液体除湿空调实验台的性能分析及实验研究

1、液体除湿空调实验台的性能分析及实验研究张青1，2柳建华邬志敏高文忠( 1. 上海理工大学制冷研究所，上海，200093； 2. 上海水产大学食品学院，上海，200090)摘 要 针对上海气候环境条件设计制造了利用80以下低品位热源驱动的全新风送风LiCl液体除湿空2调实验台，用于为100m空调区域提供19以下的送风，独立承担室内热湿负荷。分析测试了系统送风温度的影响因素，表明再生热源温度是主要影响因素；测试了除湿再生同时运行模式下系统的夏、秋季运行性能，夏季工况新风制冷量35kW49kW，热力COP为0.720.98，秋季工况为17kW29kW和0.300.51；最后验证了除湿再生独立运行模式

2、的可行性与实际效果，新风制冷量45kW，热力COP1.1，为今后实验台的改进指明了方向。关键词 空调 液体除湿 节能 热力COPEXPERIMENTAL INVESTIGATION AND SYSTEM ANALYSIS OF A NOVELLIQUID DESICCANT AIR-CONDITIONING SYSTEMZhang Qing1,2 Liu Jianhua1 Wu Zhimin1 Gao Wenzhong1(1: Institute of Refrigeration Technology, University of Shanghai for Science and Techno

3、logy, Shanghai, 200093；2: College of Food Science and Technology, Shanghai Fisheries University, Shanghai, 200090）Abstract A novel liquid desiccant air-conditioning system was built up according to Shanghai weatherconditions. The temperature of the driving heat energy to regenerate the LiCl solution

4、 could be lower than 80 and the system could supply all fresh air with the temperature lower than 19 to 100m2 area. The influential factors which could affect the temperature of supply air were theoretically analyzed and experimentally tested. The temperature of the driving energy turned out to be t

5、he most important factor. The design of the system made it natural that the absorption and regeneration processes worked simultaneously. The refrigerating capacity / thermal COP of the system under summer and autumn conditions were 35kW49kW / 0.720.98 and 17kW29kW / 0.300.51 respectively under that

6、operating model. While the feasibility and actual effect of another operating model, ie, the absorption and regeneration processes worked separately, were also researched. The results were pretty encouraging in that the refrigerating capacity / thermal COP were 45kW / 1.1 and this would definitely h

7、elp to further improve the system in the future. Keywords air-conditioning liquid desiccant energy saving thermal COP0 前言目前，溴化锂吸收式空调系统需要100以上的热源进行再生，且系统在真空条件下运行。而使基金项目：国家科技部攻关项目（No:200 5BA908B27）；上海市科委世博科技专项资助（No:05dz05827）；上海市教委重点学科（No: T0503） 作者简介：张青，（1973-），女，高级工程师用氯化锂、氯化钙等吸湿溶液的液体除湿空调可以使用温度更低的热源，

8、且为常压运行，在节能、环保、充分利用低品位热源方面具有很大的优势，故得到了广泛的研究与关注。国内外现有的液体除湿空调系统多用于承担1潜热负荷或新风负荷，需要与传统空调设备结合使用。独立承担室内热湿负荷的液体除湿空调系统数量少，且均位于气候条件相对干燥的地区，容易获得较低的冷却水温度，如以色列系统冷却水温度2为2227，澳大利亚系统冷却水温度为2434，西班牙系统空气湿球温度为1517，除湿后的空气温度与此相当，再对空气进行蒸发冷却即可获得所需的送风温度，从而能够独立承担热湿负荷。上海地区夏季空调室外计算干球温度为34，湿球温度为28.2，可获得的冷却水温度在28以上，实际则为2532。受此限制

9、，除湿后的空气温度较高，仅利用蒸发冷却方式难以使空气温度降低到19以下，故必须对系统进行合理设计，以便降低送风温度，独立承担室内热湿负荷。图2 空气处理过程1系统介绍本课题组针对上海气候条件设计制造了一台以LiCl溶液为除湿剂的全新风液体除湿空调，用于总面积100m的二层办公区域。要求送风温度不高于19，相对湿度90%。采用80以下的热水作为溶液再生热源，由真空管式太阳能热水器提供，同时为性能测试快速方便起见，配备了辅助电加热系统。图为系统流程图，图2为空气处理过程，图3为溶液流程，图4为搭建完成的实验台实景图。实验台的设计过程、部件结构、测控系统等详见参考文献5。图3 溶液流程图图4 实验台

10、实景图 系统流程图降低送风温度的措施有：首先，充分利用送、回风蒸发冷却过程产生的低温冷水。从吸收塔出来的干燥空气（图2：点B）首先在空气冷却器中进行等湿降温（图：BC过程），再在送风加湿器中进行直接蒸发冷却（图2：CD过程）；其次，为降低除湿溶液温度，除了利用冷却塔产生的冷却水对溶液进行降温之外（图3：1-2过程），还利用点的回风对溶液进一步降温（图3：2-3过程）；再次，为了降低吸收塔内的溶液温升，在其中设置了冷却器（图2、3中未表示其作用），利用冷却塔产生的冷水带走除湿过程中的热量。2送风温度影响因素系统送风温度受以下因素影响：环境空气状态（A）、除湿塔中的除湿过程（A-B）、空气冷却器中

11、的等湿降温过程（B-C）以及送风加湿器中的等焓降温过程（C-D）。其中，本课题组早期研究表明A点空气状态对B点空气状态的影响不大6；同时，B-C和C-D过程的降温效果取决于空气蒸发冷却过程产生的冷却水温度，而水温主要取决于除湿后空气的状态。因此A-B过程的除湿效果对送风温度的影响最重要。当除湿塔中的溶液、空气流量固定时，A-B过程的除湿效果由除湿溶液的浓度、温度决定，其中温度受冷却水温度和再生热源温度的影响，而冷却水温度受环境空气条件所限，相对固定，因此送风温度主要受溶液浓度和再生热源温度的影响。2.1 溶液浓度对系统送风温度的影响从理论上来讲，溶液温度不变时，浓度越高，表面水蒸气分压力越低，

12、吸湿能力越强，出塔空气绝对含湿量越低，经过等湿降温和蒸发冷却后的温度也可随之降低。图5为热源温度较低（4045）时不同溶液浓度下的系统送风温度，溶液浓度与送风温度变化曲线很好地体现了上述关联特性。开始阶段溶液浓度较高，所以出除湿塔空气湿度很低，因此在加湿降温后送风温度比较低。随着溶液浓度逐渐降低，空气的除湿量也随着降低，系统的送风温度也因此而升高。实验结果显示：由于热源温度低，故除湿塔喷淋溶液温度也比较低，即使溶液浓度下降到27%，系统送风温度仍可低于20。图5 溶液浓度对送风温度的影响2.2 热源温度对送风温度的影响热源温度对系统送风温度存在两个不同方面的影响：一方面，当热源温度高时，有利于

13、提高溶液的浓度，如前所述，这有助于降低送风温度；但另一方面，由于热源温度高，除湿溶液喷淋温度也会相应升高，使得出塔空气温度上升。图6为不同热源温度下的系统送风温度。开始阶段溶液温度比较低，所以能够得到较低的溶液喷淋温度和送风温度，随着热源温度上升，喷淋溶液的温度也会逐渐升高，由于冷却塔的冷却量有限，导致送风温度也逐步升高。在热源温度约为70时送风温度超过20。图6 热源温度对送风温度的影响2.3 小结热源温度高虽然有利于溶液的再生，但除湿溶液喷淋温度也会随之增高，导致送风温度升高。而溶液浓度降低时，虽然除湿能力有所降低，但如果溶液的温度低，则在一定时间内仍能达到送风温度要求。3 系统整体运行3

14、.1运行要求和运行模式系统整体运行过程中，在满足送风温度的前提下，还要求溶液在再生塔中失去的水量大于等于在除湿塔中吸收的水量，否则溶液将不断稀释，最终失去吸水能力。系统可通过除湿再生同时运行或独立运行两种模式实现上述要求。3.2 除湿和再生同时运行模式由于本实验台只有一个溶液箱，便于采用除湿再生同时运行的模式，即除湿塔和再生塔的回液在溶液箱中混合，再分别进行冷却或加热，通过调节除湿、再生溶液流量、热源温度、冷却水流量等参数，使除湿塔中溶液获得的水分和再生塔中溶液失去的水分保持相等或使后者高于前者。在这种运行模式下，系统的热力COP被定义为：=Q0×WabG(ii)ddGW=aADt&

15、#215;HQ (1) sdeGsCs5t1dBdA式中：Q0 新风制冷量，kW；Qs 溶液再生吸收的热量，kW； Wab 除湿塔中溶液吸收的水，g/s； Wde 再生塔中溶液失去的水，g/s； Ga 系统送风量，kg/s； Gs 再生溶液流量，kg/s； Cs 溶液比热，kJ/kg.； i 空气焓值，kJ/kg； t 溶液温度，；d 空气绝对含湿量，g/kg.DA。 表1为同时运行模式下夏季和秋季工况下的运行条件和结果。表1 夏、秋季工况运行条件及结果实验夏季工况秋季工况环境空气状态温度32 34，温度29 31，相对湿度58% 78% 相对湿度61% 70%除湿后空气状态温度31 32，温

16、度26 27，相对湿度24% 31% 相对湿度29% 31%等湿冷却后空气温度26 31 未进行等湿冷却送风状态温度17 18，温度18 20，相对湿度88% 95% 相对湿度86% 94%风量(变频风机)3300m3/h 2900m3/h新风制冷量 35kW 49kW 17kW 29kW 室内回风状态温度23 27，温度25 27，相对湿度65% 75% 相对湿度66% 74%冷却水温度 27 28 23 25 再生热水温度 71 73.5 63 65溶液浓度 37% 39% 37% 热力COP0.72 0.980.30 0.51表中可见，秋季工况下由于太阳能温度低，导致热源温度低。而热力C

17、OP的降低主要是由于秋季工况下环境空气的焓值低，从而导致新风制冷量降低，这与秋季工况下的空调负荷变化也是同步的。上述结果还表明液体除湿空调尤其适用于热湿环境条件，这被许多研究人员认为是液体除湿空调不同于传统空调的重要特征之一。3.3 除湿和再生独立运行模式运行中发现上述运行模式的再生加热能耗较大，且不利于降低送风温度。如果系统能够独立进行溶液的除湿和再生，使溶液在一段时间内的除湿量和再生量相等，不仅仍能维持溶液浓度，还具有以下优点 ：一是再生过程中溶液不会被冷却，可以降低再生所需要的热能，进而提高系统的热力COP；二是在除湿过程中溶液不被加热，有助于降低送风温度。从理论上讲，如溶液只除湿、不再

18、生，溶液将不断稀释，最后失去除湿能力。但本文2.1实验显示：如能在除湿运行前蓄存足够的能量（即将溶液再生到足够高的浓度）、且系统供冷时间有限，就可以使系统在常规冷却水条件下，在需要供冷的工作时间段内始终达到送风温度要求，这表明独立运行模式具有可行性。除湿再生独立运行模式的经济性验证如下：首先将溶液从低浓度再生到高浓度，记录各时刻溶液再生加热功率（kW），求其平均值，与加热总时间（s）之积为再生过程所需总热能（kJ）；再利用该高浓度溶液工作，至系统送风温度高于19 为止，记录各时刻新风制冷量（kW），求其平均值，与供冷总时间（s）之积为总供冷量（kJ）。在这种运行模式下，系统的热力COP被定义为

19、总供冷量与再生过程所需总热能之比。表2为除湿再生独立运行过程实验。结果显示该种运行模式有助于提高热力COP，这为实验台今后的改进指明了方向。表2 除湿再生独立运行实验 除湿过程再生过程环境空气状态温度32 34,相温度2931,相对湿度64% 82% 对湿度61%70%溶液浓度变化自46%降低为35% 自35%上升为46%送风状态温度15 19,相对湿度90% 95%/平均新风制冷量45kW / 连续供冷时间7.4h /总供冷量 1209456kJ/ 再生热水温度/56 76平均溶液再生加热功率 / 45kW 溶液再生时间/ 6.7h 再生过程所需总热能 /1097460kJ热力COP1.14

20、 结论与今后改进方向1、本系统利用80以下的热源即可实现独立连续运行，较其它热能驱动空调系统所使用的热源温度更低，普通的太阳能热水器即可为其提供再生所需能源。2、能够独立承担室内热湿负荷，且为全新风送风，有利于提高室内空气品质。3、系统热力COP较高，在除湿再生同时运行模式下，夏季工况热力COP为0.720.98；独立运行的模式为1.1。4、系统今后还可改进为两个溶液箱，实现彻底的除湿、再生独立运行，这样虽然管路系统较为复杂，但对提高热力COP有很大帮助；另外，还可考虑对再生塔排气进行热量回收，以便进一步提高热力COP；最后，今后可考虑将冷却塔和冷水溶液板式换热器合并为蒸发式冷却器，减少冷却中间环节，改善除湿效率。参 考 文 献1 Li Zhen, Liu Xiaohua, Jiang Yi et al. New type of fresh airprocessor with liquid desiccant total heat recovery . Energy and Buildings.2005