参数为26C、相对湿度50%, 人均新风量取30m3/h,人员密度0.15人/m2。由于新风机组带有溶液全热回收

7、装置，其夏季的平均全热回收效率及潜热回收效率均取为0.7445。 在夏季空调运行期内，通过DeST软件对全热回收前后建筑冷负荷和湿负荷进行了逐时模拟,其模拟结果见 图2。由图2可见,全热回收前空调季内最大冷负荷为93.11kW,最大湿负荷为18.89g/s,空调季总冷负荷为 100864kWh，总湿负荷为77250kg。全热回收后，空调季内最大冷负荷为68.87kW,最大湿负荷为6.93g/s，总 冷负荷为66596kWh,总湿负荷为34524kg。可见,对室内排风进行全热回收后，引起新风冷、湿负荷大大减小, 从而使建筑总冷、湿负荷随之显著减少，节能效果明显。空调季内全热回收后的总冷负荷由风冷

8、式制冷机组 承担，其制冷冷量取为70kW。由于制冷机组制备高温冷水18/21C，取其值为7.34,忽略其他传热损失， 则可求得空调季内制冷机的耗电量为9073kWh。如采用传统空调，以露点状态送风,则制冷机制冷量选为 95kW。取 7=4.42,不考虑其他传热损失下,得空调季内耗电量为22820kWh,可见溶液除湿空调耗电量仅为 传统空调耗电量的40%。时间/min图2真空度对子芋降温速率的影响通过计算可知，传统空调热湿没有分开处理，不能采用全热回收装置，使得制冷机的容量和总耗电量都 远大于溶液除湿空调。溶液除湿空调除了制冷机组的耗能外,还有再生系统的耗能，它的大小取决于全热回 收后的总湿负荷

9、值，即除湿溶液的总除湿量/总再生量 w值，为34524kg。取再生器的平均再生效率n r为 0.825,水蒸汽汽化的潜热r值为2635kJ/kg,由Q=A wr/n计算得到空调季内溶液再生所需热量为 30816kWh。同理，由最大湿负荷可求得最大再生热量为22.26kW。再生热量主要由太阳能提供，而太阳能受 天气因素的影响较大，导致其供热量十分有限。但是除湿溶液有良好的蓄能特性，如浓度为3545%的氯化 锂浓溶液的蓄能能力可达到6431056MJ/m34，而水的携热能力仅为62.81kJ/kg（15C温差），这为充分利 用太阳能提供了有利条件。根据系统湿负荷,取蓄液罐的蓄能量为5400MJ（约

10、蓄存连续7天的供液量），蓄能 能力取为875MJ/m3（40%的氯化锂浓溶液），则蓄液罐体积为6.2m3。由屋顶可利用面积,选用太阳能集热器的面积为200m2,对集热器的得热量和再生器的再生热负荷分别 进行逐时模拟计算得到空调季内太阳总辐射量为108363kWh,总有用得热量为26678kWh,平均太阳能利用系 数为0.25。同时还可相应计算出逐时蓄液罐的蓄能量和辅助热源燃气加热量,其中燃气加热器的启动时间 及其加热量计算结果见图3。由于系统充分利用了溶液的蓄能特性，使系统再生器不必与除湿器同步工作， 大多数时刻依据太阳能集热器的获热量来启停工作，间接起到了对集热器有用得热量的“削峰填谷”作用

11、。 燃气加热器只在系统处于集热器有用得热量和系统蓄能量都不满足再生热量需求的时刻启动，从图3中可 见，燃气加热器的运行时间比较短，其空调季内的供热量仅为4138kWh（14897MJ）,只占总再生热量需求的 13.4%。试湖1图S正交试魂因素水平与效果关系3运行费用计算一般来说,空调系统的能耗包括了两大部分:输配系统的能耗和冷热源的能耗。由于溶液除湿空调输配 的能耗和传统空调差不多4,故而本文只计算了太阳能溶液除湿空调系统冷热源运行的费用来与传统空调 进行比较。图1所示空调系统在空调季内的能耗包括制冷机的耗电量和燃气加热器所耗用的天然气量，天然 气的热值取为44.61MJ/m36,广州地区的天

12、然气价格取为3.8元/m3,电价取为0.6元/kWh，则据此可以计 算出该空调系统在空调季内的运行费用为9073X0.6+14897/44.61X3.8=6713元，若采用传统空调，则其在 空调季内的运行费用为22820X0.6=13692元。可见，太阳能溶液除湿空调的运行费用仅为传统空调系统的 49.03%。4结论太阳能溶液除湿空调由于采用溶液全热回收模块，热湿负荷分开处理，大大减小系统负荷，使空调机组 规模缩小和系统能耗减少。由计算可知，在不考虑传统空调的再热量（以露点送风），忽略其他传热损失下， 溶液除湿空调的耗电量仅为传统空调的40%。但溶液除湿空调需要耗用一部分再生热量,由于采用太阳

13、能集 热系统和充分利用溶液的良好蓄能特性，使得辅助再生热源燃气加热器的供热量仅为再生热负荷的13.4%。 在广州地区的电、燃气价格下，通过比较该小型办公楼的两种系统在空调季内的运行费用，发现太阳能溶液 除湿空调的运行费用仅为传统空调系统的49.03%。由此可见，对于夏热冬暖的广州地区，在小型办公楼上采 用太阳能与溶液除湿相结合的空调技术,节能效果显著。但是，太阳能溶液除湿空调也存在一些缺点,如系统 节能效果受天气因素影响较大，系统结构比传统空调复杂，初投资也明显较高等。因此，对太阳能溶液除湿空 调的具体应用，还需做详细的技术经济分析。参考文献方承超，孙克涛.太阳能液体除湿空调系统模型的建立与分析J.太阳能学报，1997,18(2):128-133朱明