摘 要

随着社会的文明在发展，人们愈加关注于生活水平的质量。在舒适空气品质中有个重要指标就是湿度，因此如何有效的除湿成为研究的热点。市面上有的几种除湿模式在温湿度独立处理上均显出一定缺点，近些年来，由于电渗再生节能、环保、安全等特点故可将电渗流运用到吸湿材料的再生这一方式上继而实现空调的温湿度独立控制，这一方面可提高空调系统的能源节约率，降低建筑能耗，另一方面也能实现人们对高标准生活质量的要求。

本文从建筑节能、高品质生活环境出发，提出了一种温湿度独立处理模式的空调系统，并重点研究其关键组件-------除湿翅片。

首先对比了常用除湿方式，分析各自特点后介绍了电双层的结构、发展历程，电渗流的产生原理以及国内外对其的研究现状。

其次对外加电场下多孔介质中单项渗流这一实际进行了分析，提出了一种简化研究模型并从Navier-Stokes 方程、Poisson-Boltzmann方程以及流体连续性方程起手确定了模型的数学控制方程和边界条件。此外通过使用Comsol Multiphysics软件结合实验三种吸湿材料的数据验证了模型的正确性。

接着根据验证后的模型对电渗流的影响因子诸如孔隙率、孔半径、zeta电势、外加场强等进行了分析并比较了其影响程度的大小即敏感性。

最后通过计算房间的湿负荷确定了翅片组件的结构，通过冷负荷计算出了温湿度独立控制空调系统的能效比即cop值为3.38。

将电渗流运用到空调系统除湿上的文献目前还很少，因此本文的研究以及研究结果对之后的学者在这方面的继续探索和改进研究将有一定的指导参考意义。

关键词：除湿空调；电渗流；多孔介质；Comsol Multiphysics；

Abstract

The society is developing，science and technology are constantly improving，and people's quality requirements for living standards are also increasing。Humidity is an important factor affecting air quality，Dehumidification is closely related to people's lives。Commonly used air-conditioning dehumidification methods have certain disadvantages in the independent treatment of temperature and humidity。In recent years，due to the characteristics of electro-osmotic regeneration which are energy conservation、environmental protection and safety，the electro-osmotic flow can be applied to the regeneration of moisture-absorbing materials and then realize the temperature of the air-conditioning。Humidity is controlled independently，which can not only improve the energy efficiency of the air-conditioning system，reduce the energy consumption of the building，but also enable people to have higher requirements for environmental comfort。

This article starts from the building energy-saving and high-quality living environment，puts forward a temperature and humidity independent processing mode air-conditioning system，and focuses on its key components - dehumidification fins。

Firstly，the commonly used dehumidification methods were compared。After analyzing their respective characteristics，the structure of the electric double layer，the development history，the principle of electroosmotic flow generation and the research status at home and abroad were introduced。Secondly，the single percolation in porous media under externally applied electric fields is analyzed。A simplified study model is proposed and the mathematical control equations of the model and boundary conditions are determined from the Navier-Stokes equations，Poisson-Boltzmann equations and fluid continuity equations。In addition，the correctness of the model was verified by using COMSOL Multiphysics software combined with experimental data of three hygroscopic materials。

Then based on the validated model，the factors that affect the electroosmotic flow，such as porosity、pore radius、zeta potential and applied field strength were analyzed and the degree of influenc in another words，Sensitivity，was compared。Finally，the structure of the fin assembly was determined by calculating the wet load of the room。The energy efficiency ratio (COP) of the air-conditioner system independently controlled by the cooling load was calculated as 3.38。

The literature on the application of electroosmotic flow to dehumidification of air-conditioning systems is still very few。Therefore，the research and research results of this paper will have some guiding reference significance for subsequent scholars to continue to explore and improve research in this area。

Key words： Dehumidification air conditioning ；Electroosmotic flow in porous media Comsol Multiphysics ；Absorbent material

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 常用除湿方式 2

1.2.1 冷却除湿 2

1.2.2 液体吸湿剂除湿 2

1.2.3 固体吸附除湿 3

1.3 课题研究意义 3

1.4 课题的主要研究内容 4

1.5 课题的主要技术路线 4

第2章 电渗流理论知识 5

2.1 双电层理论 5

2.2 电渗流的产生 6

2.3 电渗流的应用 6

2.4 电渗现象的国内外研究现状 6

2.4.1 电渗理论的国外研究现状 6

2.4.2 电渗理论的国内研究现状 7

2.4.3 现状小结 7

2.5 本章总结 8

第3章 外电场作用下单项渗流的模型构建与分析 9

3.1 建立多孔介质中电渗流的模型 9

3.1.1 描述流体运动的基本方程 9

3.1.2 电场作用下的方程 9

3.1.3 电场-流场耦合下的单项渗流运动方程研究 11

3.1.4 多孔介质等效模型 14

3.2 基于Comsol Multiphysic的多孔介质中单项渗流模拟 15

3.2.1 Comsol Multiphysic软件介绍 15

3.2.2 模型构建流程 16

3.2.3 模型的验证 18

3.3 电渗流影响因子分析 21

3.3.1 场强和孔半径分析 22

3.3.2 压力梯度和迂曲度分析 22

3.3.3 孔隙率和Zeta电势分析 23

3.3.4 电渗流总速度和渗流速度比分析 23

3.4 电渗流各参数的敏感性分析 25

3.4.1 氧化铝各参数的敏感性分析 25

3.4.2 硅胶各参数的敏感性分析 26

3.4.3 分子筛各参数的敏感性分析 27

3.5 本章总结 28

第4章 电渗方案空调系统结构设计及分析 29

4.1 设计依据 29

4.1.1 围护结构热工指标及房间电器设备 29

4.1.2 室内外设计参数 29

4.2 房间负荷计算 29

4.2.1 夏季冷负荷计算 30

4.2.2 夏季湿负荷计算 35

4.3 温湿度独立控制关键组件除湿翅片设计 37

4.3.1 翅片组件结构及安装位置 37

4.3.2 翅片数量及吸湿材料选型 38

4.4 温湿度独立控制空调系统能效比计算 40

4.4.1 EVAP-COND对蒸发器的模拟 40

4.4.2 Cop能效比计算 41

4.5 本章总结 42

第5章 总结与展望 43

5.1 总结 43

5.2 展望 44

参考文献 45

致谢 47

绪论

课题研究背景

当前世界各国普遍关注的是能源问题，其为科技、社会、文明前进的动力之源。2013年英国石油BP集团做了一份关于各国能源使用状况的统计报告，报告指出全球面临着两个痛楚：一为能源供需矛盾一为环境污染，我们作为地球的主人应该努力开发节能技术、可再生能源，尽早摆脱对石油、煤燃料的依赖^[1]。我国人口众多，煤炭现在以至将来在我国能源消耗上会起到主导作用并且消耗量保持持续增长的趋势，能源短缺问题也将随之产生^[2]。而我国建筑直接能耗在社会总能耗中比列已达28％左右并逐步上升，建筑用能浪费严重，节能潜力巨大^[3]。建筑耗能上占比最大的部分为空调除湿。此些年来，空调所消耗的能量在建筑总能耗上占比呈上升之势，超过50% ^[4]。是以探索高效的除湿方案，开发节能的空调系统，既减少建筑能耗，亦可缓解我国目前的两相基础矛盾-----能源供给与经济发展。

此外，随着上层建筑在修固，经济基础在铺展，人们缓缓步入小康后转而对生活的舒适、环境的健康提出了更高的要求。湿度在空气品质的因素中扮演着重要的角色，高效除湿更是与人们的生活紧密相连。在许多工业部门，如汽车制造厂、印刷厂、炼钢厂，在军工、医药、地下建筑物内，除湿均起到重要的影响^[5]-[6]。不仅如此，除湿对于人们室内居住的生活环境也有着重要意义。在一定温度下，如若降低空气的湿度，人体因与皮肤、粘膜相关的感觉系统----热平衡和热感觉向全身散发舒服因子，此时我们会明显有凉爽、舒服之感 ^[7]-[8]。当周围环境的湿度过高或者过低时，人就会有不适感，对此人们做了一些研究，结果表明与人体舒适度相适应的环境湿度应在40％-60％^[9]。在空调系统中，对空气进行除湿处理是重要的一环，由于湿空气的潜热负荷大，故而这一环所需能量往往很高，通常空调除湿所耗之能约占空调所耗总量的20%-40％^[10]-[11]。是以此对除湿技术进行研究开发，不仅对能源且环境均有重大价值。

常用除湿方式

除湿是指降低湿空气中的水分含量。目前，使用较多的除湿方式包括冷却除湿、固体除湿、液体除湿。下面将对其一一介绍：

冷却除湿

冷却除湿法：室内空气在流过蒸发器外表面后会被冷却到露点温度以下，此时空气中的水分降低，故而湿度降低，但在冷凝过程中也降低了干空气的温度，因此还需再热来满足送风温度的要求^[12]。

冷却除湿法的主要缺点是：

（1）空气冷却后温度较低，进入室内前需要再热到合适温度，因此造成能量浪费。

（2）如若空气需降低很高温度，压缩机则要提高蒸发压力，蒸发器表面容易结霜。

（3）冷凝盘管的表面因有冷凝水的存在，会易于滋生病菌，影响室内生活的健康。

液体吸湿剂除湿

液体吸湿剂除湿法：利用某些吸湿性溶液来吸收水蒸气进而达到除湿目的。使用较多的为LiCl、CaCl₂和LiBr吸湿性溶液。如图1-1乃液体吸湿剂除湿法的装置示意图，其包括除湿器、热交换器、再生器、泵等设备。当湿空气与浓溶液两两相接时，因小于，故水蒸气在压力梯度下被吸收，浓溶液则变稀溶液，此后稀溶液在太阳能、电能等低品位能源加热后再生为浓溶液，一个连续除湿过程即形成。

液体吸收除湿法的主要优点是再生温度低，可以利用各种低品位的能源作为再生能源，对热、湿负荷可以独立控制；但存在的问题是液体吸湿剂会产生一定的腐蚀问题，若溶液的流速不适合出现飞溅、外漏则会严重危害人体及环境。

此外，较大的设备体积因定期护理的需要，液体吸湿剂除湿较多应用于工业生产方面。

固体吸附除湿

固体吸附除湿法：利用固体吸附剂吸收湿空气中的水蒸气，从而进行除湿。吸附剂有硅胶、分子筛和氧化铝等。如图1-2是固体除湿常用装置----轮转除湿机。它主要结构有两个区域，除湿区和再生区。当湿空气经过除湿区（270°区域）时，湿空气中的水蒸气被吸附剂吸收，此后经风机送出；当干燥剂吸收饱和后进入转轮再生区（90°区域），此时加热后的空气穿过再生区通过带走水蒸气使得吸附剂再生，继而整个除湿过程持续进行。

固体吸收除湿法的主要优点是结构简单、性能稳定，不需要制冷剂，绿色环保，可以实现温湿度独立控制，但主要缺点是固体吸附剂再生比较困难，吸附容量小，风机的运行使得噪声加大，另外由于吸附剂的吸附特性，会吸附一些污染物造成吸附剂污染，目前固体吸收除湿也大多应用在工业生产上。

课题研究意义

综合以上常用除湿方式，可以看到运用吸湿材料的除湿系统因对水分具有吸附作用能很好的降低湿空气的湿度，从而能实现温湿度的独立控制，此外也可以减少氟利昂的使用，满足节能环保的要求。但是为了对吸湿材料再生达到循环利用，常用除湿方式中均选择加热再生，而这就往往需要消耗大量的热能以及增加额外设备，如风机、管道、泵等。因此需要对更简单、高效的再生方式进行研究。

电渗是微观下通道中固体与液体接触时双电层中的离子化流体团在外电场下定向移动的现象。近些年来，由于电渗再生节能、环保、安全等特点慢慢被关注，为此，对将电渗流运用到吸湿材料的再生这一方式上进行研究既对开发新型热湿独立处理模式空调，从而可以降低建筑的能源消耗，也可以改善人们的生活品质。

课题的主要研究内容

（1）查找文献并阅读文献总结归纳除湿空调的研究背景以及目前具有的除湿方式的种类；

（2）学习电渗流理论知识包括电渗流的产生、电双层的结构及发展历程，国内外电渗相关的理论研究和应用调研；

（3）学习Comsol建模软件，建立多孔体的电渗模型，根据实验数据进行模型验证；

（4）根据验证后的模型进行关键参数的敏感性分析，确定电渗调湿翅片结构；

（5）确定采用电渗除湿方案的空调系统的能效比。

课题的主要技术路线

（1）搜集并研究电渗理论的相关文献；

（2）运用理论知识，将多孔介质简化为N根毛细管束构成的模型，再以Poisson-Boltzmann方程作为毛细管壁面附近双电层中离子满足的电势方程，Navier-Stokes方程作为流体运动的控制方程，两大方程耦合，构建外加电场下多孔介质中单项渗流的数学模型；

（3）运用Comsol软件进行建立模型并进行模拟分析，建模思路为：

分析实际问题——构建数学模型——在软件中构建几何模型——参数设定——设置边界条件——加密网格——计算。

（4）对模拟结果进行分析，讨论外加电场强度、压力梯度、孔隙度、多孔介质曲迂度对电渗流速度的影响。

（5）假定房间类型，计算房间负荷，确定翅片组件结构以及计算空调系统cop。

电渗流理论知识

双电层理论

根据界面化学，大多数固体与液体接触时，固体表面会带一定电荷，其源于两种方式：一是自身电离二是吸附溶液中的正离子或负离子。而这种带电界面的存在，会使得界面处的正、负离子进行重新分布。同电荷离子被吸附到固体表面上，异电荷离子则被排斥到远处。离子的吸引与排斥以及无规则的热运动最终在固液表面处形成一个异性电荷浓度高于同性电荷浓度的双电层(Electrical Double Layer )结构。

在双电层结构中，靠近固体表面处的一层为紧密层，也称斯特恩层（stern layer），这一层不流动，其厚度大约为几个水分子大小；另一层为扩散层，也称gouy-chapman层，这一层可以流动，在该层中过剩的异性离子浓度逐渐减少为零。紧密层和扩散层之间的滑动面称为剪切面（stern面），剪切面上的电势为Zeta电势或电势，如图2-1。Zeta电势的大小影响着双电层内的离子浓度、电势分布及电渗流特性，Zeta电势难以直接获取大小，一般通过实验测量得到。从固液表面到stern面，电位线性变化；从stern面到扩散层内，电位按指数衰减。在目前大多数研究中，常以Zeta电势近似代替固液界面的壁面电位。

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