第 36卷第5期
2006年 9月
东 南大 学 学 报 (自然科学版)
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY(Natural Science Edition)
V01．36 NO．5
Sept． 2006
溶液除湿蒸发冷却系统构建及其性能
蒋 毅 张小松 殷勇高
(东南大学能源与环境学院，南京 210096)
摘要：在直接蒸发冷却和间接蒸发冷却(IEC)优化组合的基础上构建了溶液除湿蒸发冷却系统
(LDCS)，该系统通过 IEC对排风进行全热回收，并能够提供高质量的空调送风．研究表明：用
LDCS进行空气调节是完全可行的，可有效利用太阳能、工业废气余热、燃气发动机余热等低品
位热源，且系统能源利用效率较高，在热源温度为70℃时可达0．8；具有优异的蓄能特性，蓄能
密度一般大于 1 000 MJ／m’，与常规蓄能模式相比，有显著的优势；在设定工况下，系统热力系数
为0．94．
关键词：溶液除湿；蒸发冷却；空调系统；蓄能
中图分类号：TB61 文献标识码：A 文章编号：1001—0505(2006)05-0780~5
Construct and performance research on liquid
desiccant evaporative cooling system
Jiang Yi Zhang Xiaosong Yin Yonggao
(College of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China)
Abstract：Based on the optimization combination of direct evaporative cooling(DEC)and indirect
evaporative cooling(IEC)，a liquid desiccant evaporative cooling air conditioning system (LDCS)
is constructed，which can recover heat from discharge air by IEC and supply air with high quality．
The performance research indicates that it is absolutely feasible to use LDCS for air conditioning．
The system can make good use of solar energy and waste heat of industrial discharge gas．The effi—
ciency of energy utilization is considerable．which is able to achieve 0．8 when the temperature of
heat reservoir is over 70℃ ．Also the system has excellent perform ance for energy storage and the
density of energy storage is generally over 1 000 MJ／m ．which means that this energy storage meth—
od is more effective than conventional ones．The COP (coe~cient of the system perform ance)is
0．94 when LDCS operates under the setting WOrk conditions．
Key words：liquid desiccan t；evaporative cooling；air conditioning system；energy storage
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，
制冷空调设备的使用越来越广泛，同时带来了许多
问题．首先加剧了能源供应紧张的矛盾，给能源尤
其是电力带来了巨大压力，伴随着电网峰谷差的矛
盾以及废气排放、温室效应和酸雨对环境的污染
等，因而研究空调节能和太阳能、废气余热等低品
位能的合理有效利用等有着十分重要的意义；其
次，由于空调系统 的广泛使用，伴 随着 CFCs或
HCFCs的大量排放，对大气臭氧层造成了很大破
坏，开发新的无污染制冷剂或者探讨新的制冷技术
是解决这一问题的根本途径．除湿蒸发冷却系统
(DECS)正是在上述背景下提出并受广泛重视的
有效方法之一，自从 20世纪80年代提出以来就受
到国内外同行的极大关注，并取得了一系列有价值
的研究成果，将发展成为一种新型高效环保的空调
系统 ．
收稿日期：20o6 ． 1 溶液除湿蒸发冷却系统的构建
昙：星 只然科学警 ‘ 、里新捋 除湿蒸发冷却系统是将除湿技术与蒸发冷却1979 作者简介：蒋毅( --)
，男，硕士生；张小松(联系人)，男，教授， ” 一 ’ ’ 。
博士生导师，rachpe@seu．edu-cn． 技术有机结合的新型空调系统，使得蒸发冷却技术
维普资讯
第5期 蒋毅，等：溶液除湿蒸发冷却系统构建及其性能 78l
不再局限于干燥地 区，从而能够充分地发挥其节
能、环保的优势．DECS可分为两大类：固体除湿和
溶液除湿．已有的研究表明 刮 ：固体除湿混合损
失大、传热传质过程的不可逆损失大、效率不高；溶
液除湿具有吸湿性能好 、再生温度低、性能系数高
等特点，有可能达到较好的热力学效果，因而本文
仅讨论基于溶液除湿的蒸发冷却系统．
溶液除湿蒸发冷却系统(LDCS)由溶液除湿
与再生系统和空气处理系统 2部分组成．溶液除湿
与再生是 LDCS系统的关键 ，是合理有效利用太阳
能和废气余热等实现空气调节的基础；溶液除湿的
效果直接决定 LDCS系统能否达到空气调节的要
求，溶液再生的效果则决定了系统的能源利用效率
及其对能量品位的要求．空气处理系统将从除湿器
出来的干燥空气，通过间接蒸发冷却(IEC)和直接
蒸发冷却(DEC)等手段，处理到合适的送风状态；
空气处理系统的构建，一方面要考虑蒸发冷却的具
体形式以更好地对空气进行热湿处理，另一方面应
使系统能随着空调房间热湿负荷的随时变化作出
相应调节，以保证送风状态．
1．1 溶液除湿与再生系统
溶液除湿与再生系统如图 1所示，再生器、太
阳能或者其他低品位加热源、浓储液槽、泵和相关
管路组成了溶液再生系统；除湿器、稀储液槽及相
关的管路组成了溶液除湿系统、再生时，稀溶液经
温度较低的热源(65～80℃)加热后，进入填料式
再生器与环境中的空气进行热质交换，溶液浓度不
断增加，直到达到设定要求的浓度，然后将此浓溶
液储存起来．除湿时，浓溶液进入除湿器，与被处理
空气发生热质交换，空气被干燥，溶液浓度降低，稀
溶液进入稀储液槽准备再生．为了消除在溶液除湿
过程中伴随着的温度变化对传质过程的不良影响，
选用内冷型除湿器，用冷却水带走除湿过程中放出
的汽化潜热，这样可以大大减小除湿过程的温升，
使除湿溶液保持较低的表面水蒸气压力，从而获得
更好的除湿效果，使除湿过程近似为等温过程．
图1 溶液除湿与再生系统
1．2 LDCS空气处理系统
LDCS的空气处理是通过蒸发冷却来实现的．
蒸发冷却是利用水与空气之间的热湿交换来实现，
按空气与水是否接触可分为直接蒸发冷却和间接
蒸发冷却，是一种节能、环保、可持续发展的制冷技
术．研究表明，通过适 当的选择和组合 DEC与
IEC，空调系统的能耗会大大降低"吲．考虑到DEC
和IEC的特点，在 LDCS系统中选用了IEC—DEC
两级蒸发冷却相组合的方式，LDCS空气处理系统
图如图2所示，空气处理过程焓湿图如图3所示．
新风 w与回风 JV混合至 C状态，然后进人内冷型
除湿器，经过等温除湿至状态点 D，经间接蒸发冷
却到 E状态，然后空气分成 2部分，一部分经直接
蒸发冷却处理到接近饱和的 L状态，与旁通的另
一 部分空气混合至送风状态点 D，根据空调房间具
体的热湿负荷的要求，通过调节旁通 比来调节 D
点的位置．因此，空气处理过程如图3(a)所示．
这样构建的LDCS系统有 3个优势：
1一内冷型除湿器；2一间接蒸发冷却器；3一直接蒸发冷却器
图2 LDCS空气处理系统示意图
① IEC所选用的二次空气为室内排风，充分
利用了室内空气湿球温度较低的特点，实现了对室
内排风的全热回收，比传统空调系统中的显热回收
更有效；
② 与仅使用 DEC的方案相比，IEC—DEC两级
蒸发冷却处理所得的空气温度更低、含湿量更小，
因而可减小送风量，减小设备初投资和运行费用；
③ 通过改变旁通比可以灵活调节以适应空调
房间热湿负荷的不断变化，这种调节方法能够为
LDCS提供相当高的温湿精度，其精度取决于除湿
维普资讯
782 东南大学学报(自然科学版) 第36卷
> c 。 E DBC 。 Ⅳ
含湿量 d
(b)在焓湿图的表示
图3 LDCS空气处理过程及其在焓湿图的表示
过程的稳定性、DEC冷却加湿的稳定性和旁通 比
控制的准确性．
2 LDCS系统的性能
2．1 LDCS系统能源利用特性
LDCS主要利用的是太阳能、工业废气余热及
其他低品位能，通过溶液再生过程来实现．因此，溶
液再生过程是 LDCS合理有效利用能源的关键．
1)能源利用有效性的评价
溶液再生能耗 Q 是 LDCS系统的主要能耗，
主要包括溶液浓缩时的汽化潜热、环境空气温升耗
热和溶液温升耗热，可用下式表示：
r ut
ah= ，．-I-I ．aif aifd丁+
r g I c 。l( ，T)M 。ldT (1)
式中， 为再生量，即在单位时间内蓄能系统中空
气带走溶液中水分的质量；，．为水的气化相变潜
热，可取值为2．5 MJ／kg； 为溶液质量浓度；To为
环境温度； 。 为再生热源温度； aif，M 。。分别表示
环境中空气与溶液的质量流量；c ， 。。分别表
示空气与溶液的定压比热．其中稀溶液不断浓缩时
的汽化潜热称为有效能耗，记为Q ，a =Wr，．，而其
余部分称为辅助能耗．定义溶液再生效率为
ar ，1、
叼r ‘z)
再生效率叼 的高低直接反映了在LDCS系统中太
阳能、工业废气余热及其他低品位能有效利用的程
度，因而也可称为能源利用效率．
2)LDCS溶液再生性能的实验研究
实验以 LiC1水溶液为除湿剂，在不同的热源
温度下研究溶液再生的有效能耗和总能耗，实验工
况设定如下：热源温度在60～75℃之间连续可调
以模拟如太阳能之类的低品位热源，环境空气设定
在干球温度 24．5℃，含湿量设定在 l2．3 g／ ，溶
液质量分数在 30％ ～40％ 之间变化．图4显示了
不同的热源温度下再生过程的有效能耗和对应的
总能耗的实验数据．
热源温度／℃
图4 在不同热源温度下的能耗
从图4可以看出，随着热源温度的增加，溶液
的有效能耗也随着增加，这是因为热源温度越高，
溶液与湿空气传质的驱动力水蒸气压力差越大，单
位时间传质量越大，并且再生终了时溶液的浓度更
大，因而有效能耗增大．随着热源温度的增加，有效
能耗增加更显著，而加热功率增加比较平缓，因而
系统的能源利用效率增加，当然热源温度由于受到
溶液可能结晶而不能无限制增加．
可见，热源温度是影响 LDCS系统再生效率即
能源利用效率的一个极其重要的因素．在热源温度
较低时，能源利用效率约为0．5左右，当温度升高
到70℃以上时，系统的能源利用效率为0．8左右．
2．2 LDCS系统蓄能特性
LDCS蓄能是通过储存大量的高浓度溶液然
后进入蒸发系统进行释能，对于单位体积除湿溶液
蓄能量的大小与系统的运行工况有着紧密的联系．
一 定体积的除湿溶液储存的能量与其浓度、被处理
空气的含湿量等有关．理想状态下，除湿溶液释能
后其表面蒸汽压等于被处理空气的水蒸气分压力
(溶液温度为常温)，即
P
， w
= ，( z)=P撕，w (3)
式中，P撕
．
为被处理空气的水蒸气分压力；P 。。． 为
溶液表面水蒸气压； ：为除湿终了时的溶液质量浓
度；曰为大气压； 为空气的含湿量．由式(3)求解
可得到释能后除湿溶液的最终质量浓度为
z=厂 ( ) (4)
那么此时单位体积除湿溶液的蓄能量为
E=P。。lf 一1 l，． (5)
维普资讯
第5期 蒋毅，等：溶液除湿蒸发冷却系统构建及其性能 783
式中，P 。。为溶液密度； 。为除湿溶液初始质量浓
度．
图5是在不同溶液质量分数和不同被处理空
气含湿量工况下单位体积除湿溶液的蓄能量示意
图，溶液工作温度为28℃，蓄能量为理想热力过程
的计算值．从图5中可以看出，1 rn。的LiC1除湿溶
液的蓄能量随着溶液质量分数的增大而增大，随着
被处理空气的含湿量的增大而增大，这是由于被处
理空气的含湿量越大，除湿溶液释能后的浓度越
小，释放的能量就越大，并且每1 rn。蓄能量在 1 000
MJ以上，而水蓄能每 1 rn。一般小于 100 MJ，每 1
rn。冰蓄冷蓄冷量也在400 MJ左右，可见这种相变
潜能蓄能的潜力很大．
8
空气含湿量／(g·kg )
图5 蓄能量与被处理空气含湿量和溶液质量分数的关系
2．3 LDCS系统总体性能评价
LDCS系统的制冷量 Q 包含 2部分，即溶液
除湿过程中的制冷量 Q。 和 IEC过程中的制冷量
Q。 ，其中Q。 是主要部分，即
Q。E=G (ic— 。) (6)
QIEc=G (i。一fE) (7)
Qc=QDE+QIEc (8)
式中，G 为系统送风量．
LDCS系统总能耗包含2个部分，一部分是溶
液再生的能耗 Q ，另一部分是辅助电能，包括溶液
泵及其风机等的耗能，一般不超过 10％Q ．
所以，LDCS的能效比 (不考虑电耗)为
， 一 —
Q
—c rq、
一
Qh
2．4 LDCS实例计算和分析
以南京的天气为例来定量探讨 LDCS这种新
型空调系统的可行性和实用性及其系统能效比，假
设空调系统热负荷为 5．68 kW，湿负荷为 1 g／S，室
外按南京的夏季空气调节参数确定，即干球温度
35．0 oC
、湿球温度28．3℃，室内设计参数按舒适性
空调的标准确定，取为干球温度 25℃，相对湿度
60％，按新风比30％ 计算．
2．4．1 关键参数及其确定
1)溶液质量分数 除湿溶液 LiC1的初始质
量分数 =40％，内冷型除湿器冷源温度为 28
oC
，则按理想的热力过程 (即对逆流式除湿器而
言，在除湿器进口处和出口处空气中的水蒸气分压
力分别与溶液表面的水蒸气压力相等)可得出除
湿器理想出口质量分数
．
=18．7％，考虑到溶液
除湿时应与空气保持较高的传质推动力，因而计算
时取除湿器出VI质量分数 =30％．
2)除湿效率叼。 其定义式为
= — t ) 叼DE —— lu
“in 。 ¨ th
． out
式中，di 为进口空气含湿量；d。 为实际出口空气
含湿量；d 为按理想热力过程计算的出VI空气
含湿量．参照文献[9]，除湿效率取 叼。 =80％．
3)直接蒸发冷却效率叼。
= (11)
式中，ti 为 DEC空气的进VI温度；t。 为DEC空气
的出口温度；t 为DEC空气的湿球温度，DEC过程
中近似不变，取 叼。 =0．85，大量的实验研究表
明，DEC完全可以达到这一效率．
4)溶液流量 依据质量守恒有下式成立：
，
i 1 =
，0ul 2 1 r⋯
。1．i +G Ad =M 。1
．。 t
J
式中， 。I．in为溶液进VI质量流量； 。I．。 为溶液出
口质量流量；Ad为单位质量空气的除湿量，
2．4．2 主要计算结果
1)送风状态参数 干球温度为 16．8℃，焓值
为40．6 kJ／kg，送风温差为 8．2℃，送风量为 1 346
kg／h，可达到的最低送风温度为15．9 oC．
2)溶液流量 按式(12)计算得出溶液进口
质量流量 M 。l_j =34．25 kg／h，溶液出VI质量流量
M 。1
． 。 =45．66 kg／h．
3)蓄能密度
1．2×10 ×( 一1)×2 500=1 GJ／m3
4)系统耗热量 Q 及其能源利用效率 叼 系
统总热耗 Q =10．33 kW，其中有效能耗 a =8．99
kW，辅助能耗为 1．34 kW．系统能源利用效率为
= -o-87 叼r ：U·
5)系统总体性能 系统总的制冷量 a =
9．73 kW，其中，aDE=8．12 kW，aIEc=1．61 kW．
系统再生能耗 a =10．33 kW，所以有
维普资讯
784 东南大学学报(自然科学版) 第 36卷
3 结 论
=
Oc
= 10 33-0．94 Q
h ．
⋯ 。
1)节能是 LDCS系统的显著优势之一，该系
统可有效利用太阳能、工业废气余热、燃气发动机
余热等低品位热源，能源利用效率高，在热源温度
为70℃时，效率可达 0．8．与机械压缩式系统相
比，没有压缩机，因而电耗量大大降低．
2)LDCS具有优异的蓄能特性，蓄能密度一
般在1 000 MJ／m ，远高于常规的蓄能模式，蓄能设
备简单，不需要如显热蓄能模式和冰蓄冷模式的保
温措施，可长期储存．另外，在晚间空调热负荷相对
较小的时候，也可针对峰谷电价政策利用廉价的夜
间电能进行蓄能，这样对平衡电网和节省用户运行
费用都很有利．
3)LDCS采用水作为制冷剂，完全不存在
CFC和 HCFC破坏大气臭氧层和温室效应等问
题，电能消耗少，因而还可以减少 CO 的排放，完
全符合可持续发展的要求；另外，溶液在除湿的同
时，还可有效杀灭90％以上的细菌，DEC也可以对
空气进行净化处理，这些均有助于提高空气品质．
4)通过实例计算可以得出，LDCS完全能够
达到空气调节的要求，系统总体性能好．在设定工
况下，能 源 利 用 效 率 为 0．87，蓄 能 密 度 为
1 000 MJ／m ，系统热力系数为0．94．
参考文献 (References)
[1]Kessling W，Laevemann E，Peltzer M．Energy storage
in open cycle liquid desiccant cooling systems[J]．Int J
gefng，1998，21(2)：150—156．
[2]Kessling W ，Laevemann E，Kapfhammer C．Energy
storage for desiccant cooling systems component devel—
opment[J]．Solar Energy，1998，64(4)：209—221．
[3]殷勇高，张小松，李应林，等．蓄能型太阳能溶液除湿
蒸发冷却空调系统的研究[J]．东南大学学报 ：自然科
学版，2005，35(1)：73—76．
Yin Yonggao，Zhang Xiaosong，Li Yinglin，et a1．In—
vestigation of solar powered liquor desiccant evaporative
cooling air conditioning system with energy storage
[J]．Journal of Southeast University：Natural Science
Edition，2005，35(1)：73—76．(in Chinese)
[4]Scalabrin G，Scaitriti G．A liquid sorption—desorption
system for air conditioning with heat at lower tempera—
ture[J]．Journal ofSolar Energy Engineering，1990，
112(2)：7O一75．
[5]Wilkinson W H_Evaporative cooling trade—offs in liquid
desiccant[J]．ASHRAE Transactions，1991，97(1)：
642—649．
[6]李震，江亿，陈晓阳，等．溶液除湿空调及热湿独立处
理空调系统 [J]．暖通空调 ，2003，33(6)：26—33．
Li Zhen，Jiang Yi，Chen Xiaoyang，et a1．Liquid desic—
cant air conditioning and independent humidity control
air conditioning systems[J]．HV&4C，2003，33(6)：
26—33．(in Chinese)
[7]Brown W K．Application of evaporative cooling to large
HVAC systems[J]．ASHRAE Transactions，1996，102
(1)：895—907．
[8]A1一Juwayhel F I，A1一Haddad A A，Shaban H I，et a1．
Experimental investigation of the performance of two—
stage evaporative cooler[J]．Heat Transfer Eng，1997，
18(2)：2l一33．
[9] Nelson D Y Goswami．Study of an aqueous lithium
chloride desiccant system ：air dehumidification and des—
iccant regeneration[J]．Solar Energy，2002，72(4)：
35】一36】．
维普资讯
