低品位间歇热源驱动的液体除湿空调系统研制

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 5MB 85 页 15积分
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摘 要
在过去的一个世纪，暖通空调工业得到了空前的发展，由于其能够改善人
们日常生活、居住、工作环境，保证各项工业生产的顺利进行，已经普及到社
会的各个角落。与此同时，暖通空调的发展和普及也带来了诸多问题和挑战，
诸如能源危机、全球气候变暖、大气臭氧层破坏以及室内空气品质恶化等等。
因此，液体除湿空调凭借对低品位热源的利用、环保、节能以及净化空气
等方面的优势，成为了国内外众多学者研究的热点课题。
本论文首先利用前期搭建的叉流除湿/再生器全性能试验台，深入研究了溶
液、空气各进口参数对叉流除湿/再生器性能的影响，并研究了利用多元醇类物
质相变吸热实现低品位热源蓄热的可行性，在此基础上，利用前期的实验结果
与数值模拟计算结果，设计与搭建了新的液体除湿空调系统，在上海夏季环境
条件下（环境温度为 32℃ ~ 39℃，相对湿度为 45% ~ 60%），用 70℃左右热水
驱动，连续运行时系统制冷量达 65 ~ 85kW；系统的 EER 值达 9.0 以上；系统
的热能利用率 COP 值超过 0.5。另外，该系统对热源温度的稳定性要求不高，
因此比较有利于温度波动较大的热源，如太阳能的利用。
本文的工作主要分为如下四个部分：利用前期搭建的叉流除湿/再生器全性
能试验台，实验测试溶液、空气不同进口参数对除湿、再生性能的影响；针对
低品位热源波动性和间歇性的特点，研究蓄能率大的蓄能方式；根据研究成果，
针对具体条件，研制一套以低品位间歇热源驱动的液体除湿空调系统；最后，
对新研制的液体除湿空调系统的基本性能进行实验研究。
关键词：液体除湿空调系统 低品位间歇热源 蓄能特性 性能系数
实验研究
ABSTRACT
In the 20th century, the HVAC industry brought air conditioning out of the lab
and into millions of homes and commercial buildings. What was once a luxury is
now a necessity. However, this success now presents the industry with new
problems and challenges. If the air conditioner is to improve the quality of life for
billions more people in a rapidly developing world, we face four potential problems
and challenges: energy crisis, global climate change, ozone depletion and IAQ
depravation, etc.
As a result, the liquid desiccant air-conditioning system is getting more and
more interest because it can save energy, protect environment, purify air and driven
by low grade intermittent heat source, etc.
In the paper, a experimental study of cross-flow dehumidifier and regenerator
heat and mass transfer performance is worked out on the former laboratory bench,
and then a energy storage method using enthalpies of phase transition in Solid-Solid
Phase Transition of Polyols is analyzed and studied, finally, according to the
experimental results and numerical simulations, a new liquid desiccant air
conditioning system which can offer 65 ~ 85kW cooling capacity is built up. The
system, which employs environmental-friendly, ozone-safe working substance:
LiCl-H2O solution as the desiccant, can treat the ambient air at a high temperature
(32℃ ~ 39℃，45% ~ 60%) to the air conditioning supply air at a low temperature
(20℃ ~ 22℃). The Coefficient of Performance (COP) of the system can be up to 0.5
and the Energy Efficiency Ratio can be up to 9.0. Besides, since the system can be
operated with any heat source temperature which is above the solution regeneration
temperature, it is particularly favorable for the efficient utilization of low grade
intermittent heat sources such as solar energy.
This paper consists of four main parts: Firstly, the experimental study on the
former laboratory bench of cross flow dehumidifier/regenerator performance is
worked out, functional relationship between the import parameters and efficiency of
dehumidifier/regenerator is summarized; Secondly, a new energy storage method is
analyzed and studied to solve the intermittence and volatility of low grade heat
source; Thirdly, a new liquid desiccant air conditioning system is designed and built
up according to the special conditions and the numerical simulation results; Finally,
the basic performance of the new system is studied experimentally.
Key Word：liquid desiccant air-conditioning system, low grade
intermittent heat source, energy save, COP and EER, Experimental
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .............................................................................................................. 1
§1.1 课题背景 ..................................................................................................... 1
§1.2 液体除湿空调的研究现状............................................................................. 6
§1.2.1 液体除湿空调系统整体循环设计 ....................................................... 6
§1.2.2 除湿/再生装置结构特性 ...................................................................... 7
§1.2.3 空气和溶液的传热传质特性 ............................................................. 10
§1.2.4 系统蓄能特性 .................................................................................... 11
§1.3 我校研究状态 ............................................................................................. 12
§1.4 本文研究内容 ............................................................................................. 13
第二章 叉流除湿/再生器实验研究 .......................................................................... 15
§2.1 除湿/再生器全性能试验台......................................................................... 15
§2.2 除湿/再生器性能实验分析......................................................................... 18
§2.3 空气和溶液进口参数影响对比分析 .......................................................... 23
§2.4 除湿/再生效率实验关联式 ......................................................................... 25
§2.5 叉流除湿/再生器性能优化 ......................................................................... 28
§2.6 本章小结..................................................................................................... 31
第三章 液体除湿空调蓄能特性研究 ........................................................................ 32
§3.1 除湿溶液运行范围研究 ............................................................................. 32
§3.2 再生溶液运行范围研究 .............................................................................. 33
§3.3 低品位间歇热源蓄能方式研究 ................................................................... 34
§3.3.1 再生溶液浓度差蓄能特性研究 ......................................................... 34
§3.3.2 固-固相变材料蓄能特性研究 ............................................................ 36
§3.3 本章小结..................................................................................................... 39
第四章 液体除湿空调系统设计 ............................................................................... 40
§4.1 液体除湿空调使用场所介绍 ....................................................................... 40
§4.2 液体除湿空调外接设备介绍 ....................................................................... 40
§4.3 液体空调系统的设计方案........................................................................... 43
§4.4 液体除湿空调系统的选型设计 .................................................................. 46
§4.4.1 除湿器设计 ....................................................................................... 46
§4.4.2 再生器设计 ........................................................................................ 57
§4.4.3 湿膜加湿器设计 ............................................................................... 57
§4.4.4 换热器设计 ....................................................................................... 59
§4.4.5 其它辅助设备 ................................................................................... 64
§4.5 本章小结..................................................................................................... 65
第五章 液体除湿空调系统搭建与性能测试 .......................................................... 66
§5.1 液体除湿空调系统搭建 ............................................................................. 66
§5.2 液体除湿空调性能测试 ............................................................................. 69
§5.2.1 液体除湿空调测控系统 .................................................................... 69
§5.2.2 液体除湿空调性能测试 .................................................................... 71
§5.3 本章小结..................................................................................................... 74
第六章 结论与展望 ................................................................................................... 75
参考文献 .................................................................................................................... 76
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................... 81
致 谢 .......................................................................................................................... 82
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题背景
100 多年以来，随着人类社会的发展，能源结构由原先的以薪柴为主过渡到
20 世纪 20 年代时的以煤炭为主，再到 20 世纪 80 年代转变为以油气为主，人类社
会历史上每一次能源结构的转变，都伴随着人类经济社会的快速繁荣发展。与此
同时，随着人类使用能源特别是化石能源的数量越来越多，能源对人类经济社会
发展的制约和对资源环境的影响也越来越明显。
目前，煤炭、石油、天然气三种传统化石能源占全球总能源消费约 80%以上，
三者的比例基本为 1：2：1。据 2009 年BP（英国石油公司）世界能源统计的最新
数据显示，2008 年世界石油探明储量为 12580 亿桶，世界石油储产比为 42 年；全
球天然气的探明储量在 2008 年达到 79.7 亿立方米，储产比为 60.4 年；世界煤炭
探明剩余可采储量 8237 亿吨，储产比为 122 年[1]。我国截至到 2008 年底，煤炭探
明储量 1145 亿吨，占全球探明储量的 13.9%，石油和天然气探明储量分别仅占世
界总储量的 1.2%和1.3%，这三种化石能源的储采比分别为约为 41 年、32 年和 11
年。这些化石能源都存在价格上涨和枯竭的趋势[2]。
0.269
0.242
0.271
0.329
0.402
0.423
0.45
0.472
0.49
0.525
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
图1-1 2000~2009 年中国石油资源对外依存度变化情况[3]
相关数据显示，自 1998 年我国成为世界第二大能源消费国以来，2003 年又超
过日本成为仅次于美国的第二大石油消费国，约占世界能源消费总量的 11%。同
时，原油对外依存度由 1993 年的 6%在短短 15 年间一路攀升至 2008 年的 49%，
到了 2009 年更是突破了 50%警戒线[3-4]（表 1-1、图 1-1）， 50%这条“警戒线”标
志着我国的原油消费由原先的国内保障为主，转为主要依靠进口满足。中国国家
能源领导小组成员方君实指出，到 2020 年，我国石油需求量为 4.5 ~ 5 亿吨，对外
低品位间歇热源驱动的液体除湿空调系统研制
2
依存度将超过 60%；同时，我国煤炭消耗量占世界总量的 40%以上，2008 年中国
的煤炭消费增长量为全球增长量的 85%以上[1]；天然气需求量也一直在增长，德中
建筑协会副主席卢求预测到 2020 年天然气在一次能源消费中，所占比例将增长到
10%以上，我国对海外能源的依赖程度将达到 55%以上。
为了社会的可持续发展，迫切要求寻找替代能源及开发高效节能技术，在这
其中加大研究开发与规模化利用低品位能源和可再生能源，推广应用各种节能技
术就显得尤为重要。
表1-1 2005 ~ 2009 年中国原油资源对外依存度变化情况[4]
年份
进口量
表观消费量
对外依存度
（万吨）
（万吨）
（进口量占表观消费量%）
2009
20379
38821
52.5
2008
17888
36489
49.0
2007
16317
34594
47.2
2006
14518
32252
45.0
2005
12682
29959
42.3
国际能源形势日益严峻，同时因为能源消耗带来的环境问题也成了人类不容
忽视的难题。19 世纪末，瑞典科学家斯万特首先提出了“温室效应”的概念，随
后许多科学家也逐渐认识到了人为的温室气体排放增加对全球气候的影响；20 世
纪70 年代，科学家们开始把气候变化看作一个潜在的严重问题；1988 年11 月，
世界气象组织和联合国环境规划署联合建立了政府间气候变化专业委员会
（Intergovernmental Panel on Climate Change），简称 IPCC，根据 2007 年IPCC 第
四次评估报告称，近百年全球地表平均温度上升了 0.74℃，最近 50 年的升温速率
图1-2 近百年全球平均气温变化[5] 图1-3 50 年来大气中 CO2浓度变化[6]
几乎是过去 100 年的两倍，而且认为人类活动是最近 50 年气候变暖的主要原因，
即人类化石燃料燃烧，由此排放的温室气体，导致温室效应增强，从而导致全球
第一章 绪论
3
气候变暖，并将近百年来大气中 CO2浓度变化与全球平均气温变化进行了对比，
详见图 1-2、1-3。
自20 世纪 80 年代开始，国际社会采取了一系列应对措施来适应和减缓气候
变化。1992 年联合国环境发展大会通过了《气候变化框架公约》；1997 年通过了
《京都议定书》，规定了发达国家 2008 ~ 2012 年的减排指标；2007 年于巴厘岛会
议通过了“巴厘路线图”，要求进一步加强《气候变化框架公约》和《京都议定书》
的实施，并于 2009 年底就 2012 年以后应对气候变化的合作行动做出安排。
对我国而言，1990 年，我国的二氧化碳排放量为 22.56 亿吨，占世界排放总
量的 11%，而根据国际能源署最新统计数据，2006 年中国能源消费为 18.78 亿吨
标准油（26.84 亿吨标准煤），相应的二氧化碳排放量增加到 56 亿吨，是 1990 年
的2.5 倍，占世界总量的 20%；同年，美国二氧化碳排放量为 57 亿吨，占世界总
量的 20.3%。今后二、三十年期间内，随着经济的持续较快增长和城市化的进程，
我国的能源消费还会增加，二氧化碳排放也会有所增长，我国政府已于 2009 年召
开的哥本哈根大会上宣布到 2020 年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005
年下降 40% - 45%。因此，我国应在尽力争取实现现代化所必需的排放空间的同时，
积极采取各种可行的温室气体减排和控制措施。
在国民经济中，作为支柱产业之一的制冷与空调行业是能源利用和环境保护
重点关注的领域之一。以空调应用为例，建筑总能耗中的 30%~50%为暖通空调能
耗，而我国能源消耗总量 30%以上为建筑物能耗 [7]。在一些我国的大中城市，夏
季居民用电量的 25% ~ 36%是被空调消耗的 [8]，尤其是 2004 年夏季，甚至冬季，
在中国的出现电力供应紧张，敲响了建筑节能，尤其是暖通空调节能的警钟。在
国外，欧美等西方发达国家的暖通空调全年能耗已占其国内建筑物总能耗的
40%~60%，暖通空调节能已成为世界范围内的焦点问题。而且随着我国经济社会
的高速发展，暖通空调能源消耗量以及其在我国能源消耗总量中所占的比例也将
持续增加，节能任务任重道远。
传统的制冷空调方式一般采用卤代烃作为制冷剂，含氯离子的卤代烃对大气
臭氧层有破环作用，同时产生温室效应。目前，我国是世界上最大的卤代烃生产
和消费国，作为目前全球使用最多的制冷剂之一，R22 全球的生产量 80%在中国，
消费量 50%在中国[9]。从目前的研究和应用情况看，现有制冷剂替代主要存在两个
发展方向：一个是采用 HFCs 等人工合成制冷剂，国际上已经对 R134a 为代表的
新型环保工质的热物性进行了研究，但总体而言人工合成制冷剂依然无法彻底解
决工质的环境问题和安全问题；另一个发展方向是采用 CO2、碳氢化合物作制冷
剂，采用天然物质作为制冷剂，从根本上避免环境问题，其中呼声最高的是 R717、
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4
R744、R290 和R600a 四种。尽管部分氢氟烃制和碳氢类制冷剂已经成功应用，
但与社会经济和科技发展的要求相比依然有较大的差距。因此，寻找对生存环境
不造成破坏的空调方式也是空调界的共识之一。
另外，随着科学技术的进步，人们对生产和生活环境的室内空气品质要求也
不断提高，现在对制冷空调的要求，不仅仅只满足于温度的变化，对空气的湿度、
洁净度等都有较高的要求。在热舒适环境的设计中，人们普遍采用传统的机械式
制冷空调来满足舒适要求。
机械式制冷空调目前大都采用冷冻除湿降温来实现对室内热湿负荷的处理，
即在降温的同时实现对空气的除湿处理，这一过程同时承担空调房间内的显热与
潜热负荷，图1-4 给出了夏季机械式制冷空调对送风降温除湿处理过程中，整个系
统中各环节的温度。冷冻除湿要求与空气接触的冷源温度必须低于空气的露点温
度，从而使得水蒸气从空气中凝结出来。如果仅需去除室内显热，则机械式制冷
空调只需将室内26℃的热量排放到室外34℃的环境中，其温差仅有8℃；而为了去
除潜热负荷、实现对空气的除湿处理，机械式制冷空调不得不在近30℃温差的工
况下工作，造成机械式制冷空调效率低下。在空调系统中，显热负荷约占总负荷
的50% ~ 70%，潜热负荷约占总负荷的30% ~ 50%。占总负荷一半以上的显热负荷
本可以采用高温冷源排走，却与除湿一起共用7℃的低温冷源进行处理，造成了能
量利用品位上的浪费。此外，冷冻除湿利用空气通过冷表面时对空气进行降温去
湿，长期运行冷表面会积蓄一定量的水分，这就导致冷表面成为潮湿表面甚至产
生积水，空调停止运行后这样的潮湿表面就成为各类霉菌生存和繁殖最好的场所，
若不对空调进行及时有效的处理，会有影响人们健康问题的霉菌、粉尘和室内散
室外温度34℃
室内温度26℃
送风温度20℃
回水温度12℃
供水温度 7℃
蒸发温度 5℃
任
务
温
区
机
械
式
制
冷
空
调
工
作
温
度
范
围
被处理空气
空气露点
机器露点
空气送风点
0510 15 20 25
10
20
30
40
50
60
空气含湿量 / （g/kg.DA）
空气温度 / (℃)
图1-4 机械式制冷空调夏季降温除湿时各环节温度示意图
低品位间歇热源驱动的液体除湿空调系统研制.pdf

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作者：侯斌 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：85 页 大小：5MB 格式：PDF 时间：2025-01-09

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