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除湿冷却系统-单玻璃空气与光伏光热混合型太阳能集热器在热湿环境下应用能源经济评估
摘要
本文介绍了配备了单釉面空气和混合光伏/热（PV / T）集热器的冷却除湿空调系统（DEC），在热湿环境下应用时，对其源能性和经济性的详细分。利用太阳能混合集热器进行太阳能热电联产，可同时生产电能和热能，可直接用于干燥剂空气处理装置，因此十分节能。目前的工作显示了一套干燥剂冷却系统在没有任何储热情况下的详细模拟结果。
系统性能通过逐时模拟不同的系统和负荷组合进行研究。除湿冷却系统的三个配置需要被考虑：标准DEC，单集成热泵除湿冷却空调系统和单焓轮DEC。考虑了两种建筑:办公室和演讲厅。此外，还考虑了配备干燥轮的太阳能辅助空气处理装置(AHU)的三种配置，并与标准的AHU进行了比较，重点是可实现的一次节能。
摘要介绍了太阳能集热器面积与不同系统配置的建筑功能的一次能源消耗之间的关系。对于两种建筑模式的不同的太阳能集热器区域进行系统性能敏感度分析。此外，这项工作还对系统进行了经济评估。在有和没有太阳能冷却系统的公共激励措施条件下计算了节约能源的成本和投资回收期。值得注意的是，在许多欧洲国家，使用光伏电池技术，以及利用相关的激励措施，可能会对太阳能空气冷却技术的普及产生积极的影响。这项工作的结果是，装有PV / T集热器的SAC系统在比蒸汽压缩式制冷机和光伏电池供电的传统系统的一次节能方面具有更好的性能。
所有SAC系统都为一次能源消耗提供了良好的指标。在装配集成热泵和小型太阳能集热器的系统中能耗指标最好。这些SAC系统在当前设备成本和能源价格方面的经济性是可以接受的，在公共投资成本高达30%（简单投资回报时间从5至10年）和能源价格翻倍的情况下，它们变得更加令人关注。
一 介绍
热驱动的空调过程被称为干燥剂开放循环，通常是基于吸附除湿和蒸发冷却的组合。“开放”一词用于表示冷却系统在提供冷却效果后，将制冷剂（水）从系统中排出，新制冷剂取代其位置的循环供应。这被称为“干燥剂冷却”或“干燥剂和蒸发冷却”（DEC）。一般来说，必须提供再生热，以便从干燥剂中除去吸附的水。所需的热量是在相对较低的温度，在50 - 100 C的范围内，这取决于干燥剂材料和除湿程度。因此，与热太阳能耦合特别合适。此外，考虑到由于电冷水机组造成的午后耗电高峰，从需求方面考虑，太阳能冷却的想法是耐人寻味的：至少在很大程度上，冷却需求与太阳辐射的可用性是同等重要的。因此，几十年来一直想通过吸收系统进行太阳能制冷（帕帕佐普洛斯等人，2003）。Henning（2007）概述了截至到2005年欧洲对太阳能空调的研究概述。马泽伊等人介绍了HVAC除湿系统的热舒适性的理论性和批判性的评论，包括固体吸附式循环（马泽伊et al.，2005）。
然而，尽管需求紧迫，目前仍然没有形成具有成本竞争力的系统来广泛运用。Tsoutsos等人发表了对太阳能制冷技术的经济可行性研究（tsoutsos et al.，2003）只能通过集热器，冷水机组，空气处理机组和控制系统的创新设计实现向前的一步发展（Mendes和Collares Pereira，1999）。无论是出于经济还是环境的原因，将冬季采暖考虑到太阳能冷却应用中都很重要。（LAMP和Ziegler，1998）。
对几个太阳能除湿冷却系统（DEC）监测的调查和结果主要受IEA任务25“建筑太阳能空调”的启发（Henning，2004, 2007；balaras et al.，2007），强调了一些可以影响其性能的关键因素。太阳能除湿系统的电力辅机能耗通常是高于传统的空气处理机组（AHU）因为该过程需要更多的组件（除湿轮，空气集热器，蒸发冷却设备）（Henning，2007；balaras et al.，2007；mavroudaki et al.，2002）。
在大多数情况下，风扇和辅助设备的耗电量增加会降低一次节能潜力。在指定的负荷和气候条件下配置的空调和控制策略实施会显著影响主要能量平衡。此外，太阳能除湿系统提出了在炎热和潮湿的气候下一些技术上的局限性，主要是由于转轮处理的较高的潜热负荷和蒸发冷却的降低（Henning，2007）。为了满足这些条件，可以实施空气处理的特定顺序。
本文采用逐时模拟方法研究了地中海地区不同气候条件下的除湿系统的性能。考虑了冷却和加热操作以考虑能量性能，并和传统的AHU相比较。所有用于分析的DEC系统都配备了太阳能空气集热器，因此它们没有能量储存。
在欧洲有这种类型的系统的几个例子（Henning et al.，2004；Henning，2007；布泰拉et al.，2007），其中一些是不使用任何备用装置的。虽然可以节省大量的能源，但从其它研究中得到的数据突出表明了无法满足夏季负荷的问题是因为缺少一个冷却备用设备和单级过程中有限的除湿能力。（Henning，2007；马泽伊et al.，2005；beccali等人，2005）。有些系统使用混合光伏/热集热器，即太阳能电池集热器，太阳能电池嵌入在玻璃表面。许多产品显示了混合式集热器的性能，这些产品都可以在市场上买到。（Hegazy Adel，2000；阿斯特et al.，2003, 2008；beccali et al.，2005b，2006；拉扎洛夫等人，2005；MEIA et al.，2006；Charalambous et al.，2006；tonui和Tripanagnostopoulos，A，B）。已经进行了几项研究来改进集热器的热电性能（Tripanagnostopoulos等，2002；Zakharchenko等，2004）。
许多监测结果证实了控制策略的重要性，这强烈地影响系统的整体性能（Henning等，2004；Henning，2007；balaras et al.，2007；MEIA et al.，2006）。因此，一个基于短时间步长的系统动态模拟，对测试不同的控制策略，设定值，参数阈值，在一般情况下内核中的输入输出流量是有用的。
太阳能冷却研究的另一个悬而未决的问题是，使用太阳能光伏发电来驱动传统的蒸汽压缩式制冷机是否比利用太阳能热系统来驱动热驱动冷却过程和机器更有效。本文的目的是相对于传统的部分或完全由PV驱动的过程，提供DEC开式冷却循环的更多的信息。这是因为光伏系统存在公共激励制度的影响，如果考虑到经济因素，结果可能会改变。由于盈利能力和相对较短的回报时间，结果可能会非常有趣。与传统的空调系统相比，吸收设备仍然非常昂贵，而且在标准应用中没有竞争力。
二 命名
2.1目标建筑综述
论文中所有分析都是针对位于意大利帕勒莫的参考室进行的，该参考室装备是能控制温度和湿度的全空气系统。室外最高与最低季节温度分别是夏季35.7℃，冬季5℃分别为（见图1）。夏季湿度比在24 g/kg，地表太阳辐射是1664 KWh/m2（参见图2），冬季度日数为700。
图1 巴勒莫地区的环境温度和湿度比 图2月地表总辐射–Meteonorm巴勒莫站点的Meteonorm数据。
空调房间总面积为107平方米，内部空气量约为451立方米。外表面的屋顶（U = 1.39 W/m2K），两墙（U = 1.42 W/m2K）面对西北和东南。玻璃为装在铝架的双层玻璃（整体开窗U = 3.2 W/m2K）。它们面向东南，占大楼总外部面积的10%。釉面表面无遮阳装置。所有相邻的空间只在冬季使用。
有两种不同的使用方式，一个为10人的办公室，一个为60人的报告厅。由人工照明和其他设备产生的内部得热已按不同用途房间的标准值考虑，空气交换率是根据意大利标准UNI 10375定义：分别是办公室11公升/秒/人和教室9公升/秒（0.9和4.3 h-1）。峰值负荷和每年的能源需求都是通过模拟TRNSYS平台56型号来计算的（贝克曼，2001）办公室通风换气流量为500kg/h，教室2500kg/h。室内环境温度设定在夏季运行模式下为26℃，冬季为20℃，全年相对湿度为50%。
不平衡的空气变化值引起了热负荷的显著变化，如图3所示。高湿度的室外空气和人员数量的增加导致在讲堂里潜热负荷变高，甚至比显热负荷更高（mavroudaki et al.，2002）。相比之下，较小的空气变化率和太阳辐射增益会导致办公室的的结果相反。特定的气候条件、建筑类型和房间使用方式导致每年用于制冷的能源需求量比取暖要高得多
图4报告了制冷和供暖的年度能源需求。
图3 在教室和办公室里加热和冷却特定的峰值负荷 图4教室和办公室的年能源需求量。
2.2系统研究
这项工作的主要任务是比较配置不同太阳能DEC系统装配单层玻璃空气和/或光伏/太阳能集热器时的一次节能潜力（Tripanagnostopoulos et al.，2002；阿斯特et al.，2003；MEIA et al.，2006；beccali等人，2005年，2006）。与双层玻璃技术相比，单层玻璃PV/t集热器的选择与更高的电效率有关，而双层玻璃技术有更好的热性能。其目的是提供与DEC系统相结合的多种太阳能开发选项，包括具有良好热效率的集热器（标准空气集热器）和具有良好电效率的集热器（PV / T）。在接下来的段落中提出的能源分析主要集中在这两个“机会”上。为评估不同的太阳能领域的每个配置的性能，利用TRNSYS平台在参考室进行HVAC系统模拟。考虑了太阳能除湿冷却系统的三种主要配置：
DEC标准循环（以冷水机组作为备用系统）
附加焓回收的DEC循环
通过集成热泵实现热回收的DEC循环
所有三个系统都在全空气中工作。根据季节运行和特定负荷条件，空气流量是可变的。在通风和加热过程中使用的最小值为1500kg/h。制冷模式下办公室的最大流速为4000kg/h，教室使用为5000kg/h。假定太阳能集热器内的空气流量等于供给侧的空气流量，因此再生和供给侧的流量比等于1。
考虑了三种太阳能集热器与除湿单元的耦合：
只有标准空气集热器。
混合PV／t和标准空气集热器。
混合型太阳能光伏集热器。
对空气处理机组的大小只与房间占用方式，需要的新鲜的空气相关。在调查的第一步，太阳能集热器面积和供应空气流量之间的比例被设定为10平方米供应1000kg/h新风，办公室和教室的太阳能集热器面积分别为40和50平方米。
在连续灵敏度分析中，将其他太阳能集热区与相同的干燥剂单元相结合。
混合PV／T集热器的一个关键参数是填充因子（PF）。100%的PF意味着光伏电池覆盖了混合集热器的整个釉面区域。较低的值表示嵌入光伏电池的釉面面积百分比，如图5所示。25℃混合光伏/ T 集热器电力生产的整体效率设为为12.7%，根据其他作者所作的调查结果（Tripanagnostopoulos等，2002）。
图5太阳能空气和混合集热器
根据以前的调查，据估计，由于光伏电池下方的循环空气导致电气环境改善，估计混合光伏电池的性能大约比在传统的光伏性能高10%。显然，较高的PFS会导致更多的发电和较低的热量产生。第一个考虑的太阳能除湿系统如图6所示。它是一个标准的DEC循环，配有电蒸汽压缩制冷机和一个燃气锅炉作为备用能源。
图6 以冷水机组为后备能源的太阳能标准除湿冷却系统的夏季运行
在夏季运行中，该系统通过除湿转轮和间接蒸发冷却工艺对供给空气进行显式冷却，从而对外部空气进行除湿。进一步的冷却可以通过绝热加湿来实现。除湿轮是由太阳能空气集热器产生的热量再生的。显热交换器回流空气的出口与太阳能集热器相连以利用绝对湿度较低和相对外界空气更高的温度的气体。如果没有满足进口条件，则启动辅助冷却盘管。用于太阳能除湿系统模拟的冷源是一台标称COP为2.5的制冷机。该循环在图7中也被描述，假设为全运转模式。
图7 在T–x图上太阳能标准除湿冷却空调系统夏季运行（模式 3）
安装在冷却盘管下游的加热盘管仅在冬季运行时用作备用加热器。它是由天然气锅炉产生的热水供给的。在正常制热运行时，机组的风门处于打开位置，允许太阳能集热器的空气直接进入大楼。
在供应空气过热的情况下，气流可以部分地与外部空气混合。为了使房间有新鲜的空气通风，在冬季循环中需要在感热交换器的出口和空气集热器的入口之间加入一个风门。图8说明了冬季运行周期。
图8 在T–x图上太阳能标准除湿冷却空调系统冬季运行（模式 2）
所有标准DEC系统都按照表1中描述的控制策略进行控制。如果空调空间中的温度和相对湿度值在所期望的范围内，则运行模式不会改变。如果温度或相对湿度超出范围，运行模式将被设定为下一步以增加AHU功率。从一种操作模式向另一种操作模式的转换发生在每个迭代周期的开始。在设定点周围的死区为0.5℃，相对湿度为5%。
在冷却季节，三种运行方式是正常的。该系统在通风模式下开始，在那里不进行主动空气处理，但只有风扇接通（模式0）。在模式1，只通过一个热回收轮和装在回风侧的加湿装置进行间接蒸发冷却。 在模式2，太阳能除湿冷却周期是通过太阳能集热器的，转轮，供应加湿，在第二配置中的焓轮等方式来进行的。在模式3中，辅助备用系统在低太阳辐射情况下接通冷却负荷。
在加热季节，第一种操作模式（1）允许热回收和太阳能加热，而在模式（2）中，辅助备用系统被激活。
第二个配置方式考虑使用附加热交换器而与第一种方式不同。特别是，安装一个旋转式全热换热器实现供应空气的预除湿预冷却（马泽伊et al.，2005）。在遵循“典型”路径之前，返回空气直接被吸入焓轮。
如果不能达到供应入口条件，则可以启动与冷水机组相连的辅助冷却盘管。
这种解决方案
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