引言

与传统空调相比，转轮除湿空调系统可以实现室内空气温湿度单独运行，不仅解决了传统空调系统中霉菌污染空调空气的难题，改善了室房间内空气质量，还使整个系统的能耗大大减少。已有的转轮除湿空调系统基本以电加热的方式将空气加热到所需要的再生温度后送入转轮的再生区，使转轮内吸附剂得到脱附再生，从而实现转轮循环有效的利用。然而，采用电加热方式虽然结构简单，但其再生能耗往往过高，有时甚至高于传统空调系统，从而使除湿空调系统的应用受到限制，因此探究新型高效的再生热源显得十分重要。Beggs[1-3]等探究了将太阳能用于转轮除湿系统再生热源的切实性，发现具有潜在的应用价值；Khalid[4]等对太阳能用作除湿转轮吸附剂的再生热源展开了研究，发现该系统具有非常可观的节能效率，但是受所在地区气象条件的限制比较大；Henning[5]等搭建了太阳能集热器和除湿干燥系统相结合的实验平台，结果表明，比较于电力驱动的系统，整个系统节省了50%多的能耗。在国内，秦朝葵[6]等于2007年首次提出由燃气热泵和除湿转轮耦合所组成的空调系统；2009年，逯红梅[7]等将燃气发动机热泵与转轮除湿的空调系统结合到一起，并实际应用到夏热冬冷地区的某办公楼，通过计算能耗与运行费用发现该系统节能效果显著。文中拟建立一种能够综合利用天然气、太阳能以及余热的转轮除湿空调系统，并对其模型的建立展开了研究。

1 研究内容

以PV/T和GHP再生为基础建立了转轮除湿空调系统，该系统主要由除湿转轮的子系统、燃气热泵的子系统(GHP)及太阳能光伏/光热板（PV/T）共3个部分组成，分别建立并验证了各子系统的仿真模块及一整套空调系统的仿真模块。为了使整个空调系统正常运行，首先将天然气送入燃气发动机，燃烧后产生的能量主要转化为机械能，使压缩机正常运行，剩余的能量分别送入气缸套冷却器与排烟换热器，以用于加热再生空气；再生空气首先进入PV/T系统进行预热，加热后的空气送入到加热器中进行再加热后送入转轮来实现吸附剂的再生，其中循环冷却水依次经过冷凝器、气缸套冷却器与排烟换热器加热后进入加热器与再生空气进行换热；新风经过预冷器温度降低后送入到转轮中除湿，然后进入换热器处理到满足送风温度后进入房间。系统原理如图1所示。

  

图1 基于PV/T和GHP再生的转轮除湿空调系统

 

注：1-预冷器；2-空气-水换热器；3-送风风机；4-风机；5-PV/T系统；6-加热器；7-除湿转轮；8-燃气发动机；9-开启式活塞压缩机；10-板式冷凝器；11-热力膨胀阀；12-板式蒸发器；13-气缸套冷却器；14-排烟换热器；15-循环水泵。

2 研究方法

以PV/T和GHP再生为基础建立了转轮除湿空调系统，使用MATLAB软件模拟出除湿转轮子系统、GHP子系统和PV/T子系统的仿真模块，并根据子系统建立一整套系统的仿真模型。

2.1 除湿转轮子系统的仿真模块

2.1.1 除湿转轮数学模型的建立

建立除湿转轮的数学模型[8]。首先假定除湿转轮内任一气流通道的尺寸均为一致，吸附剂材料均匀分布在转轮的基体上，若转轮的进口空气参数保持不变，则在转轮同一径向上的所有气流通道内，空气的热量和质量传递都相同，并且当转轮在循环周期内旋转时，各个通道都要经历相同的状态，因此选取一个空气通道当作被研究对象，建立拉格朗日圆柱坐标系，以单个气流通道旋转周期内的所有状态来代表转轮某一刻的工作状态，同时建立数学模型。

2.1.2 除湿转轮仿真模块的建立与验证

思维能力的训练和思维品质的提升是历史课教学的一项重要任务，教师应在课堂教学的各个环节中有意识地渗透历史思维训练，寻找适当的教学策略，激发并维持学生的思维动力，发挥学生的潜能，让学生在具体的情境体验中感悟历史，经历真实的思维过程，完成有效的思维活动，交流思维成果，进而提升思维品质。

采用分段集中参数法，将被考虑的空气通道沿轴线方向划分为n段，将整个通道中空气的水蒸气浓度Ya、吸附剂表面的水蒸气浓度Yd、吸附剂的吸附率W、通道中空气的温度Ta、吸附剂表面的温度Td等用向量形式表示出来；同时参考李松晶[9]等的偏微分算子的建模方法来实现除湿转轮控制方程中时间域上和空间域上的偏微分，由此可得到：

 

依照演变后的空间上的偏微分算子公式，可在Simulink里建立以下仿真模型，如图2所示。

以复合干燥剂除湿转轮的相关结果[10]来说明所建立的除湿转轮仿真模块的准确度。选取与实验工况相同的数值进行模拟分析，模拟时转轮转速取值固定为(π/150)rad/s，部分参数如表1所示，当再生温度不同时，分别模拟处理空气出口的温度和湿度，并将模拟得出的结果和原文中的数据比较，如图5所示。

  

图2 偏微分算子仿真模型

2017年，原国土资源部等六部委联合印发的《关于加快绿色矿山建设的实施意见》明确提出“实施百个绿色勘查示范项目，建立标准体系，将绿色发展理念贯穿矿业发展全过程”后，我国绿色勘查正式上升到国家层面，开始在全国全面展开。

社区预防接种儿童在行接种过程中,为提高接种质量、改善家长满意度,需积极采取有效护理干预。而相比于常规护理,综合性护理干预的应用效果更为显著[1]。本文就此探究综合护理对社区儿童预防接种的临床应用价值。

“未名生科一号”采用联想深腾X8810超级计算机系统建设，由150个节点组成，共计4688个CPU核心，28块GPU卡，总体计算能力理论峰值为587.8TFLOPS，其中CPU节点计算能力为343.4TFLOPS，GPU等其他节点总计算能力为244.4TFLOPS，存储容量为10.2PB。

2014年，为认真贯彻落实国家支持小微企业发展、推动创业创新工作的决策部署，启动实施第一轮为期三年的“两个10万元”微型企业培育工程，加大对微型企业的培育扶持力度。2017年，继续实施新一轮微型企业培育工程，完善扶持措施，强化政策支持。

  

图3 流道中空气含湿量的仿真模型

  

图4 除湿转轮仿真模块

 

表1 仿真模拟中各部分参数

  

项目 数值 项目 数值转轮直径（m）转轮厚度（m)硅胶的定压比热［J/（kg·K）］陶瓷基质的定压比热［J/（kg·K）］氯化锂的定压比热［J/（kg·K）］复合吸附剂孔隙率复合吸附剂孔径（mm）0.4 0.1 921 0.002 0.002 1201 625 880 15 3000 194 0.4 4气流通道高度（m）气流通道宽度（m）硅胶的密度（kg/m3）陶瓷基质的密度（kg/m3）氯化锂在复合干燥剂中的体积比复合吸附剂孔隙表面积 （m2/g）气流通道占横截面积比例0.816

  

图5 除湿转轮子系统仿真模块的验证

在图5中能够看出，当再生温度不同的情况下，处理空气出口温度和湿度的模拟结果和实验数据分别相差在1℃和0.5 kg/kg左右，基本一致，说明构建的除湿转轮子系统仿真模块基本准确。

2.2 GHP子系统的仿真模块

本桥梁工程施工工艺流程为：施工准备→钢筋敷设→模板安装→制备钢纤维混凝土→混凝土铺筑→切缝处理→混凝土养护。

首先确定压缩机的工作过程，结合质量方程、动量方程、能量方程以建立压缩机的数学模型[11]；冷凝器采用分区模型[12]，且将冷凝器内制冷剂划分成两相区和过热区，并建立了集中参数模型[13-16]；蒸发器还选取分区集中参数模型，并探究了制冷剂流动阻力的影响[15]；在不研究燃气发动机内部工作条件的前提下，可通过发动机的转速和转矩拟合出发动机的缸套冷却热、烟气温度和烟气流量[17]；热力膨胀阀的数学模型主要是通过阀孔制冷剂的流量模型[18-19]；分别研究缸套冷却水换热器的数学模型及排烟换热器的数学模型[20-22]，进而构建了燃气发动机热量回收的数学模型，并对制冷剂及其热物理性质进行计算，从而构建燃气热泵子系统的仿真模块，如图6所示。

  

图6 燃气热泵的仿真模型

2.2.2 GHP子系统仿真模块的验证

由于在Simulink里的建模方法相同，其基本流程均为图2所示，只是输入端不同，故不再详细介绍。

The nth iteration step using the EM algorithm to estimate the distribution parameters of observable q1are as follows20:

由建立的除湿转轮数学模型分别建立流道中空气含湿量与温度的仿真模块、吸附剂吸附率和表面温度的仿真模块等，由于建立过程类似上述偏微分算子仿真模型的建立过程，因此不再此赘述，只给出流道中空气含湿量的仿真模型作为示例(见图3)，并结合初始条件与边界条件建立完整的除湿转轮子系统的仿真模块（见图4），模块输入端“再生空气入口温度与湿度”、“处理空气入口温度与湿度”、“转轮厚度与面积”、“当地气压”以及“转轮的转速与空气流速”皆为可以控制的变量，仿真中通过控制这些变量来研究不同条件下转轮出口空气温湿度，对转轮的除湿性能进行分析。

2.3 PV/T子系统的仿真模块

2.3.1 建立PV/T系统仿真模块

模拟GHP子系统的仿真模块，将文献[11]中的有关参数作为模拟参数，主要结构参数的取值如表2所示；当冷凝器中冷却水入口温度不同时，分别模拟了系统的冷凝压力和冷凝温度，并将得到的数值（以sim表示）和实验结果（以EX表示）进行比较（见图7），在图7中我们能够看到，系统中冷凝温度的模拟结果和文献中的数据相差在2℃左右，冷凝压力的模拟结果比较于文献中的数据相差大约0.3 bar，吻合较好，说明所构建的GHP子系统的仿真模块是基本正确的。

 

表2 GHP系统各部分结构参数

  

项目压缩机板式蒸发器板式冷凝器参数气缸直径（mm）气缸数量（个）活塞行程（mm）单板厚度（m）单板换热面积（m2）当量直径（m）板间距（m)导热系数［W/(m·K)］单板厚度（m）单板换热面积（m2）当量直径（m）板间距（m）导热系数［W/(m·K)］数值55 4 57 0.0003 0.05 0.0048 0.0024 15 0.0003 0.095 0.0056 0.0024 15

  

图7 燃气热泵仿真模块的验证

结合PV/T子系统保温底板、玻璃盖板、光伏电池层、流道内空气以及吸热板的能量守恒方程建立了子系统的理论模型，进一步构建了PV/T子系统仿真模块，如图8所示；在此以PV/T集热板出口空气温度的模型建立为例说明各仿真模块的建立过程（见图9），PV/T集热器出口空气温度的高低直接决定着对PV/T系统的热能利用效率，在基于PV/T和GHP再生的转轮除湿空调系统中，PV/T集热器的出口空气温度越高，越有利于得到较高的再生温度，从而使处理空气得到更充分的除湿。根据以上的能量平衡方程，可以得到如下的仿真模型，该仿真模型一共有7个输入端，分别为来自参数仿真模块M与参数仿真模块N的输出端的“M”与“N”、环境温度、气流通道宽度与长度以及空气的流量和定压比热。

  

图8 PV/T集热器出口空气温度的仿真模型

  

图9 PV/T系统仿真模块

2.3.2 PV/T系统仿真模块的验证

模拟中将参考郭超[23]在实验中所使用的PV/T设备对参数进行取值（见表3），得出在各时间下流出PV/T集热器空气的温度，将得到的结果与文献中的相关数据对比，如图10所示。在图10上能够看到，在不同时间对PV/T系统的出口空气温度进行模拟，模拟结果和原文中的实验结果大约相差在1℃以内，吻合较好，进一步证明了构建PV/T子系统的仿真模块是较为准确的。

2.2.1 建立GHP子系统仿真模块

  

图10 PV/T系统仿真模块的验证

 

表3 PVT系统各部分物性参数

  

项目光伏电池板保温板吸热板玻璃盖板复合膜参数覆盖因子吸收率温度系数(1/K)厚度(m)导热系数［W/(m·K］发射率厚度(m)比热容［J/(kg·K)］吸收率比热容［J/(kg·K)］面积（m2）吸收率数值0.59 0.9 0.0045 0.9 0.046 0.9 0.001 903 0.038 750 1.89 0.95

3 基于PV/T与GHP再生建立整机系统的仿真模型

以PV/T与GHP再生为基础构建了一整套空调系统的仿真模型，该模型主要由预冷器仿真模块、空气-水换热器仿真模块、除湿转轮仿真模块、燃气热泵仿真模块、太阳能光伏/光热仿真模块和再生加热器的仿真模块构成。其中，空气预冷器、空气-水换热器以及再生加热器仿真模型不在此赘述。结合之前所构建的模块可以得出系统的仿真模型（见图11）。

  

图11 基于PV/T和GHP再生的转轮除湿空调的仿真模型

该仿真模型中一共有15个输入端，15个输出端。模型的输入端分别为空调系统的送风量、再生空气的质量流量、空调系统中冷冻水的质量流量和冷冻水的入口水温、空调系统中循环热水的质量流量、燃气发动机的转动速率、冷凝器中冷却水的入口水温、制冷系统的过热度、空调系统入口处新风的温度与含湿量以及新风速度、再生空气的湿度、太阳辐射强度、环境的温度及环境风速。模型输出端分别包括送风温度和送风湿度、再生气流的出口温度与湿度、制冷系统中蒸发器制冷剂侧的压降、冷凝温度和压力、蒸发温度和压力、燃气热泵子体系中压缩机所消耗的功量、空调体系的供冷量、制冷COP、光伏电池的温度、吸热板的温度和光伏输出功率。

4 结论

构建以PV/T及GHP再生为基础的转轮除湿复合式空调系统的仿真模型，得到的结论包括：

（1）当再生温度不同的情况下，处理空气出口温度和湿度的模拟结果和实验数据分别相差1℃和0.5 kg/kg左右，基本一致，说明构建的除湿转轮子系统的仿真模块是准确的；

（2）当冷凝器中冷却水入口温度不同时，分别模拟出系统的冷凝压力和冷凝温度，结果表明，冷凝压力的模拟结果比较于文献中的数据相差大约0.3 bar，系统中冷凝温度的模拟结果和文献中的数据相差在2℃左右，结果基本一致，说明构建的GHP子系统的仿真模块较为准确；

（3）建立PV/T子系统的仿真模块，在不同时间对PV/T系统的出口空气温度进行模拟，模拟结果和原文中的实验结果大约相差在1℃以内，吻合较好，进而证实了所构建的PV/T子系统仿真模块是较为准确的；

（4）利用MATLAB软件模拟出了除湿转轮子体系、GHP子体系和PV/T子体系的仿真模块，并根据子系统建立一整套系统的仿真模型。

参考文献

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