利用热回收注入系统提升新型可持续太阳能混合吸湿剂空调与蒸馏集成系统的热性能

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermal performance enhancement of a novel sustainable integration of a solar-powered hybrid desiccant air conditioning and distillation systems using thermal recovery injection systems

　　

摘要
为了缓解全球变暖和水资源短缺，本研究旨在开发一种新型、可持续、热集成系统，用于联合生产淡水和空调，以实现最大化的能源效率，从而克服太阳能蒸馏器的局限性，即其有限的淡水产量。为了实现这一目标，本研究引入了一种创新设计，结合了基于干燥剂的空调器和带有注入系统的太阳能蒸馏器，并集成了外部冷凝器。该设计的创新之处在于其巧妙的热回收系统，将太阳能蒸馏器注入系统与干燥剂空调器排出高温再生空气相结合。这种集成有助于提高集水池水温并增加蒸发和混合面积，从而提高传质系数。此外，减少了蒸汽阻力，有助于加快蒸汽流速并增加冷凝。同时，集成外部冷凝器进一步显著提高了冷凝速率，从而提高了整体生产力。模拟结果表明，这种新型热集成系统是生产淡水和空调的高效选择。在再生气流为 200 m3/h 且温度为 90 °C 时，干燥剂空调器提供的送风温度为 15.38 °C，相对湿度为 82.25%，对应的制冷量为 4.06 kW，COP 为 0.85。带有热回收注入系统和外部冷凝的改进型集成蒸馏器每天生产 212.84 升淡水，生产成本为 1.96 美元/立方米。热集成系统还将整体系统 COP 提高到 3.31，相比独立干燥剂空调器提升了 305.45%。

引言
气候变化、人口增长和快速的经济发展导致全球对能源和饮用水的需求增加。气候变化和持续的温度上升也增加了全球对制冷和热舒适性的需求。用于实现热舒适性的传统空调系统消耗大量电力，估计占全球总耗电量的 10%，并且预计到 2050 年这一比例将翻倍 [1], [2]。这种高能源消耗导致大量的碳和温室气体排放，特别是由于它依赖化石燃料，加剧了全球变暖和气候变化 [3], [4]。因此，必须增加对可再生能源，特别是太阳能的依赖，以保护环境和减轻气候变化 [5], [6]。此外，由于气候变化、工业活动和人口增长，淡水短缺是所有国家面临的最严重问题之一 [7], [8]。目前，世界上约 20% 的人口遭受水资源短缺之苦，预计到 2030 年这一比例将上升到 40% [9]。所有这些都促使研究人员开发混合系统，以高能效生产淡水和空调 [10], [11], [12]。

太阳能驱动的基于干燥剂的空调系统主要分为两类：液体干燥剂和固体干燥剂类型 [13], [14], [15]。本研究将概述为改善其性能而对基于固体干燥剂的空调系统所做的最重要修改。Dawahdeh 等人 [16] 增强了吸附式空调器的性能预测模型，利用燃料电池的废热作为有用热源来预热进入再生段的空气。Chen 等人 [17] 测试了开发的干燥剂除湿器，使用了结合露点冷却器的干燥剂换热器。结果发现，提议的系统减少了能源消耗并增强了室内舒适性。Abdelgaied 等人 [18] 测试了开发的除湿器，使用了中间冷却技术，并研究了能量回收对功耗的影响。结果发现，使用热回收减少了 21.9% 到 28% 的能源消耗，并增强了室内舒适性。Saghafifar 和 Gadalla [19] 调查了使用 PV/T 收集器对吸附式空调器行为的影响。结果发现，太阳能份额的百分比贡献达到了总所需能量的 32.2%。Gadalla 和 Saghafifar [20] 使用干燥剂轮和 Maisotsenko 冷却循环在数学上开发了空调系统。他们发现平均估计系统性能达到 0.72。Liang 等人 [21] 提议集成地热水作为预冷单元，以改善吸附式空调器的性能。结果发现，使用地热水减少了夏季、春季和秋季期间 34.3%、18.7% 和 18.7% 的能源消耗。Abishraj 等人 [22] 使用开发的干燥剂除湿器，配合干燥剂涂层换热器和新型波浪翅片，以减少能源消耗和改善室内质量。Jani 等人 [23], [24] 预测了吸附单元与蒸汽压缩空调在不同天气条件下的行为。Abdelgaied 等人 [25] 实验性地开发了干燥剂除湿器，使用了新的中间冷却干燥剂除湿器设计。他们发现，新设计有助于将 COP 提高 277.6%，优于传统的旋转式除湿器。

太阳能 still 代表了最简单的太阳能驱动海水淡化技术之一，被认为是隔离和水资源短缺地区的有效解决方案 [26], [27]。然而，有限的生产力是它们面临的最严重挑战之一 [28], [29], [30]。因此，一些研究人员探索了通过在水箱中使用热空气注入系统来提高太阳能 still 的生产力，以提高蒸发速率，从而提升其产量 [31], [32], [33], [34]。Kandeal 等人 [35] 实验性地开发了使用热空气注入系统的管状太阳能蒸馏器。他们发现，新设计有助于将淡水产量提高 79.88%，相比传统的管状蒸馏器。Ahmadian 等人 [36] 实验性地开发了使用热空气脉冲注入蒸馏器集水池的太阳能脱盐技术。他们发现，热空气脉冲注入有助于将淡水产量提高 49.52%，相比传统的蒸馏器。Farvardin 和 Motlagh [37] 研究了预热空气注入对蒸馏器产量的影响。他们发现，热空气注入有助于将淡水产量提高 125%，相比传统的蒸馏器。Kabeel 和 Abdelgaied [38] 实验性地开发了使用空气注入系统耦合 PV/T 收集器的蒸馏器。他们发现，注入系统有助于将产量提高 40.98%，相比传统的蒸馏器。Kabeel 等人 [39] 实验性地开发了一种使用 PCM 和热空气注入，耦合太阳能收集器的太阳能蒸馏系统。他们发现，产量相比传统的蒸馏器提高了 109%。Eltawil 和 Omara [40] 实验性地通过使用热空气注入和太阳能收集器增强了蒸馏器产量。他们发现，产量相比传统的蒸馏器提高了 148%。

前述综述表明，吸附式空调系统是提供热舒适性的有效、环保和安全的选择。同样，太阳能脱盐系统是生产适合隔离和偏远地区淡水的有效和环保解决方案。因此，本研究旨在开发一种新型混合系统，用于热集成联合生产淡水和空调，从而最大化能源效率并克服太阳能蒸馏器的局限性，即其有限的淡水产量。为了实现这一目标，开发了一种创新设计，结合了基于干燥剂的空调系统和带有注入系统的太阳能蒸馏器单元，集成了外部冷凝器。该设计的创新之处在于其巧妙的热回收系统，将太阳能蒸馏器注入系统与干燥剂空调系统排出的再生空气相结合。这种集成的目的是通过将其注入太阳能蒸馏器集水池来重用干燥剂空调器排出的再生空气。这反过来提高了集水池水温并增加了蒸发和混合面积，从而增加了有效蒸发面积和传质系数。此外，高温再生注入减少了蒸汽阻力，有助于加快蒸汽流速并增加冷凝。将这种改进的太阳能蒸馏器与外部冷凝器集成进一步显著提高了冷凝速率，从而提高了整体生产力。因此，高淡水产量导致了本研究提出的热集成系统整体性能系数的增加。本研究根据埃及坦塔的气候条件，调查了在九月的典型日期间，再生温度和速率对热舒适性、空调器 COP、淡水生产速率和创新混合设计性能系数的影响。

为了突出这种可持续、热集成系统的创新之处，该系统引入了一种创新设计，结合了基于干燥剂的空调和带有注入系统的太阳能蒸馏器，集成了外部冷凝器，正如本研究提出的那样。表 1 总结了密切相关的研究，这些研究涉及使用注入系统及其组件开发太阳能蒸馏器设计，并将它们与本研究中提出的可持续、热集成系统进行比较。

章节片段
系统描述
本研究提出了一种适合高温和干旱地区的空调和淡水生产新型热集成系统。该设计的创新之处在于其巧妙的热回收系统，将太阳能蒸馏器注入系统与干燥剂空调器排出的高温再生空气相结合。该设计通过通过旋转干燥剂轮将再生空气注入太阳能蒸馏器来实现最大能源效率...

旋转干燥剂轮模型
轮子由衬有硅胶层作为吸收剂的小空气通道形成。轮盖被分为过程段（角度为 240o）和再生段（角度为 120o），其中再生段和过程段中的气流在 z 方向上相反流动。干燥剂轮的过程和再生空气条件使用能量和质量守恒方程进行评估。由于质量和热量传递的复杂性...

模型验证
在验证模型的过程中，鉴于缺乏用于验证本研究中提出的可持续、热集成系统的集成实验装置，本研究中可持续、热集成系统的组件子模型使用文献中可用的实验结果集单独进行了验证 [25], [38], [47]（图 3）。
在当前研究中，使用公式 (60)、(61)、(62) 中的统计指标来评估预测模型的准确性。

结果与讨论
本节展示了本研究中讨论的创新配置性能评估的理论结果。这证明了创新集成的重要性，它将空调器与集成了外部冷凝器的太阳能蒸馏器相结合。本研究的创新之处在于将干燥剂轮的再生空气注入太阳能蒸馏器。这加速并增加了太阳能蒸馏器内的蒸汽产生速率，从而提升...

经济可行性分析
为了分析开发使用注入系统集成干燥剂空调器的太阳能蒸馏器设计的商业可行性，以及并入外部冷凝器，有必要计算每升淡水的生产成本。表 7 显示了设置使用注入系统和外部冷凝器的先进太阳能蒸馏器的设置成本。以下解释了如何计算每升生产成本 (PC) [30]：
PC=年度...

结论
本研究提出了一种创新系统，结合了空调器和开发的蒸馏器，使用空气注入集成外部冷凝器。创新系统首先包括由干燥剂轮、热交换器、冷却盘管、两个蒸发冷却器、集成太阳能收集器的加热盘管和电加热器组成的空调器。第二部分是海水淡化单元，包括使用再生空气注入和外部冷凝器的开发的太阳能蒸馏器...

CRediT 作者贡献声明
穆罕默德·A·埃尔塔维尔：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，方法论，形式分析，概念化。艾哈迈德·A·塔雷米：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，方法论，形式分析，概念化。哈立德·阿尔纳马西：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，方法论，形式分析，概念化。阿里·M·阿拉姆里：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，可视化，方法论，概念化。穆罕默德·阿卜德尔盖德：...

利益冲突声明
无。

致谢
这项工作得到了沙特阿拉伯法萨儿国王大学研究生院和科学研究副职科学研究中心的支持（Grant No. KFU262799）。

穆罕默德·A·埃尔塔维尔|艾哈迈德·A·塔雷米|哈立德·阿尔纳马西|阿里·M·阿拉姆里|穆罕默德·阿卜德尔盖德|斯韦拉姆·W·沙尔希尔