新型太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統(tǒng)設計探討

陳小雁

(蘇州建設交通高等職業(yè)技術學校,江蘇蘇州215104)

0 引 言

能源與環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基礎,在人們越來越關注生活質量和舒適性的同時,能源和環(huán)境保護的警鐘頻頻響起。近年來由于空調的大量使用,加劇了能源供應緊張和環(huán)境污染等問題。

從20世紀70年代后期開始,太陽能熱利用技術迅速發(fā)展,太陽能空調技術也隨之出現(xiàn)。太陽能空調技術對于節(jié)省常規(guī)能源,減少環(huán)境污染,提高人們生活水平有著很重要的意義,也符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

1 太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統(tǒng)設計

目前常見的太陽能利用方式是利用太陽能熱水器生產(chǎn)生活熱水,對于其經(jīng)濟性,市場已經(jīng)作了很好地說明。但是發(fā)展太陽能空調的最大障礙是初始投資較大。如果僅建設單一功能的太陽能空調,則由于其初始投資比現(xiàn)有電壓縮式空調以及燃油和燃氣型溴化鋰吸收式制冷空調方式昂貴得多,因而必然難以引起用戶的興趣。其實,分析太陽能空調設備費用構成,太陽能集熱器大約占三分之二,所以只要充分發(fā)揮太陽能集熱器的作用,就可能獲得良好的經(jīng)濟效益。因為太陽能熱水器本身的經(jīng)濟性已被市場證明。按照上述思路:本文以熱水需求量來確定空調負荷供應量的建設太陽能空調和熱水站綜合系統(tǒng)方案的設計理念,提出瞄準城鎮(zhèn)建筑物頂建立常年生活熱水和夏季空調冷水綜合應用的太陽能利用系統(tǒng)。

1.1 太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統(tǒng)

圖1顯示了一種以城鎮(zhèn)建筑物為單元同步建設太陽能熱水站和太陽能空調系統(tǒng)的方案的系統(tǒng)流程。其具體做法是:以聚光型太陽能蒸汽發(fā)生器來生產(chǎn)熱媒,在夏天空調季節(jié)日照正常時按雙效蒸汽型循環(huán)驅動溴化鋰吸收式制冷機運行,在非日照時段當熱源溫度低于140℃時按單效循環(huán)運行的方案。

該系統(tǒng)主要部件有:聚光型太陽能蒸汽發(fā)生器、蓄熱水箱、雙效蒸汽型單效熱水型板殼式溴化鋰吸收式制冷機、冷卻塔、生活熱水箱、集熱器循環(huán)泵、熱水泵、冷卻水泵等。

1.2 太陽能制冷及生活熱水系統(tǒng)流程

溴化鋰吸收式制冷機所需熱源有蒸汽和熱水,兩路熱源一般情況是分別切換使用,但也不排除可以同時使用,特別是在蒸汽參數(shù)偏低,制冷功率未達到要求時。整個系統(tǒng)由蒸汽回路、熱水回路、冷卻水回路以及生活熱水回路組成。蒸汽回路:由聚光型太陽能集熱器、汽水分離罐和連接管線組成。分離罐下部供水聯(lián)管與聚光型太陽能集熱器各吸收管一端連接,吸收管內液位由汽水分離罐內液位確定,吸熱后蒸發(fā)出的蒸汽經(jīng)蒸汽聯(lián)管返回汽水分離器,形成自然循環(huán);當有制冷需要且蒸汽壓力達到0.25MPa(表)時,打開V2閥給溴化鋰吸收式制冷機供應蒸汽,制冷機按雙效循環(huán)運行;當蒸汽壓力升至0.6MPa(表)時開啟V1使部分蒸汽進入蓄能罐,并維持V1閥前壓力不變。水泵P1根據(jù)汽水分離罐內液位進行補水。

圖1 太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統(tǒng)圖

熱水回路:由蓄熱水箱和連接管線組成。當有制冷需要且蒸汽壓力低于0.25MPa(表),而蓄熱水箱內熱水溫度在139℃85℃之間時,制冷機熱源切換為熱水,按單效循環(huán)運行,啟動熱水泵P2并打開V3閥。蓄熱水箱內設置折流隔板以加大溫度差,因熱水溫度是上高下低,所以在上部吸水而回水從底部返回。由于雙效與單效循環(huán)兩者所覆蓋的熱源溫度范圍較寬,日照時段可按雙效循環(huán)運行,并對蓄熱水箱內熱水加熱;非日照時段的運行可在熱源參數(shù)降低時切換至單效循環(huán)運行,蓄能密度達到冰蓄冷的水平。且循環(huán)的性能系數(shù)較高。

冷卻水回路:冷卻水泵P3從冷卻塔水箱吸水,冷卻制冷機的吸收器和冷凝器后,出口溫水經(jīng)三通閥V5送往生活熱水箱或冷卻塔。

生活熱水回路:空調季節(jié)生活熱水箱的補水來自制冷機出口的冷卻水,此時生活熱水箱的補水浮球閥上游的閥V6應關閉,以盡量利用制冷機冷卻水的能量,當來自制冷機的冷卻水溫度偏低時,在生活熱水箱內用來自蓄熱水箱的熱水加熱,從熱水泵P2后面引水,經(jīng)閥V4通過生活熱水箱內的間壁式換熱器 (盤管)加熱后流回蓄熱水箱。由比較溫度傳感器的測量值和溫度的設定值控制V4,調節(jié)加熱水的流量。在非空調季節(jié),可將V6打開,直接用自來水補水,熱源則仍然用蓄熱水箱的熱水,這樣可以同時利用蓄熱水箱和生活熱水箱2個水箱來蓄取太陽能,特別是蓄熱水箱可貯存的熱水溫度較高 (可達160℃),單位容積的蓄能量較大。上述方法的另一個優(yōu)點是蒸汽和熱水回路與生活熱水隔開,前者用軟化水,后者用自來水。

2 雙效蒸汽型/單效熱水型兩用溴化鋰吸收式制冷機

雙效/單效兩用溴化鋰吸收式制冷機跟普通的雙效溴化鋰制冷機相比,多了一個熱水低壓發(fā)生器(如圖2所示)。V1用于雙效與單效的切換,當雙效運行時開啟V1,單效運行時關閉V1;V2用于雙效運行時調整去高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器的稀溶液流量。因兩個目的容器 (高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器)內壓力不同,需要在壓差較大的低壓管線上設置閥門來節(jié)流調節(jié)分配流量。

2.1 雙效蒸汽型和單效熱水型兩用溴化鋰吸收式制冷機系統(tǒng)

為了高效率和蓄能,需要采用雙效和單效耦合運行的溴化鋰吸收式制冷機,雙效制冷循環(huán)所需熱媒溫度為160℃左右,需要采用聚光型太陽能集熱器。長期以來,聚光型太陽能集熱器都被認為是成本較高的方式,結果是束之高閣,其實這需要綜合分析其用途再作結論。如果只是為了生產(chǎn)生活熱水固然是不適合;而如果是用于效率更高的雙效循環(huán)吸收式空調制冷則有可能是合理的。聚光型太陽能集熱器可以生產(chǎn)160～180℃左右的蒸汽或熱水用于驅動雙效循環(huán)溴化鋰機組運行,其制冷性能系數(shù)COP可達1.2左右,效率高出單效循環(huán)的0.7倍和兩級循環(huán)的2倍,因而所需集熱器面積也就可以相應減少,其經(jīng)濟效益也就可能實現(xiàn)。雙效蒸汽型和單效熱水型兩用板殼式溴化鋰吸收式制冷機系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2.2 雙效蒸汽型與單效熱水型溴化鋰吸收式制冷機

參考圖1太陽能制冷空調與生活熱水綜合系統(tǒng)圖,當聚光型太陽集熱器發(fā)生的蒸汽壓力達到0.25MPa(表)且有制冷需求時,打開V2閥給溴化鋰吸收式制冷機供應蒸汽,制冷機按雙效運行,在高壓發(fā)生器中,稀溶液被熱源蒸汽加熱。在較高的發(fā)生壓力pr下產(chǎn)生冷劑蒸汽,因該蒸汽具有較高的飽和溫度,又被通入低壓發(fā)生器作為熱源,加熱低壓發(fā)生器中的溶液,使之在冷凝壓力pk下產(chǎn)生冷劑蒸汽。此時,低壓發(fā)生器則相當于高壓發(fā)生器在pr壓力下的冷凝器。由此可見,驅動熱源的能量在高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器中得到了兩次利用,所以稱為雙效循環(huán)。顯然,與單效循環(huán)相比,產(chǎn)生同等制冷量所需的驅動熱源加熱量減少,即雙效機組的效率比單效機組高近一倍。

在制冷劑回路中,高壓發(fā)生器中產(chǎn)生的冷劑蒸汽,在低壓發(fā)生器中加熱溶液后,凝結成冷劑水,經(jīng)節(jié)流減壓后進入冷凝器,與低壓發(fā)生器中產(chǎn)生的冷劑蒸汽一起被冷凝器管內的冷卻水凝結成冷劑水。顯然,與單效循環(huán)相比,雙效循環(huán)還減少了冷凝器的冷卻負荷。

冷凝器中的冷劑水經(jīng)U形管節(jié)流后進入蒸發(fā)器,噴淋在蒸發(fā)器傳熱面上吸取管內冷水的熱量,在蒸發(fā)壓力p0下蒸發(fā),使冷水溫度降低,達到制冷的目的。蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷劑蒸汽流入吸收器,完成了雙效制冷循環(huán)的制冷劑回路。

如圖2所示,溶液回路按并聯(lián)流程工作,自高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器流出的濃溶液,分別進入高溫溶液熱交換器/凝水熱交換器和低溫溶液熱交換器,在其中加熱進入高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器的稀溶液,溫度降低后直接噴淋在吸收器傳熱面上,吸收來自蒸發(fā)器的冷劑蒸汽。從而維持蒸發(fā)器中較低的蒸發(fā)壓力,使制冷過程得以連續(xù)進行。在管內冷卻水的冷卻下,濃溶液吸收水蒸汽后溫度、質量分數(shù)降低為稀溶液。流出吸收器的稀溶液由溶液泵升壓,按并聯(lián)流程分成兩路,一路經(jīng)高溫溶液熱交換器/凝水熱交換器送往高壓發(fā)生器。另一路經(jīng)低溫溶液熱交換器送往低壓發(fā)生器。這樣,便完成了雙效循環(huán)的溶液回路。

當聚光型太陽集熱器發(fā)生的蒸汽壓力低于0.25MPa(表),蓄能罐溫度低于139℃時,制冷機按單效運行,關閉V1閥,從吸收器流出的稀溶液經(jīng)低溫溶液熱交換器后直接噴淋在熱水低壓發(fā)生器傳熱面上,制冷機熱源由蓄能罐熱水提供。當蒸汽發(fā)生量較少時,單獨運行雙效循環(huán)的制冷量達不到需求時,也可同時投入熱水驅動的單效制冷循環(huán),故將熱水低壓發(fā)生器和蒸汽低壓發(fā)生器布置在裝置的一側,之間不設置隔板,這樣,吸收器中的稀溶液經(jīng)過低溫溶液熱交換器加熱后就可同時噴淋在這兩個低壓發(fā)生器上,以實現(xiàn)雙效/單效分別運行或同時運行。

圖2 雙效/單效兩用溴化鋰吸收式制冷機流程

2.3 國內企業(yè)溴化鋰吸收式制冷機組生產(chǎn)狀況

目前國內空調企業(yè)生產(chǎn)銷售的溴化鋰吸收式冷水機組系列產(chǎn)品容量較大,型號最小的制冷量為230kW左右,顯然不適宜用于小型建筑的太陽能空調系統(tǒng)的制冷設備。

容量適宜的小型溴化鋰吸收式冷水機組產(chǎn)品是使太陽能空調系統(tǒng)付諸實施的必要條件。因此對小型溴化鋰吸收式冷水機組進行熱工和傳熱計算是確定所討論的系統(tǒng)方案是否可行的重要工作,在以后的工作中需要進一步開展太陽能吸收式制冷機的實驗研究工作,驗證其性能及長期制冷效果。

3 結語

該系統(tǒng)中太陽能集熱器的集中統(tǒng)一布置突破了低層住戶難以使用太陽能熱水的發(fā)展瓶頸,同時也與城市建筑保持協(xié)調一致。此方案既滿足了包括底層住戶在內的所有住戶使用經(jīng)濟實惠的太陽能熱水的愿望,又節(jié)省了部分太陽能制冷空調住戶用于空調的費用。由于集熱器的投資費用被所有熱水用戶分攤,太陽能制冷空調綜合所增加的投資僅僅是制冷機和室內風機盤管等,而這部分的投資很快可以在所節(jié)省的空調電費中回收。太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統(tǒng)可以充分發(fā)揮太陽能系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)點,并體現(xiàn)了吸收式制冷的環(huán)保效應,只要對系統(tǒng)的可行性研究足夠充分,此方案定會具有良好的發(fā)展前景。

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