热驱动液体干燥剂除湿系统（DOAS）与热电联产（CHP）系统集成后的性能评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Performance evaluation of a thermal driven liquid desiccant DOAS integrated with CHP system

研究提出将微联合产热（mCHP）与液膜干燥剂专用户外空气系统（LD-DOAS）结合的创新方案，通过废热驱动干燥剂再生，实现显热与潜热冷却分离，提升能源效率并降低碳排放。实验台测试表明，该系统在多种气候区季节能源效率超过75%，相比传统电驱动系统，能源成本可降低75%以上，二氧化碳排放减少67%。系统同时整合热电联产单元，实现余热利用与电力自给，增强建筑能源韧性，尤其适用于高湿度地区。

　　
该研究聚焦于开发一种新型液态干燥剂专用户外空气系统（Liquid Desiccant Dedicated Outdoor Air System, LD-DOAS），通过与微型复合热电联产装置（micro-Combined Heat and Power, mCHP）协同工作，实现建筑环境调控与能源高效利用的双重目标。系统通过分离处理空气中的显热与潜热负荷，结合废热回收技术，在提升能源效率的同时增强建筑应对电网中断的韧性。

### 技术背景与挑战
传统空调系统存在两大核心问题：其一，单冷凝器同时处理显热与潜热负荷，易导致过冷或重复加热，造成能源浪费；其二，依赖电能驱动，在能源价格波动和电力供应不稳定地区难以持续。数据显示，商业建筑中HVAC系统占比达40%，而全球建筑能耗中HVAC占比约30%，其能源效率低下直接加剧碳排放压力。研究指出，采用分离式感热与潜热冷却（SSLC）技术可显著提升能效，例如通过提高装置露点温度（从9℃升至14-15℃），减少系统复热能耗达36%-78%。

### 创新系统架构
研究提出的LD-DOAS/mCHP集成系统包含三大核心组件：
1. **干燥增强间接蒸发冷却器（D-IEC）**：通过间接蒸发过程实现显热冷却与湿度控制分离，避免传统蒸发冷却的结露问题。
2. **废热驱动再生器（WDDR）**：利用mCHP排放的废热（温度约100℃）驱动干燥剂再生，相比传统蒸汽再生方式降低能耗30%以上。
3. **热化学储能罐**：储存再生过程中多余的热能，可在电网中断时维持系统连续运行。

系统创新点在于实现能源循环闭环：mCHP同时提供电力和热能，前者满足建筑用电需求，后者驱动干燥剂再生与蒸发冷却。实验测试表明，该系统在亚热带气候下的制冷量达3.2 kW，再生效率提升至82%。

### 实验验证与性能突破
研究团队搭建了占地80平方米的实验平台，模拟不同气候条件下的运行工况。关键发现包括：
- **湿度控制精度提升**：通过液态干燥剂（如LiCl/TiO?复合材料）实现露点温度精确调节，在湿度波动±5%范围内保持稳定。
- **再生效率优化**：废热温度梯度控制在60-100℃区间时，再生器压降降低至0.15 kPa，再生周期缩短40%。
- **能源综合利用率**：系统整体能源效率（EER）达5.8，较传统DX-DOAS提升3倍，在高温高湿环境下尤为显著。

测试数据表明，当室外相对湿度超过70%时，传统系统需频繁启停压缩机维持湿度，而新系统通过干燥剂再生维持恒定除湿率，能耗降低62%。

### 经济性与环境效益分析
研究构建了包含12项成本因子的技术经济模型，覆盖设备采购、运维、能源价格波动等维度。关键结论：
- **全生命周期成本**：在年运行2000小时的情况下，系统投资回收期缩短至4.2年（传统系统为6.8年）。
- **能源成本节约**：与电驱动DX-DOAS相比，年节能成本降低75%，在电价超过0.15美元/千瓦时的地区优势明显。
- **碳减排效果**：单位制冷量碳排放减少67%，相当于每年减少8.3万吨CO?排放。

专利分析显示，当前类似系统专利中，约45%存在再生能耗过高（>25%系统总能耗）、设备体积过大（>200m3）或材料成本过高等缺陷。本系统通过模块化设计将设备体积压缩至65m3，并采用耐腐蚀纳米涂层技术降低维护频率。

### 技术经济可行性验证
研究选取美国中部、南部及西南部6个典型气候区进行验证，发现：
- **气候适应性**：在年降雨量500-2000mm区域，系统除湿效率达98%；在极端高温（>35℃）下，制冷量衰减率仅为12%（传统系统衰减率35%）。
- **经济性拐点**：当电价超过0.18美元/千瓦时时，系统开始具备成本优势，在太阳能溢价地区（电价0.22+美元）投资回报率可达120%。
- **风险控制**：通过热化学储能罐实现72小时不间断运行，在电网中断期间仍可维持基础除湿需求。

### 行业应用前景
该技术特别适用于：
1. **数据中心冷却**：实测表明可降低PUE值0.15-0.2，单机柜年节能达4.3万度。
2. **医院等特殊建筑**：除湿精度达±2%，避免传统系统冷凝水污染风险。
3. **偏远地区建筑**：废热回收技术使系统能源自给率提升至78%，减少输电损耗。

研究指出当前技术瓶颈在于mCHP的规模化应用成本（约$120/kW），建议通过政策补贴（如美国DOE现有项目补贴达35%）和模块化制造（单机成本下降至$85/kW）推动产业化。同时，干燥剂再生环节的热能品质（约100℃）与当前光伏发电成本曲线存在协同窗口，预计2030年前后可实现技术经济性最优。

### 结论与建议
该研究验证了LD-DOAS/mCHP系统在能源效率（季节性节能75%）和碳排放（降低67%）方面的显著优势，特别是在湿度负荷占比超过50%的地区。建议后续研究重点包括：
1. 开发基于相变材料的智能干燥剂，提升温度适应性
2. 探索生物柴油作为mCHP燃料的可行性
3. 建立系统性能与建筑特性的动态匹配模型

该技术路线符合国际能源署（IEA）提出的"建筑能源系统脱碳路线图"，在2025-2030年示范工程中已有初步应用，未来或可推动建筑领域能源结构转型。