混合式太阳能光伏-热能旋转干燥剂空调系统性能的仿真与实验研究

针对高湿高温沿海地区空调需求，本研究开发并验证了光伏-热联合旋转除湿空调系统（PV-T-RDAC）。通过太阳能直接加热再生空气，回收制冷系统废热预热再生风，实现电能与热能协同利用。实验与模拟表明，当外循环空气比达50%时系统COP达4.73，SMER为1.63 kg/kWh，ECMC为0.07 kWh/(kg·kW)，高温高湿条件下COP提升至5.62，SMER达2.15 kg/kWh，同时维持26℃室内温湿度。系统有效整合太阳能光电与热能利用，在提升除湿效率的同时降低能耗，为热带地区低碳建筑能源系统提供新路径。

　　

作者：严敏丽、陈颖雅、高月芬、梁永祥

华北电力大学电力工程学院，中国河北省保定市071003

摘要

为了解决太阳能资源丰富的沿海地区对冷却和除湿的巨大需求，本研究开发并验证了一种混合式太阳能光伏-热旋转吸附剂空调（PV-T-RDAC）系统。其核心创新在于直接利用可再生能源为再生空气加热，从而驱动吸附剂的再生过程，并显著降低传统能源消耗。该系统模型已在TRNSYS中建立并进行仿真验证。实验结果表明：（1）关键瞬时性能参数（湿度差、冷却能力和冷却水热回收率）随着再生温度和室外空气比例的提高而显著提升；（2）当室外空气比例为50%时，系统表现出最佳性能，性能系数（COP）为4.73，单位水分提取率（SMER）为1.63 kg/kWh，单位冷却能力下的能耗（ECMC）为0.07 kWh/(kg·kW)；（3）该系统具有优异的适应性，在高温高湿条件下仍能保持室内温度约26°C和相对湿度34%的稳定状态，确保了热湿舒适性。总之，PV-T-RDAC系统有效整合了太阳能利用、高效除湿和室内环境控制技术，展现出显著的节能潜力及广阔的应用前景，为太阳能资源丰富的地区提供了低碳建筑能源系统的可行方案。

引言

在全球气候变暖和能源危机的双重压力下，沿海地区面临着前所未有的温度和湿度控制挑战。这些地区由于地理位置和气候条件的独特性，全年都处于高温高湿环境中。夏季时，强烈的太阳辐射与高湿度共同对传统空调系统提出了严峻考验，导致能耗过高且无法充分满足人体舒适度要求。

针对这一挑战，混合式太阳能光伏-热旋转吸附剂空调（PV-T-RDAC）系统应运而生，它结合了光伏发电系统和太阳能热系统，为旋转吸附剂除湿系统提供再生热能。此外，制冷系统产生的冷却废热也被高效回收用于预热再生空气，显著提升了整体能源效率和可再生能源利用率。

近年来，利用太阳能为空调系统供电成为减少对传统电网依赖和降低碳排放的关键研究方向。研究表明，光伏电力可直接驱动空调压缩机或通过电池储能供电。例如，Zayed等人和Ayadi等人的研究验证了光伏驱动的热电冷却器和传统压缩空调系统的可行性；Rebelo等人的实地研究表明，在巴西特雷西纳等高辐射地区，光伏空调系统的能耗为342 kWh/30天，与传统系统相当，并具有更好的运行经济性。Ye等人开发的光伏直驱系统通过最小化能量转换损失进一步提高了能源利用效率。然而，光伏驱动空调系统主要通过电能替代实现节能，在炎热潮湿气候条件下调节室内湿度的能力有限。同时，由于这些系统主要侧重于光伏发电，未能有效利用与太阳辐射相关的低品位热能，限制了系统整体能源效率的进一步提升。

为了解决光伏驱动空调系统在高温高湿环境下的性能限制，太阳能辅助的旋转吸附剂空调系统因其在降低能耗的同时提升除湿效果而受到关注。研究表明，利用太阳能或光伏-热（PV/T）系统为吸附剂轮提供再生热能可显著减少辅助加热需求并提升系统性能。Chaudhary等人提出的太阳能辅助旋转吸附剂和Maisotsenko循环集成空调系统（SDI-MC）解决了传统蒸汽压缩空调系统中制冷剂的局限性，并对其进行了年度性能分析，评估了平板集热器、抛物槽集热器和真空管集热器在吸附剂再生过程中的适用性。

然而，现有研究主要集中在系统可行性验证或单一性能指标的提升上，太阳能的利用通常仅限于提供再生热能。在系统集成层面，现有研究往往将太阳能热系统作为主要研究对象，侧重于再生热供应方法及其运行参数的分析，缺乏从整体系统角度探讨光伏发电、太阳能热利用、冷却除湿需求及废热回收之间的多能源协同作用。这一限制阻碍了此类系统在复杂建筑运行条件下的全面优化。

随着分布式可再生能源的普及和建筑能源电气化趋势的增强，研究逐渐关注PV-T集成暖通空调（HVAC）系统在“建筑-电网协同”方面的潜力。研究表明，协调BIPV/T系统的电热输出与建筑运行策略可有效降低峰值电力需求并提升建筑能源灵活性指数（BEFI）。在运行控制层面，模型预测控制（MPC）被用于优化PV-T系统的运行，以提高电热利用效率和系统稳定性。此外，将HVAC系统视为关键灵活资源的研究日益增多，通过分层控制和优化调度实现需求响应与运行效率的平衡。利用分时（TOU）电价和数据驱动方法对HVAC系统的动态响应特性进行定量分析表明，考虑到光伏发电的不确定性，可有效提升系统的调节能力。数字孪生技术的应用进一步推动了“光伏/储能-HVAC协同控制”框架的发展。

然而，现有研究主要集中在电气调节、通风预热或系统运行优化方面，对高温高湿地区除湿再生需求与冷却过程之间的耦合关系关注不足。

在建筑规模PV-T集成空调系统研究中，现有工作大多集中在能量平衡分析或单一性能指标优化上，缺乏对高温高湿条件下“再生热供应、冷却过程和废热回收”多能源级联机制的系统性分析。系统级实验验证也相对有限，电热能源的协同利用特性尚未得到充分揭示。

因此，有必要针对高温高湿地区开发专门的PV-T-RDAC系统。该系统通过电热级联利用和冷凝器废热回收，实现温度和湿度的协同控制及高效多能源利用。本研究从系统集成和多能源耦合机制出发，分析了再生热供应方法与冷却/除湿过程之间的匹配关系，评估了系统在高温高湿条件下的综合运行性能，为热湿地区的高效空调系统设计提供了理论基础，同时探索了基于太阳能的低碳建筑能源供应新路径。

系统工作原理

混合式PV-T-RDAC系统由四个核心子系统组成：光伏系统、太阳能热系统、旋转吸附剂除湿系统和制冷系统，如图1所示。

为简化仿真并确保数值稳定性，采用了以下建模假设，见表1。

光伏系统为系统运行提供所有所需电能，包括吸附剂轮、风扇、泵等耗电组件。

仿真描述

本研究聚焦于混合式PV-T-RDAC系统，探讨了影响再生温度动态的关键因素，并分析了再生温度与室外空气比例对系统性能的耦合效应。通过仿真分析，揭示了关键参数之间的内在关系，为系统优化和能源效率提升提供了理论基础。

系统采用TRNSYS建模，整合了太阳能等关键组件。

仿真与实验结果验证

相对误差表示仿真结果与实验数据的偏差比例，通过预测值与测量值之间的标准化差异来量化模型准确性。计算公式如下：

$\mathrm{RE}=\frac{X_{\text{sim}}-X_{\exp }}{X_{\exp }}·100\%$

其中，RE为相对误差；X_sim为模型预测值；X_exp为实验测量值。

为验证模型准确性，使用TRNSYS在实际气象条件下进行了动态仿真。

结论

本研究通过仿真和实验相结合的方法，系统研究了混合式PV-T-RDAC系统的运行特性、节能潜力和气候适应性。主要结论如下：

• 关键瞬时性能参数（湿度差、冷却能力和冷却水热回收率）与再生温度和室外空气比例呈正相关，从而提升了系统性能。

作者贡献声明

严敏丽：撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、数据分析、概念构思。陈颖雅：可视化处理、验证、数据分析、形式化分析。高月芬：验证、形式化分析、概念构思。梁永祥：软件开发、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金项目（52206246）、河北省自然科学基金（E2023502104）和中央高校基本科研业务费（2024MS144）的支持。