摘 要 生态建筑追求节能、清洁、健康和可持续发展。针对生态建筑的这些要求，本文提出一种将太阳能热泵系统、水蓄能、液体除湿系统进行集成的方案，可以合理地利用并节约能源进行冬季采暖、夏季空调以及全年供应热水。
 
关键词 生态建筑，太阳能，热泵，液体除湿，节能
 
0 引言
 
长期以来，人类使用的能源一直是以石油、天然气和煤等化石燃料为主，这些能源是地球经过千百万年储存在地层中的，属于不可再生能源。自上个世纪70 年代出现能源危机以来，人们越来越重视可持续性的发展，开始了对可再生能源的开发和利用。
 
太阳能是一种丰富的可再生清洁能源，近年来越来越受重视。我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ （相当于24000 亿吨标准煤），全国各地太阳年辐射总量达335～837 kJ . cm-2. a-1，中值为586 kJ . cm-2 .a-1 因此，我国具有良好的利用太阳能的条件，应大力开发太阳能资源。
 
建筑能耗在人类总能耗中占有很大比重，达到30～50％。所以，建筑节能对于可持续发展意义重大。近年来出现的“生态建筑”，给拯救、保护人类自身健康和周围环境带来了厚望。生态建筑追求节能、清洁、健康和可持续发展，在建筑中大力推广应用太阳能与生态建筑自身所追求的理念是相一致的。
 
太阳能在建筑中的应用包含两大方面。其一是太阳能热应用：用太阳辐射加热水，以供给建筑生活热水、取暖或制冷；另一方面太阳能光伏发电（PV）系统：将太阳辐射直接转化为电能，为建筑提供环保的能源。由于目前太阳能电池价格较高，光伏发电技术在建筑物中还难以普遍推广。根据中国的实际情况，在国内建筑物中推广太阳能热利用技术，是能够大力促进建筑节能的。
 
我国太阳能热利用近年来发展迅速，太阳热水器已经走向千家万户，全国已经形成了近100亿元左右的年销售额。然而目前在热利用方面尚有不少局限，体现在：
1) 尚无真正的太阳能采暖空调和热水供应集成系统；
2) 太阳能空调制冷尚未在产业化突破；
3) 太阳能热水及水源热泵综合集成系统尚未发展。
 
本文在介绍现有太阳能热泵空调及热水系统的基础上，提出了进一步集成液体除湿系统的构想，构成适于在气候湿热地区的生态建筑使用的太阳能除湿热泵系统，为生态建筑节能提供一种新的思路。
 
2 太阳能热泵空调及热水系统
 
上海交通大学太阳能发电及制冷教育部工程研究中心设计和建造了一套直膨式太阳能热泵空调及热水系统（所谓“直膨式”，是指制冷剂的蒸发过程与太阳能的集热过程在同一系统内--太阳能集热器--进行）。
 
该系统基于蒸汽压缩式制冷/热泵循环原理，直接利用周围环境中的冷/热源（太阳辐射能为主，空气源为辅），通过制冷/热泵循环保证建筑物的冬季采暖、夏季空调和全年生活热水供应。
 
在阴雨天或太阳辐射相对不足的情况下，可通过与太阳能集热器并联的室外风机盘管换热器与室外空气换热、利用空气作为热泵热源，保证了冬季采暖的连续性和稳定性；在夏季蓄冷工况下，太阳能集热/蒸发器又作为夜间辐射散热/冷凝器使用，热泵系统利用深夜“谷电”制取冷水并进行蓄冷运行，以满足次日空调负荷的需要，不仅提高了设备利用率、满足了建筑多种用能需求，而且有利于城市电力使用的“移峰填谷”，促进合理用电。
 
下文将该系统分为两部分介绍：
 
1.1 太阳能热泵
 
太阳能热泵将太阳能热利用技术与热泵技术有机地结合了起来，可同时提高太阳能集热器和热泵机组的热力性能，它主要由太阳能集热/蒸发器、压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、储热水箱等部件组成，如图1“太阳能热泵部分”所示。
 
晴天，经热力膨胀阀节流后的低温低压制冷剂首先流入太阳能集热/蒸发器中，通过吸收太阳能热量而蒸发，蒸发后的制冷剂被压缩机吸入并压缩成高温高压的气体，然后被排入冷凝器中，制冷剂蒸汽与通过冷凝器的冷却水进行换热而得到冷凝，同时，水得热升温，流入热水箱或蓄热水箱，冷凝后的制冷剂经热力膨胀阀又重新流入太阳能集热/蒸发器中，由此完成一次循环；阴天或夜间，太阳能集热/蒸发器也可以通过吸收大气中的显热和潜热来维持正常的热泵循环，从而可以全天候地生产热水。
 
直膨式太阳能热泵系统，使得集热器的工作温度与制冷剂的蒸发温度始终保持一致，并接近环境温度，实验研究和理论分析均表明，太阳能热利用技术与热泵技术的结合，不仅可以提高太阳能集热器的集热效率，而且可以有效提高热泵机组的COP。例如，据文献报道，在新加坡的气候条件下，一种太阳能热泵热水器的集热效率达到40%～75%，热泵COP 达到4～9，热水温度从30℃升到55℃。经实验验证，本系统的集热器效率一般可达60％～80％，热泵COP 一般可超过3。
 
该系统的太阳能集热器采用易于与建筑结构实现一体化集成的、廉价的平板型太阳能集热/蒸发器。吸热体可采用铜铝复合焊接板或全铝热压吹胀板，顶部无盖板，底部及四周加以适当保温，表面喷涂光谱吸收性材料，管路承压要求在15～20 kgf/cm2 以上。由于该太阳能集热/蒸发器结构简单、质轻体薄，所以易于倾斜安装在屋顶之上或垂直挂装在南向外墙壁上，特别适合于多层或高层建筑。
 
该系统并联安装了太阳能集热/蒸发器和室外风机盘管换热器，在晴天可以利用太阳能生产热水，而在阴雨天或夜间又可利用大气中的显热和潜热作为热泵的低温热源，从而实现全天候运行。例如，澳大利亚的Morrison 等人对一种太阳能热泵热水器进行了24 小时运行测试，结果表明，热泵COP 在2.4～3 之间变化。
 
因此，太阳能热利用技术与热泵技术有机结合的太阳能热泵系统，可以节约大量用于生产低温热水的优质能源（如电能），实现能源的合理利用和可持续发展，同时缓解由于化石燃料的消耗而造成的环境污染问题。这种系统将是为生态建筑提供冬季采暖、夏季空调和全年生活热水的有效模式。
 
1.2 水蓄能
 
该系统采用闭式承压蓄能水箱进行蓄冷/热，水箱内布置高效的铜管换热器，管内为制冷剂通路，通过自然对流和导热与水进行换热。热泵系统通过水箱的蓄能，夏季实现空调蓄冷，冬季实现采暖蓄热。
 
夏季空调工况下，热泵机组在夜间制备冷水,并将其储存到蓄冷水箱中，白天供空调系统使用。升温后的水返回水箱，第二天晚间再被制冷而循环使用。采用这种蓄冷方式有以下特点：
 
1) 蓄冷系统简单，能直接与常规空调系统相匹配，系统设计简单；
2) 运行温度比冰蓄冷高，制冷机性能系数高，电耗小；
3) 制冷机在夜间运行时，以太阳能集热器或者室外风机盘管换热器作为冷凝器，其散热效果都好，运行效率高，节能省电；
4) 蓄能水箱要注意保温和合理设计，防止槽内供水和回水短路、混合，造成能量损失。
 
冬季采暖工况下，热泵机组利用太阳能或者空气作为热源，在较高蒸发温度下高效制取热水并将之储存在水箱中，供给地板辐射盘管或者风机盘管等室内采暖末端设备。
这种水蓄能式热泵系统具有蓄冷/热、移峰填谷、比常规空调系统适应性好的特点，是一种较经济的空调方式。
 
2 液体除湿
 
除湿技术作为有效的建筑节能手段之一，日渐引起了重视和研究。
 
空气中的水分能被具有强烈吸湿性的除湿剂吸收，再将干燥后的空气进行蒸发冷却即可实现降温。除湿系统主要由除湿部分和再生部分组成。
 
除湿技术与传统制冷机相结合，可以组成“热、湿分担”型空调，即将空气的湿负荷和热负荷分开处理，通过除湿器对空气的湿度进行完全处理和控制，制冷机产生的冷量仅用于降低空气的温度而不再负责除湿，因此可以大幅度的提高制冷机蒸发器的温度，进而使制冷机的性能系数得到显著提高，同时也消除了传统空调方式中因“先冷后热”过程造成的能源浪费。另外，采用热湿分担的处理方式，空调过程无凝水出现，这就从根本上解决了传统空调箱中时常存在的霉菌污染空调空气的难题。由此可见，在空调过程中应用除湿技术，既节能，又提高了空气品质。
 
按照所用除湿剂的种类不同，除湿可分为固体除湿和液体除湿。液体除湿系统（LDS）与固体除湿系统(SDS)相比，有许多独到的优点：
 
1) 系统尺寸相对较小，设计灵活多样；
2) 为保证连续运行，蓄能对于太阳能除湿空调系统至关重要，对于LDS，能量在除湿溶液中以化学能的形式而不是以热能的形式存在，其蓄能潜力很大（可以达到1000MJ/m3），而且在一般存储条件下不会发生耗散，蓄能稳定，这是SDS 无法比拟的；
3) LDS 和SDS 都适用于以太阳能为主要供能的空调系统，不过除湿溶液的再生温度比固体除湿剂的更低，能够在低于80℃的温度条件下再生，因此在目前普通太阳能集热器的技术水平下（热水温度在80℃～90℃左右），LDS 能更好的发挥其效能；
4) 作为除湿剂的盐水溶液具有一定杀菌作用，利于提高室内空气品质。
 
太阳能液体除湿具有节能、清洁、易操作、处理空气量大和除湿溶液再生温度低等优点，因此它在建筑节能和提高空调空气品质方面的应用方面具有很好的发展前景。
 
2.1 除湿溶液
 
已经被学者们研究并达到实用程度的除湿溶液有三甘醇以及溴化锂（LiBr） 、氯化钙（CaCl2）和氯化锂（LiCl）等卤素金属盐溶液。它们的特点是具有强烈的吸湿性，能在50 ℃～80 ℃的较低温度下有效再生，适合于利用太阳能、余热等低品质热源驱动。
 
溴化锂溶液是性能优良的除湿溶液，但是价格较高。氯化钙溶液价格低廉，而且再生温度低，是一种比较经济的除湿溶液。另外，通过两种或多种除湿溶液相混合，还可以配制出满足系统要求的高性价比除湿溶液。
 
2.2 除湿器
 
目前所应用的除湿器的结构型式多种多样，但根据其在除湿过程中冷却与否可以将其分为两类。一类是绝热型；一类是内冷型。
 
早期的研究主要集中在填料喷淋塔式除湿器（绝热型）上，因为它具有结构简单和比表面积大等优点；但由于除湿溶液的绝热吸湿升温，使其除湿效率不能令人满意。20世纪90年代以来，内冷型除湿器受到了人们的普遍关注。内冷型除湿器采用冷水盘管或冷却空气(都不与除湿溶液直接接触) 将除湿过程释放出的潜热带出。由于抑制了除湿溶液的温升，使溶液始终能保持较低的水蒸气压，有利于吸收空气中的水蒸气。
 
内冷型除湿器比绝热型除湿器性能优越，但是内冷型除湿器需要增加额外的冷却水循环系统，会增加系统的复杂性和投资，鉴于此，可采用空气（一般可采用室内排风）作为除湿器的冷却介质。除湿过程采用空气冷却方式，可以带走部分潜热，有助于提高除湿器的除湿效率。相关研究表明，内冷型除湿器更适合于太阳能液体除湿热泵系统。
 
2.3 再生
 
由于太阳能液体除湿系统采用太阳能等低温热源作为其主要供能，而且除湿溶液可以循环反复使用，因此它的运行成本是低廉的。就再生而言，为了能最大限度的发挥系统的效能，用溶液直接接受太阳能辐照应该是首选，但是，这样的话，系统的一次投资是比较大的。
 
为降低建造成本，可以考虑把除湿系统和现有的太阳能集热设备结合起来。这样对于用户来说，既能把现有的技术成熟、已经商品化的太阳能集热器作为日常的热水设备，又可以很方便的用它来驱动太阳能液体除湿空调系统。一种最简单的结合方式就是用热交换器来实现把太阳能集热器热水的热量传递给液体除湿空调系统。
 
3 系统集成的构想
 
基于上文所述液体除湿的特点，作者考虑，可将液体除湿和现有的太阳能热泵空调及热水系统进行集成，实现建筑节能的优化组合。
 
集成后的太阳能除湿热泵系统主要由太阳能热泵部分、蓄能部分、液体除湿部分和室内空调末端部分组成，其流程示意图如图1：
3.1 太阳能热泵部分
 
本部分由太阳能集热/蒸发器、四通换向阀、气液分离器、变频压缩机、冷凝盘管、生活热水箱、板式换热器、储液器、干燥过滤器、膨胀阀、室外风机盘管换热器以及制冷管路和阀件等组成。
 
太阳能集热/蒸发器的出口经四通换向阀、气液分离器与变频压缩机的吸气口相连，变频压缩机的排气口与冷凝盘管的进气口连接，冷凝盘管的出口经四通换向阀与板式换热器的进口连接，板式换热器的出液口与储液器相连，然后分别经干燥过滤器、膨胀阀与集热/蒸发器的进液口相连，从而形成制冷剂的闭合循环通道。其中，冷凝盘管布置在生活热水箱中，用于生产生活热水(40~60℃)，冷凝盘管设有旁通管路，管路上采用电磁阀进行通断控制，从而选择是否使用生活热水箱。而板式换热器则通过与循环水换热制取冷水或热水，供给蓄冷或蓄热水箱，并且蓄冷/蓄热水箱的上、下部分别设置接管与室内空调末端装置的供、回水管路加以连接。室外风机盘管换热器作为太阳能集热/蒸发器的辅助设备，其进、出口分别通过一个电磁三通阀与太阳能集热/蒸发器并联。
 
3.2 蓄能部分
 
系统采用水进行蓄能，用于蓄能的蓄热、蓄冷两个水箱通过电磁三通阀并联，采暖和除湿工况下使用蓄热水箱，空调工况下使用蓄冷水箱。在循环水泵驱动下，水与板式换热器换热，从而制取热水或冷水。
 
3.3 液体除湿部分
 
液体除湿部分主要由再生器、换热器、除湿器、直接蒸发冷却器组成，以蓄热水箱内蓄存的热水作为其主要供能。如图1“液体除湿部分”所示，环境空气或室内回风进入除湿器与除湿溶液接触，其中部分水份被除去；对干燥后的空气绝热加湿降低显热，从而达到空气调节的目的；吸湿后被稀释的除湿溶液送到再生器再生。
 
由前文的讨论知，可以采用价格低廉的氯化钙溶液作为液体除湿剂；为提高除湿效率，采用空气冷却的内冷型除湿器；用换热器把蓄热水箱内热水的热量传递给再生器对除湿溶液进行再生。
 
3.4 室内空调末端部分
 
本系统夏季采用风机盘管送冷风，冬季采用地板采暖盘管辐射供热。
 
3.5 系统的各个运行工况
 
1) 冬季采暖工况：热泵系统在采暖工况下运行的时候，利用太阳能作为热泵的热源，以热泵系统的冷凝器加热循环水，制取的热水送入蓄热水箱，用于冬季采暖，直接送至空调末端系统。
 
此时，系统循环工作过程为：白天，制冷剂经膨胀阀节流后流入太阳能集热/蒸发器中，通过吸收太阳能热量而蒸发，随后经气液分离器的分离作用使制冷剂蒸汽被压缩机吸入，产生的高温高压蒸汽首先被排入冷凝盘管与生活热水箱中的水进行换热，一部分蒸汽得到冷凝，此后湿蒸汽又流入板式换热器继续冷凝，一部分热量用于房间采暖，另一部分则被蓄存起来，冷凝后的液态制冷剂经单向阀、储液器、干燥过滤器和膨胀阀流回太阳能集热/蒸发器重新吸收太阳能，从而完成一次循环。夜间，如果蓄热水箱中的水温足够高，则通过空调末端循环直接从蓄热水箱中取热，不必启动热泵机组。但是，如果白天蓄存的热量不足以满足夜间（或阴雨天）连续采暖的需要，则电磁三通阀开启旁通管路，利用室外风机盘管换热器作为系统的辅助热源装置，以满足房间采暖的舒适性要求。
 
2) 夏季空调工况：四通阀门换向，将热泵系统的采暖工况转为制冷工况，以太阳能集热板作为冷凝器（此时可节约常规室外风机盘管换热器的风机耗电），利用系统的蒸发器冷冻循环水，制取的冷水送入蓄冷水箱，储存的冷量可在次日用于空调。这样，就有效地利用了夜间的低价谷电，利于城市电力的移峰填谷。
 
通过四通换向阀的换向，将太阳能集热/蒸发器用作夜间辐射散热/冷凝器，辐射散热/冷凝器的进口经四通换向阀与冷凝盘管的出口相连，与此同时将蓄热水箱切换为蓄冷水箱，而板式换热器的出口则经四通换向阀与气液分离器的进气口连接起来，其余部件之间的连接关系保持不变。
 
此时，系统循环工作过程为：夜间，从压缩机出来的制冷剂蒸汽首先流入冷凝盘管，通过加热生活热水而部分冷凝，然后湿蒸汽经四通换向阀流入夜间辐射散热/冷凝器，通过对流和辐射散热继续冷凝，得到的液态制冷剂经单向阀、储液器、干燥过滤器及膨胀阀流入板式换热器内，通过吸收蓄冷水箱循环水的热量而蒸发，使得水温的不断下降，制得的冷水一部分供夜间空调使用，另一部分蓄存在水箱中供白天空调使用，蒸发后的制冷剂经气液分离器又重新被压缩机吸入、压缩，从而完成一次循环。如果夜间蓄存的冷量足以满足白天空调的需要，则可以利用空调末端循环直接从蓄冷水箱中提取冷量，不必启动热泵机组。如果夜间蓄冷量不足，则启动热泵机组，开启电磁三通阀的旁通管路，采用室外风机盘管换热器作为系统的辅助冷凝器，以保证白天房间空调的需要。
 
3) 过渡季热水工况，可通过降低压缩机的频率来减少制冷剂的循环量，同时开启电磁阀，使得制冷剂蒸气在冷凝盘管中全部冷凝用于生产热水，而冷凝后的制冷剂液体经换热盘管的旁通管直接流入储液器中。
 
4) 除湿工况：需要进行除湿的时候，系统按冬季采暖工况运行，将蓄热水箱内的热水作为再生热源提供给液体除湿系统的再热器。根据文献的报道，采用价格低廉的氯化钙为除湿溶液时，太阳能液体除湿系统再生器的除湿溶液进口温度（即再生温度）为50～75℃。以目前普通太阳能集热器的技术水平，能够制取的热水温度在80℃～90℃左右。所以，利用太阳能热水对除湿溶液进行再生，只要保证热水的供应量，是能够满足要求的。
 
本系统各个工况下，每当太阳能不能满足要求时，启动辅助冷/热源--室外风机盘管换热器，以保证采暖或制冷工况运行的连续性和稳定性。
 
4  结论
 
1) 将太阳能热利用技术与热泵技术有机地结合起来，可同时提高太阳能集热器和热泵机组的热力性能；
 
2) 水蓄能（尤其是夏季蓄冷）能够起到 “移峰填谷” 、平衡用电的作用，系统简单，性能系数高，值得推广；
 
3) 除湿技术与热泵系统相结合，进行热湿分担的空气处理过程，既可提高的机组的性能系数、节约用能，又可解决常见的空调箱内冷凝水导致霉菌滋生的问题。
 
综上所述，本文提出了适用于生态建筑合理地利用并节约能源进行冬季采暖、夏季空调和全年供应热水的太阳能除湿热泵系统，该系统集成了太阳能热泵、水蓄能和液体除湿技术，是这几种节能技术的优化组合。
 
这一系统，适用于冬季不太冷、夏季湿热的国内南方地区。广大南方地区经济发展迅速，生态建筑近年来有望在这些地区得到推广和普及。目前，上海市建筑科学研究院正在上海闵行地区建造生态建筑办公样板楼，其需要集成的关键技术达十项之多（自然通风、天然采光、超低能耗、健康空调、再生能源、绿色建材、智能控制、生态绿化、资源回用、舒适环境），这些关键技术的研究和集成，即是为推广生态建筑作必要的理论和实践准备。本文提出太阳能除湿热泵系统，希望为生态建筑的空调系统集成提供一种新的思路。