混合式干燥剂增强蒸发冷却器与集成冰蓄冷系统用于峰值转移与湿度管理

《Energy for Sustainable Development》：Hybrid desiccant-enhanced evaporative cooler with integrated ice storage for peak shifting and humidity management

　　

摘要翻译：
针对发展中地区居民日益增长的制冷需求，传统蒸气压缩式空调的成本和能耗对低收入家庭而言仍然过高。除成本问题外，许多替代系统如直接蒸发冷却系统虽已开发，但在潮湿气候下无法满负荷运行。固体干燥剂除湿系统能独立于显热冷却调节潜热负荷，是解决此局限的可行方法之一。通过冰蓄冷（ITES）系统将冷却负荷转移至电价较低的非高峰时段，已在商业和住宅建筑中显示出显著的成本节约效果。本研究将间接蒸发冷却器、冰蓄冷单元和干燥剂转轮整合为一个混合系统，为南非低收入家庭提供经济实惠的热舒适解决方案。研究人员利用工程方程求解器（EES）进行热力学计算，并采用人工神经网络（ANN）对系统性能进行预测建模。研究结果表明，该系统在典型南非夏季工况下，干燥剂转轮除湿效率达到70%，将含湿量从0.0112 kg/kg降至0.0085 kg/kg（降幅84.7%），使直接蒸发冷却器湿球效率恢复至82.5%，同时冰蓄冷单元转移了82%的峰值负荷，削减了87%的高峰用电量，年能耗成本降低82%，投资回收期约4.2年。ANN模型预测精度极高（整体R = 0.99997），验证了该系统作为湿热地区可持续、低成本冷却解决方案的可行性。

论文解读文章

一、研究背景与问题

随着全球发展地区居民对制冷需求的持续增长，传统蒸气压缩式空调系统的高昂成本和能耗对低收入家庭构成了沉重负担。虽然直接蒸发冷却（DEC）系统作为一种低成本的替代方案被广泛研究，但此类系统在潮湿气候条件下的性能受到根本性制约——高环境湿度限制了蒸发速率，从而削弱了制冷潜力。固体干燥剂除湿（SDD）技术通过独立于显热冷却的潜热负荷调节能力，为上述问题提供了可行的解决路径。与此同时，冰蓄冷（ITES）技术通过在电价较低的非高峰时段制冰蓄冷，并在高峰时段释冷供冷，能够有效实现电力负荷的时移，从而降低能源成本并缓解电网压力。

然而，现有研究大多将干燥剂-蒸发冷却混合系统与冰蓄冷系统作为独立领域分别探讨。文献综述表明，干燥剂-蒸发冷却混合系统已展现出6至18.4的制冷性能系数（COP）和高达87%的节能率，冰蓄冷系统也已被证实能够转移24–30%的峰值电力需求并降低最高33%的电力成本。但将这两类技术整合为统一的三元混合系统——即同时实现湿度管理与峰值转移双重目标——在现有文献中仍属于未被充分探索的前沿方向。本研究针对这一明确的研究空白，提出了一种将固体干燥剂除湿、直接蒸发冷却和冰蓄冷集成于单一住宅平台的混合冷却系统，旨在为南非低收入家庭提供经济可行的热舒适解决方案。

二、研究方法与技术路径

研究人员采用多准则决策分析（MCDA）框架，基于性能（Performance）、运行（Operation）、设备（Equipment）和技术（Technology）四个维度（POET框架），对硅胶、沸石13X、活性氧化铝、硅胶-氯化锂（SG-LiCl）复合干燥剂以及金属有机框架（MOF, MIL-100(Fe)）五种候选干燥剂材料进行了加权评分。加权结果表明，硅胶以8.375分的综合得分位居首位，被选为该系统干燥剂转轮的填充材料。

在系统建模方面，研究人员利用工程方程求解器（EES）建立了覆盖六个模块（Block A至Block F）的热力学级联模型，包括：环境边界条件模块、质量流率诊断模块、直接蒸发冷却器模块（涵盖热力学性质计算、饱和出口能量平衡、饱和效率以及压力和流量关联式）、干燥剂转轮模块（包括标称效率、除湿后含湿量计算和吸附温升）、冰蓄冷模块（8小时非高峰充冷、冰质量计算、6小时高峰放冷以及峰值转移分数）以及最终的结果校验模块。该EES模型基于已发表的实验数据进行了逐模块验证，涵盖了从蒸发冷却到冰蓄冷各环节的文献基准对照。

在数据驱动建模方面，研究人员采用人工神经网络（ANN）作为EES离线确定性模型的代理模型。气象数据来源于南非大学辐射测量网络（SAURAN）数据库，包括环境温度、相对湿度和大气压力三个输入变量。数据经预处理后，以70%训练、15%验证、15%测试的比例进行划分，采用含10个神经元的单隐藏层结构，并以Levenberg-Marquardt算法进行训练。此外，研究人员还采用邓氏灰色关联分析（GRA）对候选预测因子进行排序，并通过AI辅助数据生成流程构建了365天的扩展数据集。

三、研究结果

（1）干燥剂材料选择与POET框架评估

POET加权评分矩阵的结果表明，硅胶以8.375分的综合得分排名第一，其次为硅胶-氯化锂复合干燥剂（7.900分）、沸石13X（7.475分）、活性氧化铝（6.925分）和MOF（6.850分）。硅胶因其适中的成本、化学稳定性以及在50–80°C低温再生条件下的有效性，被确定为系统干燥剂转轮的优选材料。

（2）EES热力学级联模型验证

EES六模块级联模型与已发表实验数据的逐项对比验证表明，各模块的输出值与文献基准高度吻合。在环境条件为28.4°C干球温度、50%相对湿度、86.092 kPa大气压力（对应海拔1600 m）下，模型输出的干燥剂效率为70%、直接蒸发冷却器湿球效率为82.5%、峰值负荷转移比例为82%、高峰用电削减率为87%。

（3）ANN模型训练与精度评估

基于7天168个SAURAN小时样本训练的ANN模型，在epoch 7达到最佳验证均方误差（MSE）为7.6041 × 10?3，训练集、验证集、测试集及总体的相关系数R分别为0.99998、0.99995、0.99998和0.99997。365天扩展数据集经GRA排序和AI辅助数据生成后重新训练，在相同数据划分条件下恢复了相同的最佳验证MSE（epoch 7）和总体R值（0.99997），验证了模型的可扩展性和鲁棒性。误差直方图显示，绝大部分预测误差集中于零误差线附近的中心区间，残差呈近似高斯分布，证实了模型的无偏性和泛化能力。

（4）系统性能评估

在2023年12月24日14:00的南非夏季典型工况下（28.4°C干球温度、50%相对湿度、含湿量0.0112 kg/kg），混合系统展现了稳定的热力学性能。干燥剂转轮以70%的除湿效率将含湿量降至0.0085 kg/kg（降幅84.7%），使直接蒸发冷却器以82.5%的湿球效率运行。冰蓄冷单元在86.092 kPa的大气压力下、以0.0001 m3/s的体积流量制冰，成功将82%的冷却能量需求从高峰时段转移至非高峰时段，高峰用电量削减87%。年能耗成本为R1245（约$75.78），相比传统空调系统（R6890，约$417.66）降低了82%，基于20年生命周期成本分析的投资回收期为4.2年。

（5）灵敏度与运行边界分析

湿球效率灵敏度分析表明，当环境温度（Tamb）低于34.9°C时，冰蓄冷系统处于关闭状态（"Off"）；当环境温度达到38°C及以上时，冰蓄冷系统切换至激活状态（"Active"），从而弥补直接蒸发冷却器在高温条件下的饱和瓶颈效应。气流速率灵敏度分析显示，冷却能力随气流速率从0.4至1.4 kg/s单调递增（约3 kW至10 kW），但送风温度在0.7–0.8 kg/s区间达到最低点后回升，揭示了系统设计中气流速率与送风温度之间的权衡关系。再生温度与干燥剂效率的二维等高线分析表明，出口含湿量随再生温度（45–95°C）和干燥剂效率（0.45–0.85）的增加而单调递减。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究所实现的87%高峰用电削减率显著超越了近期（2020–2025年）冰蓄冷实证研究的18–35%经验区间（如Yang等报告的35%峰值功率转移、Odufuwa等的33%夏季节能、Tu等的18.67%电费降低、Ergün & Co?kun的20%运行成本优势以及Yan等的24.45%峰值转移），这一差距主要归因于全蓄冷调度策略（相对于部分蓄冷的现场部署）、干燥剂除湿后直接蒸发冷却器湿球效率的恢复，以及封装冰蓄存的结构性上限。该混合系统的性能优势根植于其三元协同架构——干燥剂转轮独立调节潜热负荷，冰蓄冷独立实现显热负荷的时移，而直接蒸发冷却器在除湿后的干燥空气条件下恢复了高效的显热冷却能力。

研究结论表明，集成固体干燥剂除湿、直接蒸发冷却和冰蓄冷的混合系统为低收入家庭提供了一种实用且具有气候适应性的冷却解决方案。该系统克服了蒸发冷却在高湿度环境下的独立运行局限，同时通过冰蓄冷子系统解决了峰值电力需求问题，实现了87%的高峰用电削减和82%的年能耗成本降低。高精度ANN模型（R = 0.99997）为系统优化和向不同建筑类型及气候条件的扩展提供了可靠工具。基于EES的热力学分析确认，该混合干燥剂-蒸发-冰蓄冷系统在能量和?性能方面均优于传统系统，维持了70%的干燥剂效率和82.5%的直接蒸发冷却器效率，并在0.18–4.69 kW的冷却能力范围、14.80–25.58°C的送风出口温度范围以及4.2年的投资回收期等指标上验证了其在高峰分时电价下对家庭用户的经济可行性。

未来研究应聚焦于集成系统在实地条件下的实验验证、替代性低品位热能来源（包括太阳能热利用和废热）用于干燥剂再生的开发以减少对化石燃料的依赖，以及涵盖生命周期成本分析和碳足迹分析的技术经济可行性研究，为发展中经济体的广泛推广提供政策建议。