摘要：本文提出了针对能源自持型建筑的两种太阳能溶液除湿空调系统—热泵式和直接式，通过建立系统各部分的数学模型，分别对两种方式溶液除湿机组、室内空调末端和光伏、集热面积进行匹配计算，得出两种方式下空调系统的光伏、集热面积和系统投资。结果表明：处理相同的冷负荷时，热泵式太阳能溶液除湿空调系统所需的光伏、集热总面积较低，为2.34m2/kW，系统投资也较低，为5700元/kW，而且系统形式简单，运行可靠。该种太阳能溶液除湿空调系统形式更适用于能源自持型建筑。
关键词：太阳能空调 溶液除湿 温湿度独立控制系统 设备匹配 零能耗建筑
0引言
太阳能溶液除湿空调系统不仅可以实现温湿度独立控制，而且对于层数较低的建筑可以实现空调能耗的自给自足。目前，太阳能用于溶液除湿空调系统中的方式有光伏发电驱动热泵式溶液除湿空调系统和太阳能直接加热溶液的直接式溶液除湿空调系统两种利用方式。国内外学者对两种方式的溶液除湿做了大量的研究，Lazzarin[1]等提出了一种利用冷凝热加热再生溶液和预热再生空气的热泵溶液除湿机组，刘晓华[2，3]等提出将热泵式溶液除湿与全热回收装置结合的复合式热泵溶液除湿机组，并对机组的性能进行了测试研究。Alizadeh[4]等 提出了一种高效的太阳能集热/再生装置，并对该装置进行了实验研究，张小松[5]等提出了一种新型的太阳能溶液耦合再生系统，并于传统的再生系统进行了对比研究。
以上研究均针对两种方式中的一种进行研究，太阳能热泵式溶液除湿空调系统和直接式溶液除湿空调系统两者之间的优劣尚不明确，本文对用于能源自持型建筑的两种太阳能溶液除湿方式进行对比研究，以期为能源自持型建筑空调的优化设计提供参考。
1.系统原理
图a 热泵式太阳能溶液除湿图 b直接式太阳能溶液除湿
1－再生器；2－全热交换器；3－冷凝器；4－除湿器；5－热交换器；6－蒸发器；7－压缩机；
8－节流阀；9－集热器；10－热交换器；虚线表示制冷剂输送。
图2太阳能溶液除湿再生装置
热泵式和直接式太阳能溶液除湿原理图如图2（a）和图2（b）所示，两种除湿原理和流程分别见文献[6]和文献[7]。两种方式空调系统的消耗的电能均来自于光伏发电系统，不同之处在于热泵式系统利用太阳能的方式为太阳能光电利用，而直接式采用太阳能光电和光热利用两种方式。热泵式溶液除湿的热源和冷源分别来自于除湿热泵的冷凝器和蒸发器，而直接式溶液除湿的再生热源来自于太阳能集热装置，冷源来自于海水。
2.数学模型
2.1除湿再生模型
除湿器和再生器中的溶液和空气热湿交换数学模型采用
模型，文献[7]将叉流除湿、再生的实验结果与该数学模型的数值计算结果进行了比较，结果表明：除湿工况和再生工况最大偏差分别不超过8%和9%。因此，所建立的除湿、再生数学模型是准确的。该模型的微分方程组如下：
质量守恒：
（1）
能量守恒：
（2）
空气侧能量传递方程：
（3）
空气侧质量传递方程：
（4）
刘易斯数：
（5）
传质单元数：
（6）
式中，
、
、分别为空气质量流量，kg/s，溶液质量流量，kg/s，空气含湿量kg/kg﹒干；
为空气含湿量g/kg，
、
分别为热质交换器的高度和长度，m；
为传热传质面积，m2；
为水蒸气的气化潜热，kJ/kg；
为对流传质系数，kg/（m2·s）；
为空气定压热容，J/（kg·K）；
为传热传质面积，m2；下标a表示空气，s表示溶液状态，e表示溶液等效的空气状态。
2.2全热回收器的数学模型
全热回收器可以实现新风和回风的全热交换，该设备的性能可用的焓效率和湿效率两个参数来确定：
（7）
（8）
式中下角标p表示排风，a表示新风。系统采用单级全热回收器，文献[7]给出
和
值分别为57%和50%。
2.3换热器的数学模型
换热效率的计算采用
算法，通过给定所选定的板式换热器的K·A值，来计算换热器的效率：
（9）
（10）
其中NTU为换热器的传质单元数；
为换热效率；Cmax、Cmin分别为大的和小的比热容，kJ/（kg·℃）；K为传热系数，W/（m2·k）；A为传热面积，m2。
2.4制冷系统数学模型
单位容积制冷能力（kW/kg）：
（12）
实际输气量：
（13）
其中
为容积效率
所需制冷量，kW。
制冷剂质量流量（kg/s）：
（14）
冷凝热量（kW）：
（15）
压缩机理论耗功率（kW）：
（16）
压缩机的实际耗功率（kW）：
（17）
、
、
、
分别为指示效率、摩擦效率、传动效率、电动机效率；h1和h2分别为压缩机进口和出口制冷剂的焓值，kJ/kg；h3和h4分别为节流前后制冷剂的焓值，kJ/kg。
本文采用Danfoss公司提供的涡旋压缩机的实验数据对制冷系统数学模型进行验证，压缩机型号为SM160，制冷剂为R22，容积效率0.7，排气量37.69m3/h，过热度11.1℃、过冷度8.3℃。冷凝温度和蒸发温度范围分别为40～65℃、7.5～15℃，模拟值与测试值的压缩机耗功和制冷量偏差均控制在7%以内。
2.2集热器数学模型
1）集热器面积
（18）
直接式太阳能系统集热面积，m2；Q为溶液再生所需的热量，W；JT为集热器采光面上的平均太阳辐射量，Wh/m2；
为集热器年或月平均集热效率，一般取0.25-0.5；
为管路及储水箱的热损失率，一般取0.15-0.3；H为日工作时数，取8h。
2）蓄热水箱
蓄热水箱的容积应考虑建筑负荷和太阳辐射的波动性，本文假定建筑物位于室外温度和湿度日变化不大，建筑负荷波动小的区域。
3.3光伏数学模型
1）光伏面积的估算
（19）
为光伏板面积，m2；Q为光伏系统负载，W；JT为光伏板采光面上的平均太阳辐射量，W·h/m2；
光伏板光电转换效率，取0.17；H为日工作时数，取8h。
3.光伏面积和集热面积
根据直接式溶液除湿系统溶液再生所需热量即可确定集热面积的大小，而光伏面积的大小需要分别计算两种方式下整个空调系统的耗电量。因此需要对系统的溶液除湿再生过程进行耦合计算，进而与室内末端、高温冷水机组等系统主要部件相匹配。
3.1除湿再生参数
热泵式溶液除湿可以控制蒸发温度和冷凝温度使得热泵机组保持较高的cop。与热泵式溶液除湿相比，直接式溶液除湿冷源（海水）温度较高，溶液再生时所需集热器加热的溶液温度也比较高。本文选取海水[8]的取水深度为100m、温度为22℃。设定某能源自持型建筑处于高温高湿度的地域，本建筑所需空调负荷为500KW，热湿比为9000kJ/kg。室内、外空气计算参数为：干球温度分别为26℃、34℃；含湿量分别为11.7g/kg、23g/kg。室内末端采用干风机盘管末端装置，处理的室内回风温度为18℃。在除湿机组送风量和回风量分别为10000m3/h和9000m3/h，两种方式下要满足送风温度分别为30℃、20℃和含湿量为7.5g/kg的条件下，运用Matlab软件对两种方式的除湿和再生过程进行耦合计算，计算结果见表1。
表1 两种模式下除湿系统运行参数
通过除湿与再生过程的耦合关系可以求得所需热源的温度为60.6℃。根据除湿机组运行参数可以得出热泵式溶液除湿系统蒸发温度、冷凝温度和制冷量分别为16℃、57.5℃、113kW。直接式溶液除湿系统所需的冷量和热量分别为85kW和146kW。两种方式的除湿机组制冷量分别为193kW和156kW，机组的除湿量均为55.5g/s。
3.2系统耗电量
空调系统的耗电设备主要包括溶液除湿机组、室内末端和高温冷水机组。本文采用风机盘管加新风的温湿度独立控制空调系统，新风承担全部湿负荷，其空气处理过程如图2所示。室外新风（状态点W）经溶液降温除湿机组处理到W1点，与经过干式风机盘管降温处理的室内回风（状态点N1）混合至O点，然后送入室内。
图2 温湿度独立控制空调系统的空气处理过程
根据两种方式下的W1点和W点的状态参数以及除湿机组处理的新风量，可以得出直接式和热泵式系统除湿机组承担的冷量分别为156kW和193kW，则室内末端承担的冷量分别为344kW和307kW，高温冷水机组cop取7.5，可以得出高温冷水机组能耗。最终计算得出空调系统设计工况下的系统耗电量见表2。
表2 两种方式下的系统耗电量（kW）
从表中可以看出直接式溶液除湿空调系统的耗电量为热泵式溶液除湿空调系统的89%。直接式溶液除湿空调系统虽然采用集热器节约了除湿过程消耗的电能，但抽取海水的能耗较大，总耗电量差别并不明显。
3.3光伏和集热面积
光伏板和集热器主要铺设在屋顶，而建筑屋顶面积有限，单位空调负荷所需的光伏面积和集热面积直接决定了光伏矩阵和集热器在屋顶的占地面积以及建筑层数。根据除湿再生的匹配结果可以得出集热器的集热量为146kW，根据式（18）计算得出所需集热面积为758m2。根据空调系统能耗得出光伏系统负载大小，通过式（19）可以计算得出500kW冷负荷条件下直接式和热泵式所需的光伏面积分别为1047 m2和1172m2。
4系统投资
两种太阳能利用方式的主要设备包括溶液除湿机组、光伏发电系统、集热系统、高温冷水机组、海水取水设备等。光伏系统的总投资可按下式确定[9]：
（20）
式中：W 为光伏电池阵列的面积；C0为光伏电池每平方米价格；A1为蓄电池相对于光伏电池阵列的投资系数，0.15～0.7；A2为控制器、逆变器相对于光伏电池阵列的投资系数，0.15～0.5；A3为支架、电缆等辅助设施相对于光伏电池阵列的投资系数，0.05～0.25；A4为其他费用（施工、运输等）相对于光伏电池阵列的投资系数，0.05～0.15；A 为光伏电池阵列以外的总投资系数，即
，取0.4～1.6。
根据目前光伏板和集热器的市场价格，集热器和光伏板分别按照476元/m2和945元/m2。集热水箱和集热附件价格为4000～6000元。两种方式下系统主要部件的初投资计算结果见表3。
表3 两种方式下主要设备的投资（万元）
5结论
本文以实现建筑空调能源自给自足为目标，以500kW空调负荷为模块，通过对除湿机组的模拟计算，以及除湿系统、光伏系统、集热系统和室内末端的匹配优化。对太阳能在溶液除湿系统中热泵式利用和直接式利用方式进行对比分析，得出以下结论：
（1）处理相同的空调负荷，热泵式太阳能比直接式太阳能利用光伏、光热总面积小。热泵式与直接式太阳能溶液除湿系统单位负荷所需光伏板和集热器面积之和分别为3.61m2/kW和2.34m2/kW。采用热泵式具有较高的一次能源利用率。
（2）处理相同的空调负荷，热泵式比直接式投资小。热泵式和直接式太阳能溶液除湿系统处理单位负荷所需的初投资分别为5700元/kW，6560元/kW。
（3）从系统运行角度分析，直接式需要光伏和光热两套系统同时运行，控制复杂且运行维护费用较高。热泵式太阳能比直接式太阳能更适用于能源自持型建筑。
参考文献：
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[3]刘晓华，李震，江亿. 溶液全热回收装置与热泵系统结合的新风机组. 暖通空调，2004，34（11）：98-102.
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[8]胡亚峰，董瑞芬. 太阳能辅助海水源热泵空调系统联合运行方式初探[J]. 科技信息，2009（31）.
[9]李安定. 太阳能光伏发电系统工程[M]. 北京：工业大学出版社，2001.
作者简介：谭晓君（1986-），湖北恩施人，硕士，工程师，研究方向：暖通空调设计。
论文作者:谭晓君
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
标签：溶液论文; 太阳能论文; 光伏论文; 两种论文; 系统论文; 热泵论文; 分别为论文; 《基层建设》2019年第17期论文;