分布式能源系统的高级技术、优化方法与策略：一项前沿的系统性综述 Ramia Ouederni, Mukovhe Ratshitanga, Innocent Ewean Davidson, Keorapetse Kgaswane, Prathaban Moodley

《Energies》：Advanced Technologies, Optimization Methodologies and Strategies for Distributed Energy Systems: A State-of-the-Art Systematic Review Ramia Ouederni, Mukovhe Ratshitanga, Innocent Ewean Davidson, Keorapetse Kgaswane and Prathaban Moodley

　　摘要：室内游泳池需要通风以及精确的温度和湿度控制，这导致了较高的能源消耗。本研究调查了使用液体干燥剂技术来减少英国一家休闲中心内两个室内游泳池的加热和除湿能耗。通过动态建模和技术经济分析，本研究量化了游泳池中的热量损失，模拟了液体干燥剂技术的性能，评估了利用废热再生干燥剂溶液的经济效益和成本影响，并评估了在整个英国范围内采用该技术的可行性。结果表明，蒸发损失是两个游泳池的主要热量损失机制，而所提出的液体干燥剂系统能够有效维持最佳的温度和湿度条件。此外，在干燥剂再生后，池水可以作为热沉，从而减少池水加热的能源需求。当使用冷却塔时，能源消耗可以减少68.9–76.7%；当使用池水进行热排放时，能源消耗可以减少77.5–88.1%，其中最具成本效益的配置的内部回报率可超过15%。如果再生热能从外部获取，每兆瓦时的成本最高可达34.7英镑，同时确保了该过程的成本效益。这些发现表明，在有低温热能可供再生的情况下，液体干燥剂系统可以减少室内游泳池的加热和除湿能耗。未来的研究应侧重于实验验证、解决与氯气之间的相互作用、长期系统性能以及实际应用中的挑战，以确保其商业化部署。

1. 引言
室内游泳池（ISPs）是能源消耗最高的建筑设施之一[1]，主要能源需求用于加热（主要是由于空间和池水加热）和电力（主要是由于通风、池水循环和照明）。图1显示了寒冷气候下ISPs的平均加热和电力消耗情况，以及能源使用的细分[2]。
图1. (a) 寒冷气候下ISPs的平均加热和电力消耗；(b) 根据[2]报告的数据重新绘制的能源使用细分。

有效的通风和精确的温度及湿度控制对于确保ISPs内人员的健康和安全至关重要。通风可以去除水蒸发产生的湿气，并防止有害化合物（如三氯胺（NCl3）的积聚[3]。为了保持空气质量，ISPs需要每小时较高的空气交换次数（ACH），这符合英国和国际标准[4,5,6,7]。ISPs中的水和空气必须保持在特定范围内，以控制蒸发速率，这一课题自20世纪初以来就一直受到研究[8]。多项研究，包括Shah关于无人[9,10]和有人[11,12,13]游泳池的工作，基于游泳池条件开发了蒸发速率的相关性，发现蒸发速率随着每平方米占用人数的增加而增加[12]。近年来，人们研究了限制ISPs中水分蒸发的策略[14]。
空气温度应比池水温度高1–2°C（通常约为28°C）[15]，相对湿度（RH）应在50%到60%之间[16]，尽管在ISPs中记录到40–80%的波动[17]。维持ISPs内的最佳RH可以：(i) 减少池水蒸发（对于RH低于50%的情况尤为重要），(ii) 提高人员的舒适度和室内空气质量（IAQ），(iii) 防止冷凝和霉菌形成，(iv) 限制建筑物的劣化和结构损坏。高ACH、精确的温度和湿度控制以及由于热量损失而进行的池水加热是ISPs高能源需求的主要原因。传统的ISPs供暖、通风和空调（HVAC）系统通常使用新鲜空气与循环空气通过焓回收热交换器混合[18]，导致效率较低。当使用冷水机组进行除湿时，这些系统会将空气冷却至露点以下以凝结水分，然后再将其重新加热到目标温度，从而导致能源效率低下。因此，向ISPs供气的空气处理单元（AHUs）是ISPs的主要能源消耗者[19]，因此减少其能源消耗至关重要。

液体干燥剂系统通过使用吸湿性溶液直接去除湿气负荷，提供了一种比传统HVAC系统更节能的替代方案，从而降低了温度和湿度控制的能源消耗[20,21]。干燥剂溶液（如氯化锂（LiCl）、溴化锂（LiBr）、氯化钙（CaCl2）和甲酸钾（HCO2K）的水溶液）用于通过吸收空气中的水蒸气来控制室内湿度。随着干燥剂溶液吸收湿气，它会变得稀释，必须使用低温进行再生，这是该技术最大的能源输入[22]。这种再生热（约45–60°C）可以从工业过程、热电联产（CHP）单元、数据中心、区域能源网络、多余的电能或可再生能源中获得[23]。特别是，从工业过程或数据中心回收废热支持了循环经济原则，重新利用了原本会被浪费的热能[24,25]。液体干燥剂溶液还可以提供热化学能量存储，因为它们的除湿潜力以浓缩溶液的形式储存。这使得再生和除湿可以分开进行，干燥剂溶液可以通过管道或卡车运输[26]。更广泛地说，这种储存除湿潜力的能力将液体干燥剂系统与建筑物中的灵活热需求概念联系起来。Li等人[27]表明，当热需求可以在时间上进行调整时，空调负荷可以提供需求侧的灵活性和更广泛的能源系统效益。在液体干燥剂系统中，通过以浓缩溶液的形式储存除湿潜力并在潜热负荷出现时使用它来实现类似的效果。此外，干燥剂溶液的抑菌和抗病毒特性有助于减少病原体的传播，从而提高ISPs的IAQ[28]。

尽管在ISPs中维持最佳的温度和湿度至关重要，但液体干燥剂技术在这方面的研究还很少，缺乏全面的技术经济评估。一项研究在ISPs中测试了一种含有58%重量百分比LiBr/H2O的化学热泵，用于除湿循环空气，与传统通风相比实现了显著的能源节省[29]。美国的另一个ISPs安装了液体干燥剂系统，与池水加热器协同工作，以减少加热和空调能耗[30]。该系统通过向窗户附近供应干燥空气消除了窗户冷凝现象。使用现有的燃气联合发电系统的热量来再生干燥剂溶液，并有效维持了ISPs的条件。然而，也发现了一些操作挑战，例如干燥剂中可能由于氯化气体蒸发而形成的沉淀物。

尽管这些研究具有相关性，但它们主要集中在系统实施上，缺乏将蒸发损失与液体干燥剂系统设计、利用废热的创新方法以及这一过程的经济影响联系起来的分析。除了ISPs之外，液体干燥剂技术还可以提高住宅/商业建筑（高占用率建筑、医院和手术室、货物储存和保存等）和工业设施（电子、制药、化工、食品和饮料、造纸和印刷、纺织等）中的湿度控制和能源效率[31]。因此，本研究中的方法可以应用于其他具有较大潜热负荷的建筑。

本研究首次对英国ISPs中的液体干燥剂技术进行了技术经济评估，直接解决了对可持续和低能耗HVAC解决方案的需求。本研究的新颖之处包括：(1) 基于收集的温度和湿度数据进行的动态性能建模，能够详细评估热量损失和液体干燥剂系统的可行性；(2) 对ISPs中低温废热与液体干燥剂再生的整合进行了研究，并引入了池水作为替代再生热沉；(3) 超出了具体案例研究的范围，展示了在全年都需要加热和除湿的英国不同气候区实施液体干燥剂技术的可行性。

这些发现有助于推进ISPs及其他领域的可持续HVAC解决方案的发展，为节能的温度和湿度控制系统提供了可行的见解，并为数据中心和工业设施等废热供应商通过创新应用和循环经济原则实现其低温热能货币化提供了新的机会。

本文的结构如下：第2节概述了本研究的方法论框架以及Freemans’ Quay Leisure Centre当前ISPs的状态，包括收集的天然气消耗和温度及湿度数据。第3节展示了所开发案例研究的结果，包括热量损失的估算、液体干燥剂技术执行的温度和湿度控制模拟以及成本效益分析，包括电力、天然气和废热价格以及英国地理位置的影响。第4节讨论了研究结果，第5节总结了本研究。

2. 方法
本研究使用了一种方法论框架来研究ISPs中液体干燥剂技术在温度和湿度控制中的应用，并在MATLAB 2023中开发了模拟，如图2所示。本研究采用了以下步骤：
(1) 从测量数据、运营记录和工程图纸中获取主要ISPs和学习型ISPs的数据，如天然气消耗、池水温度和尺寸。
(2) 收集室外和室内空气条件（温度和RH），以评估ISPs的状态和传统HVAC系统的运行情况。还评估了ISPs的占用水平，以估算水蒸发率和热量损失[32]，使用了Shah关于无人[10]和有人[13]游泳池的模型。ISPs中的热量损失来自对流、传导（通过池面到地面）、蒸发（在水面）、辐射（在水面和天花板之间）以及补水[33]。由于热量损失导致的池水温度变化TP（°C）可以使用公式（1）计算：
????2???????????2??????????????????????=??????????????????????????????????
(1)
其中Qcn、Qcv、Qe、Qr和Qrf分别是由于传导、对流、蒸发、辐射和补水产生的热量损失（W），ρH2O和cp H2O分别是水的密度（kg/m3）和比热容（J/kg?K），VP是池体积（m3）。当水-空气界面的蒸汽压力低于水的饱和蒸汽压力时会发生水蒸发，蒸发热量损失Qe可以使用公式（2）计算：
????=????????·??????·??
(2)
其中hfg是蒸发潜热（J/kg），AP是池表面积（m2），E是水蒸发率（kg/(m2·h)），这会随着占用人数和活动而变化[32]。对于无人游泳池，蒸发率EUnoccupied（kg/m2?h）可以使用公式（3）计算[10]：
???????????????????????????????=????·(???????????????)
(3)
其中ρsat和ρa分别是水表面和周围空气的密度（kg/m3），b是一个常数，等于0.00005（对于SI单位）。公式（3）用于计算无人游泳池的蒸发率。对于有人游泳池，由于泳池内人员数量和其他物理现象（如水面的波浪、湿地板、人员的湿身体以及他们活动引起的喷雾）的影响，使用了修改后的公式[13]。这些因素在估计有人游泳池的蒸发率EOccupied（kg/m2?h）时被考虑在内，可以使用Shah的方法[13]计算，如公式（4）：
?????????????????????????=???????????????????????????????·[1.9?2.1·(???????????????)+5.3·??*]
(4)
其中N*是每平方米的占用人数（occupants/m2）。当N*低于0.05时，在EOccupied/EUnoccupied的值之间进行线性插值（当N*在0.05和1之间时，E/EOccupied的值为0[13]），而当N*高于0.05时使用公式（4）。室内游泳池的剩余热量损失（Qcv、Qcn、Qr和Qrf）可以使用方程（5）-（8）来计算：
???????= ????????· ????·(?????????) （5）
???????=12????? ????· ????· ????·(?????????) （6）
????= ????·????2???·????·[(????+273.15)4?(??????????+273.15)4] （7）
???????=???? ??2???· ???????·(????????????) （8）

其中，Hcv是对流热传递系数（W/m2?K），TP和Ta分别是池水和周围空气的温度（°C），Lc是用于传导热损失的池长（m），Qs是一个无量纲的传导热率，使用[34]中定义的形状因子进行估算，ks是地面的热导率，假设为0.52 W/m?K [34]，Ts是地面温度（假设为9 °C），εH2O是水的发射率，假设为0.9 [35]，σs是斯特藩-玻尔兹曼常数（5.67 × 10?11 kW/m2?K?），Tsur是周围上表面的温度（°C），根据[16]进行估算。Trf和mrf分别代表补充新鲜水的温度（°C）和质量流量（kg/s）。根据先前的研究[35,36]，mrf可以按池水总量的百分比计算，假设每天有5%的池水以15 °C的温度进行补充[36]。对流热传递系数Hcv（W/(m2?K)）用于方程（5）中计算Qcv，使用方程（9）得出：
???????= ??·????????? （9）

其中，Nu是努塞尔特数，k是空气的热导率，假设为0.0262 W/m?K [33]。

为主学习和辅助学习场所计算的蒸发率用于估算液体干燥剂系统的所需容量。为了预测除湿性能，应用了干燥剂溶液和空气的能量和质量平衡方程（10）-（12）[37]：
?????????? ????????·????????? ????????=?????????? ?????·????????? ?????+???? ??????(??? ????????? ????????) （10）
?????????? ???????????????? ?????=?????????? ??????????????????? ???????? （11）
?????????? ????????=?????????? ?????+???? ??????(???? ?????????? ????????) （12）

其中，msol in和msol out分别代表干燥剂溶液在除湿器入口和出口的质量流量（kg/s），xsol in和xsol out分别代表干燥剂溶液中盐的质量（kgsalt/kgsol），hsol in和hsol out分别代表干燥剂溶液与空气达到平衡时的焓（kJ/kg），ma代表干空气的质量流量（kg/s），ωa in和ωa out分别代表空气的湿度比（kgH2O/kgdry air），ha in和ha out分别代表空气的焓（kJ/kg）。类似的方程用于评估液体干燥剂再生过程的性能。使用基于已发表的除湿和再生过程的实验数据，通过理论-经验方法开发了湿度（εω）和焓效率（εh）的相关性[38]。报告的平均绝对相对偏差（MARD）分别为除湿过程的εω和εh为7.2%和6.4%，再生过程的εω和εh为6.3%和4.4%。此外，这些相关性通过独立实验数据集进行了验证，显示准确度在±10%以内[39]。本研究考虑的操作条件在这些相关性的验证应用范围内。LiCl水溶液的热力学性质来自Conde [40]。

（4）为了评估液体干燥剂技术在ISP中用于温度和湿度控制的经济可行性，计算了投资回收期、净现值（NPV）和内部收益率（IRR），如方程（13）-（15）所示：
???????????????????? ?????????????????=?????????????????????????????????????????????????????????????????????? （13）
????????=??∑??=1(??????????????????????,?????????????????????????,????????????????????????????)(1+??)?? （14）
????????=??∑??=1(??????????????????????,?????????????????????????,????????????????????????????)(1+??)??=0???=???????? （15）

其中，CAPEXrepl (￡)、OPEXrepl (￡/y)和OPEXconv (￡/y)分别代表替代技术和传统技术的资本成本和运营成本，n是技术的寿命（假设为20年[41]），i是折现率（假设为5%[42]）。使用[37]中使用的成本函数评估了液体干燥剂系统及其相关组件的CAPEX和OPEX。收集了2022-2024年期间英国大型实体（如Durham County Council (DCC)）的天然气和电价[43]，并评估了它们对成本效益的影响。假设电力和天然气的排放因子分别为0.19338和0.18 kgCO2e/kWh [44]，同时分析中还包括了52.56英镑/吨CO2的碳价[45]。

（5）经济分析最初假设干燥剂再生的热量将免费提供给ISP，如[46]所报告的，以代表最佳经济情景。随后进行了额外分析，以估算ISP所有者能够负担的外部再生热价格，同时保持过程的成本效益。分析通过对英国六个选定城市的成本效益进行调查来结束。

分析中使用的主要假设总结如下：休闲中心的ISP占用率是根据运营记录估算的。由于调查的休闲中心只有每周数据，因此全年重复相同的每周模式，没有明确考虑季节性变化。液体干燥剂系统使用循环池空气和室外空气的混合物进行建模，保持与传统操作相同的空气交换率（ACH）。假设系统连续运行，根据休闲中心的开放时间应用占用或未占用的蒸发率。

**Freemans’ Quay休闲中心的当前状况**
图3显示了2018年至2021年Freemans’ Quay休闲中心的天然气消耗数据。该设施包括两个ISP（一个奥林匹克/主要ISP和一个辅助学习ISP）、一个体育馆、一个舞蹈工作室、一个健身房和更衣室。其天然气消耗量很大，在冬季高峰期每天超过10 MWh。图3显示了2018-2021年Freemans’ Quay休闲中心的日天然气消耗量。图4展示了Freemans’ Quay休闲中心底层的布局，显示了ISP的尺寸以及用于数据收集的温度和湿度传感器（Tinytag TV-4500 [47]）的位置。服务于ISP的通风系统由两个AHU提供，包括送风和排风风扇、混合循环空气和室外空气的混合箱、加热盘管和过滤器。图4显示了Freemans’ Quay休闲中心底层的布局，包括调查的ISP、它们的尺寸和运行条件以及数据收集传感器的位置（红点）。图5显示了2023年6月26日至9月10日期间主要ISP和辅助学习ISP的室内空气温度、相对湿度（RH）和湿度比（ω），以及每个ISP的目标条件（即主要ISP为29.5 ± 1 °C和辅助学习ISP为31 ± 1 °C，RH均为55 ± 5%）。图5显示了（a）主要ISP和（b）辅助学习ISP的室内空气温度（°C）、RH（%）和湿度比（gH2O/kgdry air），以及它们在湿球图上的表示。对于主要ISP，空气温度在23.8 °C到31.3 °C之间波动，RH范围在39.2%到83.2%之间。夜间，空气温度降至24–26 °C，导致RH在7.8%的监测时间内超过70%。RH的增加引发了关于微生物生长和建筑物潜在结构损坏的担忧。在数据收集期间，主要ISP的空气温度仅在47%的时间内处于最佳范围内，50.5%的时间内温度低于28.5 °C，2.5%的时间内高于30.5 °C。RH仅在40%的时间内处于理想范围内，6.5%的时间内低于50%，53.5%的时间内超过60%。在辅助学习ISP，空气温度和RH分别在25.4°C到31.4°C和36.6%到77.4%之间变化。辅助学习ISP的温度和RH变化较小，大部分时间都在最佳范围之外（即75%的时间内温度低于30 °C）。与主要ISP相比，RH也较低（即35.6%的时间内低于50%）。这些条件可能会增加池水的蒸发损失和能源消耗。

Freemans’ Quay当前的空气供应单元混合室外空气和循环空气（通常比例为2:3），并使用热交换器在将空气加热到设定温度之前回收显热和潜热。因此，系统性能受室外空气条件的影响。使用包含20年历史记录中的每小时温度和湿度的典型气象年（TMY）数据[48]来评估Freemans’ Quay休闲中心的室外空气条件，以及主要ISP的最佳温度和湿度条件。图6显示了Freemans’ Quay休闲中心的TMY和主要ISP的最佳温度和湿度条件。

**3. 结果**
3.1. 热量损失
2023年6月26日至9月10日期间Freemans’ Quay休闲中心两个未占用ISP的热量损失如图7所示。对于主要ISP，白天的温度升高和RH降低导致蒸发损失增加，峰值达到35–38 kW，总热量损失达到44.8 kW。在辅助学习ISP，蒸发损失在2.6到7.5 kW之间，总热量损失最高达到9 kW。相比之下，辅助学习ISP较低的RH导致比主要ISP更高的特定蒸发损失，辅助学习ISP的特定损失为0.03–0.087 kW/m2，主要ISP为0.019–0.081 kW/m2。图8显示了在假设空气温度为28.5 °C和RH为55%的情况下，两个ISP的热量损失分解。图7显示了2023年6月26日至9月10日期间Freemans’ Quay休闲中心未占用主要ISP和辅助学习ISP的（a）总热量损失和（b）特定热量损失。图8显示了Freemans’ Quay休闲中心主要ISP和辅助学习ISP的总热量损失分解。这些发现与先前的研究[33,49,50]一致，这些研究报告称蒸发损失占总热量的60–77%，具体取决于对ISP中热量损失和空气及水条件的假设。结合建筑物的每周占用数据和最大池占用限制（主要ISP为60，辅助学习ISP为29），估算了每个ISP的特定占用率N*（占用人数/m2），如图9所示。图9显示了Freemans’ Quay休闲中心主要ISP和辅助学习ISP的每周特定占用率。ISP的蒸发率和总热量损失根据占用率而变化。使用Freemans’ Quay休闲中心的特定占用数据，使用方程（4）估算了占用ISP的总热量损失和特定热量损失，如图10所示。图10显示了（a）监测期间主要ISP和辅助学习ISP的总热量损失和（b）特定热量损失，包括占用率。当考虑占用率时，蒸发损失对总热量损失的影响变得更加显著。在主要ISP，蒸发损失可达到77.4 kW，总热量损失峰值达到84 kW。对于辅助学习ISP，蒸发损失可达到23.4 kW，总损失达到24.5 kW。比较特定热量损失时，辅助学习ISP的较高占用密度导致比主要ISP更大的特定蒸发损失，峰值分别为0.269 kW/m2和0.163 kW/m2。估算的蒸发率在主要ISP为0.0044到0.0343 kg/s，在辅助学习ISP为0.0012到0.0104 kg/s，与其他研究报道的值一致，例如奥林匹克ISP为0.024 kg/s，中型/小型ISP为0.006–0.01 kg/s [51]。

3.2. 使用液体干燥剂技术的温度和湿度控制
图11显示了液体干燥剂系统在ISP应用中的集成示意图。如图11所示，浓缩的干燥剂溶液可以去除来自室内游泳池设施的空气中的湿气，这些设施通常具有较高的潜热负荷。除湿器以适当的湿度比向暖通空调（HVAC）单元提供干燥空气，如果需要的话，还可以进一步加热这些空气。使用干燥剂溶液去除潜热负荷可以增加空气的循环率，从而减少将室外空气加热到ISP设定温度所需的能量。当干燥剂从排出的空气中吸收湿气后，它会变得稀释，必须通过加热来释放所吸收的湿气，以恢复其原始的质量分数。再生后，需要通过冷却塔或将热量传递给池水来冷却干燥剂溶液，使其达到适合除湿的温度。还可以使用储水罐来匹配需求波动，确保供应给ISP的空气以及废热供应的温度和湿度控制稳定。图12展示了使用冷却塔或池水进行热量回收的液体干燥剂系统性能估算的流程图。图12. 使用冷却塔或池水进行热量回收的液体干燥剂系统性能估算的流程图。第3.1节中计算的蒸发率用于确定液体干燥剂系统所需的除湿能力。如果总热量损失QTot超过了液体干燥剂系统的热量回收需求QCT，则液体干燥剂系统释放的所有热量将用于抵消ISP的热量损失。如果QTot低于QCT，则部分回收的热量将用于抵消ISP的热量损失，而剩余的热量QCT Revised则通过冷却塔排出。表1列出了使用LiCl水溶液的液体干燥剂技术进行温度和湿度控制模拟时所做的假设。图13显示了经过液体干燥剂除湿后，供应给主要ISP和学习者ISP的空气的温度、相对湿度（RH）和湿度比。分析表明，液体干燥剂技术可以为Freemans’ Quay Leisure Centre的主要ISP和学习者ISP维持最佳的温度和湿度，在空气返回泳池区域之前有效地对其进行加热和除湿。对于主要ISP，供应的空气温度范围为28.6至31°C，相对湿度在54%至59%之间（即湿度比为14.6至15.3 gH2O/kg干空气，水分效率在62%至64.1%之间）；对于学习者ISP，供应的空气温度为30–32.5°C，相对湿度在52–54%之间（即湿度比为15.3至16.1 gH2O/kg干空气，水分效率在63.9%至66.8%之间）。这确保了空气的温度和湿度保持在最佳水平，可能减少了蒸发损失并提高了室内空气质量（IAQ）。图13. 使用液体干燥剂系统一年内在（a）主要ISP和（b）学习者ISP供应的空气的温度、相对湿度和湿度比的模拟结果。计算出的溶液再生和除湿所需的温度分别为主要ISP的37°C和学习者ISP的45°C。学习者ISP需要更高的温度是因为其溶液的质量分数较高（30%重量百分比，而主要ISP为28%重量百分比），并且在除湿后质量分数的变化较大，因为学习者ISP的单位质量流量的干燥剂溶液吸收了更多的水分。再生后，主要ISP的干燥剂溶液温度为34.3–34.5°C，学习者ISP的干燥剂溶液温度为42.1–42.3°C。这部分热量必须通过冷却塔等途径排出，以允许持续除湿。使用池水作为热沉可以减少或消除冷却塔的能耗，同时降低池水的加热需求。通过从ISP的空气中吸收湿气，还可以进一步回收热量，由于吸收热量的作用，这会提高稀释后的干燥剂溶液的温度。模拟结果表明，在对ISP排出的空气进行除湿后，主要ISP和学习者ISP的溶液温度分别为30.8–32.9°C和33.6–35.7°C。尽管在较低温度下回收这部分热量可以减少补偿池水热量损失所需的能量，但其总体贡献较小，因此在经济分析中未进一步考虑这一点。图14显示了在不使用池水进行再生热量回收时的热量需求和热量排放情况。结果表明，两个ISP的热量排放需求都很大，这使得在再生过程后使用池水作为热沉变得很有吸引力。采用这种方法可以将主要ISP和学习者ISP的冷却塔年能耗从378.3–464.6 MWh/y降低到270.1–279.2 MWh/y（分别减少了28.6%和39.9%）。图14. （a）主要ISP和（b）学习者ISP的液体干燥剂系统的热量需求和排放情况。3.3. 经济性和敏感性分析基于性能分析，估算了由于减少了池水和供应空气的加热而使用液体干燥剂技术所带来的潜在能源和经济效益。图15显示了当使用冷却塔进行热量回收时，主要ISP和学习者ISP的资本支出（CAPEX）。如果使用池水进行热量回收，主要ISP和学习者ISP的CAPEX分别为181,990英镑和39,700英镑。差异是由于冷却塔的CAPEX较低（与热量回收能力下降一致）以及增加了用于回收再生热量和抵消池水热量损失的换热器。图15. 主要ISP和学习者ISP的CAPEX分解。图16显示了在2022–2024年间英国平均电价和天然气价格（分别为233.6英镑/MWh和51.4英镑/MWh，电价与天然气价格为4.54）的情况下，主要ISP和学习者ISP的传统技术和液体干燥剂技术的月度运营成本。图16. 当使用（a）冷却塔或（b）池水进行热量回收时，主要ISP和学习者ISP的传统技术和液体干燥剂系统的月度运营成本（虚线表示传统技术和液体干燥剂系统运行之间的差异）。当使用冷却塔进行热量回收时，主要ISP的能耗从1807.5 MWh/y降低到562.7 MWh/y（减少了68.9%），而使用液体干燥剂技术时，学习者ISP的能耗从203.8 MWh/y降低到47.4 MWh/y（减少了76.7%）。当使用池水进行热量回收时，主要ISP的能耗（包括池水加热）从2284 MWh/y降低到514.8 MWh/y（减少了77.5%），学习者ISP的能耗从313 MWh/y降低到37.2 MWh/y（减少了88.1%）。因此，当使用冷却塔进行热量回收时，主要ISP和学习者ISP的二氧化碳排放量分别从325.3吨CO2/y减少到108.8吨CO2/y（减少了66.5%）和从36.7吨CO2/y减少到9.2吨CO2/y（减少了74.9%）。同时，当使用池水进行热量回收时，主要ISP和学习者ISP的二氧化碳排放量（包括因池水加热而产生的排放）分别从411.2吨CO2/y减少到100.1吨CO2/y（减少了75.7%）和从56.5吨CO2/y减少到7.2吨CO2/y（减少了87.3%）。在主要ISP中，与传统技术相比，月度运营成本平均降低了12.4%。然而，在夏季（6月至8月），由于空气加热需求较低，液体干燥剂系统的运营成本更高。当使用池水进行热量回收时，传统HVAC技术和液体干燥剂技术之间的运营成本差异更加明显，显示出全年都能获得能源效益，平均降低了24.7%。学习者ISP在较高温度下运行，由于干燥剂溶液同时具备加热和除湿的能力，因此经济效益更高。当使用冷却塔进行热量回收时，平均月度运营成本降低了61.7%；而当使用池水进行热量回收时，这一降低幅度增加到77.7%。表2显示了在2022–2024年期间考虑平均电价和天然气价格的情况下，液体干燥剂技术的经济分析结果。结果表明，由于其较高的运行温度和可以利用液体干燥剂技术避免的热量损失，学习者ISP的成本效益更高。表2. 考虑平均电价和天然气价格的经济分析结果。图17显示了电价和天然气价格对主要ISP和学习者ISP的回收期、净现值（NPV）和内部收益率（IRR）的影响，假设再生所需的废热无需额外成本，并且使用冷却塔或池水进行热量回收。图17. 在使用池水进行热量回收的情况下，主要ISP和学习者ISP的经济分析结果，考虑了不同的天然气（a）和电价（b）。结果表明，在两种ISP中，液体干燥剂技术的经济性能都较好。随着天然气价格的提高和电价的降低，成本效益得到提升，因为该系统主要用电力替代了天然气消耗，用于溶液泵送、湿冷却材料的空气吹送和热量回收。在学习者ISP中，电价对成本效益的影响较小。在主要ISP中，当天然气价格超过49英镑/MWh（或电价与天然气价格之比低于4.8）时，如果不用池水进行热量回收，该技术具有经济可行性（即NPV高于零）。当天然气价格超过56英镑/MWh（或电价与天然气价格之比低于4.2）时，IRR超过15%（这是投资的典型阈值[52]）。当电价低于247.6英镑/MWh时，系统仍然具有经济可行性，且IRR超过15%。当使用池水进行热量回收时，进一步提高了成本效益，因为减少了池水加热的能耗，分别只需要43.1英镑/MWh和292.6英镑/MWh的能源成本即可实现IRR超过15%。在学习者ISP中，无论在何种天然气和电价情景下，该技术都具有经济可行性。图17的结果假设再生所需的废热没有额外成本。为了确定废热的可行价格，研究了在不同天然气（CNG：￡/MWh）和电价（CEl：￡/MWh）价格情景下，使用池水和冷却塔进行热量回收时，废热定价对过程成本效益的影响，如图18所示。图18. 废热价格对主要ISP和学习者ISP经济可行性的影响，考虑了不同的天然气（a）和电价（b）。结果表明，在Freemans’ Quay Leisure Centre，从外部供应商购买废热可能是可行的，尽管其可行性受到天然气价格的显著影响。对于主要ISP，当天然气价格为65.3英镑/MWh（或电价与天然气价格之比为3.6）时，最高26.7英镑/MWh的废热价格可以产生可接受的15%的IRR，为废热供应商带来高达70,292英镑的年收入。然而，对于较低的天然气价格和较高的电价，经济可行性会降低。例如，当天然气价格为37.5英镑/兆瓦时（或电力与天然气价格的比例为6.2时），最高可行的废热价格降至3.6英镑/兆瓦时（即净现值仍为正）。对于学习型ISP来说，当天然气价格为65.3英镑/兆瓦时（或电力与天然气价格的比例为3.6时），废热价格为34.7英镑/兆瓦时，可以实现15%的内部收益率（IRR），从而每年潜在收入可达16,128英镑。同时，当天然气价格为37.5英镑/兆瓦时（或电力与天然气价格的比例为6.2时），系统在废热价格高达12.9英镑/兆瓦时仍具有经济可行性，IRR为15%，每年潜在收入可达5,996英镑。敏感性分析表明，天然气价格对成本效益的影响最大，因为它决定了液体干燥剂系统所替代的热能价值。废热价格是第二重要的因素，因为它直接影响干燥剂再生的运营成本。电价的影响相对较小，因为液体干燥剂系统用于泵、风扇和热排出的电力消耗相对于加热节能来说较少。由于其较高的特定加热需求，学习型ISP对这三个因素的敏感度较低，从而实现了更大的绝对节能效果和更宽的成本效益范围。

经济分析扩展到了研究整个英国ISP中使用该技术的潜力。表3显示了在六个选定的英国城市中，假设主要ISP和学习型ISP的条件与基线案例相似时的回收期分析结果。这些城市被选中是为了代表全国不同的气候条件，以确保对英国各地技术经济可行性的全面评估。从[48]收集了所选英国城市的TMY（全年逐小时数据），并在分析中考虑了2022-2024年期间的电力和天然气平均价格。此外，在液体干燥剂系统中考虑了使用池水和冷却塔进行热排出。表3显示了在选定的英国城市中ISP的经济分析结果。液体干燥剂技术用于加热、除湿和再生热回收在ISP中的应用在整个英国取得了令人满意的结果。较冷的城市从同时提供加热和除湿中受益更多，这使得液体干燥剂相比传统的通风和加热过程更具优势，特别是在与英国南部较暖和的城市相比时。这反映在普利茅斯的主要ISP的回收期为6.2年，而达勒姆和格拉斯哥等北部城市的回收期为3.6年。同时，学习型ISP的成本效益受地理和室外空气条件的影响较小，在所有选定的城市中始终实现了低于3年的回收期。这些结果应被视为示例性的，因为它们假设了与基线案例相似的设施配置和运营条件，并未考虑英国ISP设计的全部范围。

第3.3节的结果表明，液体干燥剂技术在能够支付干燥剂再生所需的热量供应的同时仍具有成本效益，为传统HVAC系统提供了一种低碳替代方案。通过利用原本会浪费在加热和除湿上的废热，这项技术有助于减少对化石燃料供暖的依赖，降低碳排放并提高能源效率，从而实现更可持续的建筑。其他替代技术，如热泵除湿机[53]、固体干燥剂系统[54]、膜基除湿系统[55]和混合HVAC系统[56]也可以考虑用于ISP应用。与这些替代技术相比，液体干燥剂技术具有潜在的优势，例如较低的再生温度，这使得它可以整合更广泛的废热源；热化学能量存储能力，使得再生和除湿可以时间分离；干燥剂溶液的抗菌性能以及适用于ISP典型的高潜热负荷。未来的研究应该比较这些技术在性能、成本效益和实际应用方面的优势。

这一见解对于探索废热再利用方式的废热生产者也特别相关。例如，在英国已经探索了将数据中心与ISP集成以降低能源成本。德文郡埃克斯茅斯休闲中心的一个最近项目在一个公共ISP中实施了小型数据中心，使用液体冷却，减少了ISP的热水成本和数据中心的冷却成本[57]。将液体干燥剂技术纳入类似的设置可以进一步通过扩展废热利用范围（超出热水加热，包括空气除湿）来提高能源使用效率，同时通过废热销售增加数据中心的收入潜力。未来的研究应该评估在不同距离下回收废热的可行性，从短距离到远程来源，评估运输方法（无论是管道[26]还是使用吸收式热电池的卡车[58]）对过程成本效益的影响。除了ISP之外，液体干燥剂技术还可以增强商业和工业建筑中的湿度控制和废热回收。这些行业需要精确的气候控制，使其成为实施基于干燥剂的除湿的理想候选者，例如在热化学区域能网[59]中。此外，未来的研究应该确定废热供应者和最终用户之间的最小、最佳和最大距离，以确保可行性。

本研究使用了LiCl/H2O作为干燥剂溶液。LiCl盐的成本很高（2022年为52.24英镑/千克），这在一定程度上会影响过程的成本效益[60]。需要大型储罐和大量干燥剂溶液来容纳远程热源的系统可能会受益于成本较低的替代品，如CaCl2（0.15英镑/千克CaCl2）和HCO2K（0.97英镑/千克HCO2K）[60]，尽管其除湿能力较低（与LiCl相比）。未来的研究应该评估这些替代干燥剂解决方案对整体系统性能的影响，包括除湿能力、再生温度和热排出。此外，本研究保持ISP的空气交换率（ACH）与传统操作相同，但循环比率不同。然而，液体干燥剂技术有潜力在不影响室内空气质量（IAQ）的情况下降低ACH，因为它能有效去除潜热负荷，减少处理池水蒸发所需的空气交换率。这种减少可以改善能源和经济效益，值得进一步研究。未来的工作还应研究ISP中液体干燥剂操作的实际控制策略，包括如何根据占用率和潜热负荷的变化调整再生温度、溶液浓度和流速。因此，这些结果应被视为基于验证建模的技术经济评估，而不是在ISP运行条件下的直接性能证据。

第4节讨论和研究的局限性

第3.3节的结果表明，液体干燥剂技术在能够支付干燥剂溶液再生所需热量的同时仍具有成本效益，为传统HVAC系统提供了一种低碳替代方案。通过利用原本会浪费在加热和除湿上的废热，这项技术有助于减少对化石燃料供暖的依赖，降低碳排放并提高能源效率，从而实现更可持续的建筑。其他几种替代技术，如热泵除湿机[53]、固体干燥剂系统[54]、膜基除湿系统[55]和混合HVAC系统[56]也可以考虑用于ISP应用。与这些替代技术相比，液体干燥剂技术具有潜在的优势，例如较低的再生温度，这使得它可以整合更广泛的废热源；热化学能量存储能力，使得再生和除湿可以时间分离；干燥剂溶液的抗菌性能以及适用于ISP典型的高潜热负荷。未来的研究应该比较这些技术在性能、成本效益和实际应用方面的优势。

这一见解对于探索废热再利用方式的废热生产者也特别相关。例如，在英国已经探索了将数据中心与ISP集成以降低能源成本。德文郡埃克斯茅斯休闲中心的一个最近项目在一个公共ISP中实施了小型数据中心，使用液体冷却，减少了ISP的热水成本和数据中心的冷却成本[57]。将液体干燥剂技术纳入类似的设置可以通过扩展废热利用范围（超出热水加热，包括空气除湿）来进一步提高能源使用效率，同时减少英国气候典型的空气加热需求，并通过废热销售增加数据中心的收入潜力。未来的研究应该评估从短距离到远程来源回收废热的可行性，评估运输方法（无论是管道[26]还是使用吸收式热电池的卡车[58]）对过程成本效益的影响。除了ISP之外，液体干燥剂技术还可以增强商业和工业建筑中的湿度控制和废热回收。这些行业需要精确的气候控制，使其成为实施基于干燥剂的除湿的理想候选者，例如在热化学区域能网[59]中。此外，未来的研究应该确定废热供应者和最终用户之间的最小、最佳和最大距离，以确保可行性。

本研究使用了LiCl/H2O作为干燥剂溶液。LiCl盐的成本很高（2022年为52.24英镑/千克），这在一定程度上会影响过程的成本效益[60]。需要大型储罐和大量干燥剂溶液来容纳远程热源的系统可能会受益于成本较低的替代品，如CaCl2（0.15英镑/千克CaCl2）和HCO2K（0.97英镑/千克HCO2K）[60]，尽管其除湿能力较低（与LiCl相比）。未来的研究应该评估这些替代干燥剂解决方案对整体系统性能的影响，包括除湿能力、再生温度和热排出。此外，本研究保持ISP的空气交换率（ACH）与传统操作相同，但循环比率不同。然而，液体干燥剂技术有潜力在不影响IAQ的情况下降低ACH，因为它能有效去除潜热负荷，减少处理池水蒸发所需的空气交换率。这种减少可以改善能源和经济效益，值得进一步研究。未来的工作还应研究ISP中液体干燥剂操作的实际控制策略，包括如何根据占用率和潜热负荷的变化调整再生温度、溶液浓度和流速。因此，这些结果应被视为基于验证建模的技术经济评估，而不是在ISP运行条件下的直接性能证据。

经济发现支持进一步探索实际ISP中的液体干燥剂技术。然而，如第1节所述，基于氯的消毒会产生挥发性副产品，如NCl3，这些副产品存在于循环空气中，可能与干燥剂溶液相互作用，可能导致沉淀物形成[30]，同时还会导致填料材料、热交换器和溶液泵的污染。此外，ISP的化学侵蚀性环境以及传统卤化物盐基溶液（如LiCl和CaCl2）的腐蚀性可能会促进金属部件的腐蚀，并影响干燥剂溶液的长期稳定性。这些因素可能会增加维护需求，降低系统的长期性能并影响系统的经济性能。这些效应在当前的技术经济分析中没有量化，因此应在未来的实际ISP条件下进行实验研究。

5. 结论

室内游泳池是能源密集型设施，因为它们对空间、池水加热、通风和湿度控制的需求很高。本研究首次对英国室内游泳池的液体干燥剂技术进行了技术经济评估，整合了废热回收和新型基于池水的再生方法。通过展示高节能效果、减少排放和强大的经济可行性，这项研究确立了液体干燥剂系统作为室内游泳池商业HVAC技术的可扩展、可持续替代方案。基于从英国一家休闲中心收集的数据进行的分析估计了两个游泳池的热损失，发现蒸发损失是主要的热损失来源，特别是在学习型游泳池中，每个池表面的总热损失达到了0.087千瓦/平方米，而主要游泳池为0.081千瓦/平方米。液体干燥剂技术展示了其在维持最佳温度和湿度的同时显著降低能源消耗的能力，通过为循环空气和室外空气提供加热和除湿。池水和空气加热的节能效果分别可达77.5%和88.1%。特别是，使用池水作为再生热源的成本效益非常高，如较低的回收期所示（主要游泳池使用冷却塔时为3.6年，而学习型游泳池为2.5年）。虽然用液体干燥剂替代传统技术的成本效益受天然气和电价的影响，但经济分析显示，在两个室内游泳池中都有显著的节能效果，尤其是在加热需求和热损失较高的学习型游泳池中。当使用池水进行热排出时，如果天然气价格超过43.1英镑/兆瓦时，电价保持在292.6英镑/兆瓦以下，可以实现超过15%的IRR。同时，学习型游泳池在所有考虑的天然气和电价情景下始终实现了超过15%的IRR。使用池水进行再生热排出时，主要游泳池和学习型游泳池的废热购买价格分别可达26.7英镑/兆瓦时和34.7英镑/兆瓦时，为废热供应商每年分别产生70,292英镑和16,128英镑的收入。通过重新利用原本会浪费的废热，这种方法支持循环经济原则并促进了能源效率。将液体干燥剂系统与区域能源网络、数据中心和工业过程集成可以进一步提高能源再利用和可持续性。

除了这个案例研究之外，这项研究还提供了在整个英国应用液体干燥剂技术的可行性估计，特别是在供暖需求较高的寒冷城市中，显示出最大的经济优势。除了ISP之外，液体干燥剂技术在住宅、商业和工业设施中也有潜在应用，其中湿度控制至关重要。未来的工作应该探索其在不同商业和工业领域的集成，使用热化学能源网络。这项研究的发现为设施管理者、政策制定者和废热供应商（如数据中心或制造业）提供了宝贵的见解，他们正在寻找创新的废热再利用解决方案。未来的工作应该优先在实际ISP条件下对技术进行实验验证，以确认预测的节能效果和湿度控制性能，并解决实施挑战，例如循环空气中的氯基污染物与干燥剂溶液之间的相互作用。此外，研究成本较低的替代干燥剂解决方案并评估远距离废热运输的可行性，可以进一步支持该技术的实际部署。