基于无腐蚀性深共晶溶剂的冷热电联产系统开发与多准则评估

《Energy》：Development and multi-criteria evaluation of a cooling/heating cogeneration system using non-corrosive deep eutectic solvent

　　

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  吸收式冷热电联产系统采用非腐蚀性介质进行室内气候控制。
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  能效提升33.1%，年效率提高6.7%。
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  最佳工质在基准工况下确保31.5%的?效率。
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  投资回收期达到1.9年，排放减少超过70%。
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  在不同系统规模和地区均保持性能优势。

引言

快速城市化显著增加了建筑部门的能源需求，该部门目前约占全球能源消耗的30%，且持续增长[1]、[2]。相关的温室气体排放引发了日益增长的担忧，使净零能耗建筑（NZEB）成为实现碳减排的重要途径[3]。实现NZEB取决于提高能效和推广多能源利用，尤其是低品位能源[4]、[5]。在建筑服务中，冷却系统占据了能源使用的主体地位，贡献了近50%用于温度和湿度控制[6]。

对于传统策略，通过冷却空气至露点以下来实现除湿，这要求蒸气压缩制冷系统（VCRS）具有较低的蒸发温度，从而导致显著的能耗惩罚[7]。相比之下，液体吸收技术采用吸湿溶液进行除湿，能耗减少可达50%[8]、[9]，具有适中的再生温度、有效的空气净化能力和改善的控制灵活性等优点[10]、[11]。然而，由于缺乏合适的吸收剂以及再生过程巨大的能源需求，其实际应用受到限制。

关于吸收剂，现有候选材料（如卤化物盐、离子液体）无法同时满足无毒、非腐蚀性和低成本的要求[12]、[13]。深共晶溶剂（DES）作为一种有前景的绿色替代品应运而生[14]，为传统吸收剂的局限性提供了潜在的解决方案。DES具有易于合成、成本低、毒性低和挥发性可忽略等优势[15]。当由适当组分构成时，其腐蚀性可以有效最小化。对于除湿应用，ethaline（一种基于氯化胆碱和乙二醇的DES）据报道比CaCl₂表现出更好的吸湿能力[16]，而基于DES的冷却系统在能源、经济和环境方面表现出与使用LiBr和离子液体的系统相当的性能[17]。这些结果证实了DES在材料层面和系统层面的可行性。然而，许多DES配方仍含有氯化物基组分，导致残余腐蚀性[18]。因此，开发完全非腐蚀性的DES对于持久运行仍然十分必要。

在开发吸收剂的同时，系统级设计以实现可再生能源利用对于可持续能源系统同样关键[19]。由于吸收式制冷系统（ARS）是一种替代VCRS进行冷却的清洁技术[20]，它们已被集成以实现低品位能源利用最大化。Xu等人[21]提出了一种利用废热对吸收剂进行再生的系统，由ARS提供冷却，实现了高达0.35的性能系数（COP）。后续改进将风冷集成到除湿器中，将COP提高到0.60[22]，并进一步与太阳能集成和多目标优化相结合以降低不可逆性[23]。尽管取得了这些进展，ARS中的冷凝热通常被排向环境，导致能源利用效率低下。在这方面，吸收式冷热电联产系统提供了更为有效的解决方案，但将非腐蚀性DES集成到热力驱动的联产系统中仍很大程度上未被探索。

为了明确研究空白并突出所提系统的独特特征，表1中与代表性吸收式冷却系统进行了参数比较。

如表1所述，以往研究通常存在工质具有腐蚀性或对电力依赖较大的问题，而冷凝热的利用仍然有限。虽然非腐蚀性DES作为更安全的工质展现了潜力，但现有研究主要集中于供热或单一热转换装置[24]、[25]。因此，同时解决吸收剂腐蚀和电力依赖问题的系统级解决方案仍然缺乏。

为弥补这一空白，本研究开发了一种新型热力驱动的冷热电联产系统，采用由甜菜碱和乙二醇（Bet:EG）组成的非腐蚀性DES，实现冷凝热回收用于干燥剂再生以及同步冷却和除湿。关键创新在于吸收制冷循环与液体干燥剂除湿过程的集成利用：回收冷凝热用于再生干燥剂，同时利用蒸发效应提供冷却并辅助除湿，从而实现低品位热能级联利用并减少电力依赖。此外，非腐蚀性DES作为吸收剂和干燥剂使用，以提高系统耐久性和运行稳定性。

据此，本研究旨在：(1) 开发一种新型联产配置，同时为除湿和干燥剂再生提供冷量和热量；(2) 研究运行参数的影响以确定最适宜的工作条件；(3) 评估不同条件下的经济和环境性能，展示新型系统的优越性。预期结果将明确基于非腐蚀性DES的联产系统对于面向NZEB的高效低碳冷却的应用潜力。

章节摘要

方法

该方法包括系统配置和工质选择、热力学建模、模型验证以及随后的能源、?、经济和环境评估。所提系统和传统冷却系统在稳态条件下进行建模，使用MATLAB与CoolProp物性数据库耦合。室内外条件以及主要运行温度为系统模拟的输入数据。选择重庆作为研究...

能源分析

在不同运行温度（t_gen、t_con、t_ab和t_eva）下，使用不同工质的新型联产系统的能源性能见图3。

使用DES的新型系统的COP随t_gen升高或t_con降低而增加，而LiBr则呈现不同的趋势。这一差异主要归因于LiBr的最佳发生温度低于基于DES的系统[35]。在较高t_con值下COP的下降可归因于...

讨论

与现有吸收式冷却系统的性能比较对于进一步评估所提系统的适用性也很重要。与使用ethaline作为吸收剂的蒸气压缩制冷辅助冷却系统相比，所提系统实现了高达11.6%的一次能源利用率（PER）提升，展示了其在一次能源利用方面的优势[17]。与文献[21]、[22]、[23]中报道的热力驱动冷却系统相比，所提联产...

结论

本研究提出了一种采用非腐蚀性DES作为工质的新型热力驱动冷热电联产系统，以提高系统稳定性和能源级联利用。主要结论总结如下：(1) Bet:EG在冷却性能与电力消耗之间提供了最理想的整体平衡，且其非腐蚀性特征使其成为所提配置的合适工质。(2) 所提系统实现了改进的...

CRediT作者贡献声明

杨红星：监督、项目管理、经费获取。叶工冉：验证。李志勇：软件、数据管理。张燕玲：可视化。罗杰霖：写作——审阅与编辑、资源、方法论。杨凯寅：写作——初稿、调查研究、形式分析、概念化。

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声明：在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT以辅助语言润色，包括语法纠正和句子清晰度改进。所有科学内容、分析、解释和结论均由作者制定和验证。在使用该工具后，作者对稿件进行了彻底审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

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致谢

本工作由广东省基础与应用基础研究基金（编号：2026A1515010836）和香港研究资助局一般研究基金（编号：15208024）资助。

罗杰霖|杨凯寅|李志勇|张燕玲|叶工冉|杨红星