溶液除湿空调系统的研究综述

溶液除湿空调系统的研究综述

王芳,王思琦

华电郑州机械设计研究院有限公司 北京建筑大学

摘要

全球能源问题日益凸显，各行业均在提倡节能减排，空调能耗备受关注，而溶液除湿空调系统比传统空调系统更加节能环保。近年，各国科研人员对溶液除湿空调系统进行了大量的研究。本文详细论述了溶液除湿空调系统的发展，并详细介绍了国内外科研工作者进行的除湿溶液性能的研究、溶液除湿系统的实验研究和溶液除湿系统的模拟研究，并提出了溶液除湿空调系统未来需要解决的关键问题。

关键字：除湿溶液；实验研究；模拟研究

1引言

近年来，世界性能源消耗问题越来越受关注，各行各业都在制定措施减少能源系统的二氧化碳排放量。建筑能耗作为社会总能耗的重要组成部分，建筑节能也成为了倡导节能减排政策、实现社会可持续发展的重要工作之一。根据国际能源署发布的报告，空调系统用能占建筑总能耗的最大比重，预计到2050年，空调系统用能将占全球总能耗的30%。预计2016-2050年，全球制冷能源消耗姜总850GW增长至3350GW，二氧化碳排放量增加一倍。因此，必须使用节能环保的空调系统来满足日益增长的制冷需求，同时减少碳排放。

目前，传统空调系统普遍采用的热湿处理方式是通过空气冷却器对空气进行冷凝除湿降温，同时除去室内热负荷和湿负荷，虽然起到了一定的排热排湿效果，但是这种热湿耦合的空气处理方式却存在诸多弊端。

空调系统送风需要满足室内的排湿要求，传统空调采用表冷器对空气进行冷却和冷凝除湿，那么冷源的温度需要低于室内空气的露点温度。一般空调显热负荷约占总负荷的50%-70%，而潜热负荷约占30%-50%。在冷凝除湿方式中，占比一半以上的显热负荷本可以通过较高温度的冷源排除，但却由于占比较小的潜热负荷的存在，要与其共用低温冷源进行处理，造成了能量利用品位上的浪费。在一些公共建筑中，人员发生大幅变化时会造成热湿比变化幅度过大，传统空调的冷凝除湿方式只能适应于热湿比在较小范围内波动的情况，热湿比幅度变化较大时若依然采用传统冷凝除湿方式，必然会引起湿度或者温度不能满足需求。并且，冷凝除湿过程中产生的水分会引起细菌和霉菌的滋生，从而影响空调房间的室内空气品质。此外，由于全球变暖和臭氧消耗，必须淘汰传统空调中常用的氯氟烃和氢氯氟烃制冷剂，而传统空调在此类制冷剂替代方面存在局限性。

基于传统空调存在的问题，清华大学江亿院士提出了温湿度独立控制的空调理念，即采用高温冷源去除室内的余热，实现温度的控制，采用除湿技术实现对湿度的控制。根据物料类型，现常用的除湿方式大致分为固体除湿和液体除湿。液体除湿比固体除湿更受青睐，其优点如下：

1）空气侧压降较小

2）再生温度较低

3）高密度能量储存

4）吸湿性更强

5）再生过程可充分利用低品位热源

6）有效净化空气

由于溶液除湿系统这些独特的优点，近年来，对溶液除湿技术的研究如雨后春笋般迅速增多。溶液除湿技术最早是在20世纪30年代由国外学者提出。1931年，美国化学家Bichowsky提出了LiCl溶液吸湿原理的专利申请。后续相应的研究逐渐展开，目前对于溶液除湿系统的研究只要集中在三个方面：除湿溶液的性能研究、溶液除湿系统的实验研究、溶液除湿系统的模拟研究。本文将根据以上三个方面对国内外溶液除湿系统的研究进行详细介绍。

2除湿溶液的性能研究

除湿剂的物理性质和热力学性质是影响热质传递过程的重要因素，它与除湿、再生性能息息相关。最早用做除湿溶液的是三甘醇，其粘性比较大、容易挥发的缺点限制了它在溶液除湿领域的应用，逐渐被难挥发性的无机盐溶液所取代，最主要的吸湿溶液有LiCl、LiBr、CaCl2等。目前国内外不少学者详细研究了LiCl、LiBr、CaCl2等除湿剂的表面蒸汽压、密度、比焓等参数，给出了这些参数随溶液温度和浓度的变化规律，并且对吸湿溶液的性能做了大量研究。

在国外研究中，Moon等研究了CaCl2在叉流除湿器内的除湿特性，并总结出除湿效率的关联式，通过实验表明其相对误差在10%以内。Conde等在前人对溶液除湿剂研究的基础上，通过大量的实验数据给出了LiCl和CaCl2两种除湿剂的物性计算公式和曲线图，这也为后人开展相关的研究提供了重要的参考。Longo等以LiBr溶液、LiBr溶液和醋酸钾溶液作为除湿剂，对其除湿和再生性能进行了实验测试，实验结果表明，LiBr和LiCl溶液的除湿性能优于醋酸钾溶液，而在再生过程中，醋酸钾溶液的再生性能更好。Lucas等研究了LiBr溶液与甲酸钠、LiBr溶液与甲酸钾混合后的表面蒸汽压、粘度和密度等热力性质。

在国内，熊珍琴等人对CaCl2溶液在双级溶液除湿空调系统中的除湿效果进行了研究。孙健等应用经典热力学理论研究了常用除湿溶液表面蒸汽压的形成机理，并对CaCl2、LiCl及其混合溶液表面蒸汽压进行了计算。杨英等使用CaCl2和ZnCl2组成的混合工质作为除湿系统的除湿剂进行了实验研究，并对影响液体除湿特性的各因素进行了分析。易晓勤等对以LiBr和LiCl溶液为吸湿剂的除湿器性能进行了测试，得出在相同实验工况下LiCl溶液的除湿效果优于LiBr溶液的除湿效果。

3溶液除湿系统的实验研究

在溶液除湿系统中，除湿器和再生器是溶液除湿的核心部件，其结构形式对溶液除湿系统的除湿效果有着很大的影响。因此，在溶液除湿系统的实验研究中，除湿器/再生器的结构形式和强化热质传递效果也是研究的热点问题。根据除湿过程中是否对溶液进行冷却降温以及降温的形式，除湿系统可分为内冷型、外冷型和绝热型，内冷型和外冷型是通过外部冷源对除湿过程中的溶液进行降温，从而抑制了除湿过程中吸收汽化潜热带来的溶液温升问题；绝热型是空气与除湿溶液直接接触进行热质传递，与外界基本不存在能量的交换。根据除湿系统内流体流动方向的不同，又可分为顺流流型、逆流流型和叉流流型。前人也对各种形式的除湿器和再生器的除湿和再生性能进行了大量的实验研究。

Bansal等搭建了叉流流型的内冷型溶液除湿和绝热型溶液除湿系统，采用CaCl2溶液作为吸湿剂，装置将内冷盘管嵌入Celdek填料中，其实验结果表明内冷型溶液除湿系统的效率高于绝热型溶液除湿系统的效率。常晓敏深入分析了内冷型溶液除湿装置和绝热型溶液除湿装置的性能差异，并对内冷型溶液除湿装置的流型选择、装置结构与材料、壁面润湿、传热性能等关键问题进行了详细的剖析，并以此为指导原则设计了一种内冷型溶液除湿装置。通过实验测试了冷却水温度、溶液质量流量以及冷却水质量流量对热质交换过程的影响。Kessling等建立了内冷水与溶液呈叉流、空气与溶液呈逆流的内冷型溶液除湿装置。实验中采用LiCl溶液作为除湿剂，通过实验重点研究了内冷型溶液除湿装置的除湿性能与空气质量流量、溶液质量流量的关系，计算出了各种实验工况下的传质系数；还研究了溶液的蓄能能力，提出了空气与溶液的质量流量比MR在50-100kg/kg的范围内时，可以实现溶液良好的蓄能能力。孙健等建立了一种采用空气作为冷却介质的内冷型溶液除湿实验系统，实验采用CaCl2溶液作为除湿剂，该除湿器的结构类似一个平行板式的热交换器，冷空气在各平行板通道的外部流动，在通道内部除湿溶液与被处理的湿空气呈逆流流动，用风扇将冷却空气从除湿器的侧面吹入外部通道，对除湿过程进行冷却。文章主要对空气的流量、溶液的流量以及溶液的浓度对除湿量的影响进行了研究，实验结果表明增加除湿溶液的浓度、除湿溶液的流量和被处理空气的流量都可以增大除湿量。刘晓华等搭建了Celdek规整填料溶液除湿、再生装置，通过实验测试了溶液与进口参数对叉流除湿装置的传质效果的影响，以实验数据为依据拟合出了除湿过程的准则方程，并与实验结果进行了对比。王顺林以LiCl溶液、CaCl2溶液以及两者等比例混合的溶液为除湿剂，通过实验分析了空气流量、溶液流量和除湿剂的种类对溶液除湿系统的除湿性能的影响。

4溶液除湿系统的模拟研究

在实验分析的基础上，诸多学者还对溶液除湿装置和再生装置搭建了不同形式的数学模型开展了大量的数值模拟研究工作，通过数值模拟的方法分析了除湿装置和再生装置的性能。

Khan等提出了基于蒸发器形式的盘管式结构的内冷型溶液除湿装置，以LiCl溶液为除湿剂，溶液自除湿器顶部向下喷淋，其中空气与溶液呈叉流形式、空气与制冷剂呈逆流形式。根据内冷型溶液除湿装置的结构形式建立了以制冷剂为冷却介质的除湿器数学模型，并通过数值模拟方法研究了内冷型除湿器的性能，模拟结果给出了除湿器内空气、溶液和制冷剂的沿程状态分布图，通过变工况性能分析指出：制冷剂温度和流量、空气流量、装置传热传质单元数等因素对除湿器的性能有显著的影响。其模拟结果进一步表明当溶液与空气的流量比大于0.2时，除湿器的性能几乎不随溶液流量的增加而变化，所以吸湿溶液的流量只需要润湿盘管即可。Ren等建立了内冷型溶液除湿的数学模型，假设流体物性呈线性变化，最终得到了模型的解析解，且该解析解与数值解吻合的很好，通过分析发现增加冷却介质的热容、壁面的润湿度、传热传质单元数，减小气相与液相的传热传质系数之比都能提高除湿单元的除湿性能；并且还对溶液、湿空气和冷却水的流型进行比较，结果表明溶液与空气逆流、冷却水与溶液顺流的流型除湿性能最优，而溶液、湿空气、冷却水三者顺流的流型除湿性能最差。殷勇高、张小松对填料塔结构的溶液除湿器建立了一种NTU-Le模型，并基于此模型研究了溶液除湿过程传热传质特性，研究结果表明在小传质单元数的情况下Le数在0.6-2.0的变化范围内时对空气出口含湿量基本无影响；文章提出了一种溶液除湿耦合热质传递过程的热质传递解耦方法即Le-hD分离测量法。Liu等建立了内冷除湿装置的数值模型，比较了六种流型的除湿性能，结果发现溶液与空气呈逆流流型时除湿性能最好，溶液与空气呈顺流流型时除湿性能最差，溶液与空气呈叉流流型时除湿性能居于二者之间，且冷却水的流向对装置性能的影响并不大。钱俊飞等以LiCl溶液为除湿剂，在平板降膜溶液除湿/再生系统实验台上研究了溶液、空气入口参数对空气出口含湿量的影响，发现空气流量和溶液流量的影响最大，并且通过实验数据验证了基于耦合传热传质实验关联式的

NTU-Le模型的准确性。杜斌等建立了竖直平板降膜除湿过程的数学模型，搭建了CaCl2溶液除湿实验设备，并通过改变溶液进口参数和空气入口参数得到了空气出口的状态变化，将模拟值与实验值进行了比较，证明了其传热传质模型的准确性，还指出溶液的入口温度、浓度和流量是影响除湿过程、除湿效率的关键因素。喻李葵等对竖直平板降膜除湿过程建立了层流条件下的数学模型，并对其进行了相应的数值计算，通过计算指出，除湿器的结构参数、竖直板长度和板间距对除湿性能的影响比较大，且都存在一个使除湿器性能最佳的值。柳建华等建立了带填充物的液体除湿器的传热传质模型，并进行了相应的数值计算，计算表明溶液入口温度和浓度对除湿性能有着显著影响。

5展望

科研人员进行了诸多溶液除湿空调系统的研究，但在实际工程中应用十分有限。未来的研究应着重于以下几个方面：

1）实际工程应用中的性能研究。大多数的除湿空调系统研究仍然是理论或者实验室规模的研究，未来应展开实际工程系统运行的性能研究。通过系统的长期运行监测，进一步研究系统的结垢和老化问题。同时，系统运行的性能数据也是评估维修成本的重要依据，也有利于分析溶液除湿空调系统在实际运行中的经济性。

2）无腐蚀性、廉价的除湿溶液。大部分除湿溶液对系统都具有一定腐蚀性，因此需要开发无腐蚀、廉价、高效的除湿溶液或添加剂，替代目前使用的除湿溶液。

3）性能控制策略。目前对控制变量的研究还停留在理论或小规模实验阶段。在工程应用中，要实现对空调送风参数的有效控制，尚需要一套有效、准确的全工况最佳运行的调控策略，所以还需要对运行调控开展研究。

参考文献

[1]刘晓华，李震，张涛．溶液除湿[M]．北京：中国建筑工业出版社，2013．

[2]Moon CG, Bansal PK, Jain S. New mass transfer performance data of a cross-flow liquid desiccant dehumidification system[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32(3): 524-533.

[3]Conde MR. Properties of aqueous solutions of lithium and calcium chlorides: formulations for use in air conditioning equipment design[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2004, 43(4): 367-382.

[4]Longo GA, Gasparella A. Experimental and theoretical analysis of heat and mass transfer in a packed column dehumidifier/regenerator with liquid desiccant[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48(25): 5240-5254.

[5]Lucas AD, Marina DA, Rodríguez JF. Vapor Pressures, Densities, and Viscosities of the (Water + Lithium Bromide + Sodium Formate) System and (Water + Lithium Bromide + Potassium Formate) System[J]. Journal of Chemical & Engineering Data, 2002, 48(1): 179-194.

[6]熊珍琴，代彦军，王如竹．两级双溶液除湿/再生模块实验研究[J]．工程热物理学报，2009，30(9)：1558-1560．

[7]孙健，宫小龙，施明恒．除湿溶液蒸汽压的研究[J]．制冷学报，2004，25(1)：27-30．

[8]杨英，李心刚．液体除湿特性的实验研究[J]．太阳能学报，2000，21(2)：155-159．

[9]易晓勤，刘晓华．两种液体吸湿剂的除湿性能比较[J]．中国科技论文，2009，4(7)：522-526．

[10]Bansal P, Jain S, Moon C. Performance comparison of an adiabatic and an internally cooled structured packed-bed dehumidifier[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(1): 14-19.

[11]常晓敏．内冷型溶液除湿装置研究与应用[D]．清华大学，2009．

[12]Kessling W, Laevemann E, Kapfhammer C. Energy storage for desiccant cooling systems component development[J]. Solar Energy, 1998, 64(4): 209-221.

[13]孙健，赵云，施明恒．太阳能液体除湿空调性能的实验研究[J]．能源研究与利用，2002，5(1)：51-51．

[14]刘晓华，张岩，张伟荣等．溶液除湿过程热质交换规律分析[J]．暖通空调，2005，35(1)：110-114．

[15]王顺林．溶液除湿空调除湿性能的实验研究[J]．发电与空调，2013，34(2)：63-65．

[16]Khan AY, Sulsona FJ. Modelling and parametric analysis of heat and mass transfer performance of refrigerant cooled liquid desiccant absorbers[J]. International Journal of Energy Research, 1998, 22(9): 813-832.

[17]Ren CQ, Tu M, Wang HH. An analytical model for heat and mass transfer processes in internally cooled or heated liquid desiccant–air contact units[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2007, 50(17-18): 3545-3555.

[18]殷勇高，张小松．基于热质传递解耦特性的溶液除湿过程传热传质系数(Ⅰ)模型与Le-hD分离测量法[J]．化工学报，2008，59(1)：6-11．

[19]Liu XH, Chang XM, Xia JJ, et al. Performance analysis on the internally cooled dehumidifier using liquid desiccant[J]. Building & Environment, 2009, 44(2): 299-308.

[20]钱俊飞，殷勇高，潘雄伟等．平板降膜溶液除湿再生过程实验研究及模型验证[J]．化工学报， 2014，65(6)：2070-2077．

[21]杜斌，施明恒．内冷型降膜除湿过程的数值模拟与实验研究[J]．流体机械，2007，35(12)：53-57．

[22]喻李葵，曹峰．结构参数对液体除湿器性能的影响[J]．建筑热能通风空调，2008，27(2)：36-39．

[23]柳建华，顾卫国，路阳．液体除湿器的数值模拟分析[J]．暖通空调，2006，36(6)：57-59．