太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)應(yīng)用性能模擬

薛相美

(佛山市高級(jí)技工學(xué)校，廣東528200)

引言

我國(guó)是太陽(yáng)能資源大國(guó)，可利用太陽(yáng)能的國(guó)土面積占2/3以上，約600萬(wàn)平方公里，全年平均日照時(shí)間在2200～3300小時(shí)之間，年總輻射量超過(guò)1670 kW·h/m2，開(kāi)發(fā)利用前景十分廣闊［1］。太陽(yáng)能?chē)娚渲评涫翘?yáng)能利用的一種重要形式，其具有可利用低品位能源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件及安裝維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊發(fā)展前景和工程應(yīng)用價(jià)值，因此受到各國(guó)研究者的關(guān)注。已有文獻(xiàn)結(jié)合太陽(yáng)能輻射特性、氣候條件等來(lái)研究太陽(yáng)能?chē)娚渲评涞膭?dòng)態(tài)性能［2－3］。但未見(jiàn)有文獻(xiàn)根據(jù)環(huán)境變化確定冷負(fù)荷變化以及由冷負(fù)荷變化帶來(lái)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，因此本文將綜合考慮這些因素，通過(guò)建立對(duì)太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)性能分析模型，以環(huán)境友好工質(zhì)R141b為制冷劑，選擇上海這一具有代表性的城市，以研究太陽(yáng)能?chē)娚渲评湓谖覈?guó)的可行性及應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)描述

太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)如圖1所示，它由兩部分組成:一個(gè)是太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，它是噴射制冷系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能源來(lái)源;另外一個(gè)是噴射制冷系統(tǒng)，它為用戶(hù)提供冷量。

圖1 太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of solar－driven ejector cooling system

1.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、輔助加熱器組成。輔助加熱器位于儲(chǔ)熱水箱和發(fā)生器之間，當(dāng)水箱溫度不足以驅(qū)動(dòng)噴射制冷系統(tǒng)時(shí)，啟動(dòng)輔助加熱器。

太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，本文將使用平板集熱器和真空管集熱器的太陽(yáng)能系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，這兩種集熱器是目前應(yīng)用最為普遍的集熱器類(lèi)型。

噴射制冷系統(tǒng)由兩個(gè)子循環(huán)構(gòu)成:動(dòng)力子循環(huán)，即制冷劑依次流經(jīng)發(fā)生器、噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、循環(huán)泵再回到發(fā)生器，提供噴射器工作所需要的高壓工作氣體;另一個(gè)為制冷子循環(huán)，即制冷劑依次流經(jīng)噴射器、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器，再回到噴射器的吸入口，提供所需要的制冷量。

衡量噴射制冷系統(tǒng)性能的指標(biāo)主要有噴射系數(shù)和COP。噴射系數(shù)指的是引射流體和工作流體的質(zhì)量流量之比:

噴射系數(shù)

忽略循環(huán)泵功，則噴射制冷的COPeic為制冷量和輸入熱量之比。計(jì)算公式如下:

1.2 太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)性能指標(biāo)

太陽(yáng)能保證率SF(solarfraction)定義為提供給制冷系統(tǒng)中太陽(yáng)能占制冷系統(tǒng)所需熱能的比率。太陽(yáng)能保證率是太陽(yáng)能?chē)娚渲评涞闹匾阅苤笜?biāo)，它表示系統(tǒng)所消耗能源中太陽(yáng)能所占的份額。

可以用系統(tǒng)熱效率STR(systemthermalratio)來(lái)衡量太陽(yáng)能?chē)娚渲评湫阅埽x為集熱器單位太陽(yáng)能輻射量所能獲得的制冷量。

根據(jù)定義有

2 模擬計(jì)算參數(shù)及方法

太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)性能模擬計(jì)算可以分三大部分:空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算，噴射制冷系統(tǒng)計(jì)算和集熱器計(jì)算。

2.1 模擬參數(shù)

氣象數(shù)據(jù)采用典型氣象年的逐時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)模擬，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)［4］。本文以上海一空調(diào)居室為研究對(duì)象，選取該地區(qū)平均氣溫最高月七月份的標(biāo)準(zhǔn)日為氣象環(huán)境條件。

如圖2為根據(jù)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)繪制的上海地區(qū)七月份標(biāo)準(zhǔn)日氣溫、太陽(yáng)能總輻射量隨時(shí)間變化值。

由于太陽(yáng)能輻射量與太陽(yáng)能集熱器得熱量，氣溫與噴射制冷冷凝溫度及冷負(fù)荷緊密相關(guān)，因此在分析太陽(yáng)能?chē)娚渲评潆S時(shí)間變化性能有必要討論兩者與時(shí)間變化關(guān)系。從圖2中可以看出氣溫和太陽(yáng)能輻射量變化趨勢(shì)均為先增大達(dá)到最高點(diǎn)然后再減少，但氣溫變化趨勢(shì)相應(yīng)比太陽(yáng)能輻射量推遲一段時(shí)間，主要是因?yàn)樘?yáng)能輻射波長(zhǎng)太短不易被空氣吸收，太陽(yáng)能輻射除部分被大氣反射和少數(shù)被空氣吸收外，一般穿透大氣輻射到地面，然后再經(jīng)過(guò)地面吸收和反射，部分能量被空氣吸收，同時(shí)空氣自身會(huì)輻射，當(dāng)吸收的能量大于自身輻射，氣溫會(huì)升高;反之，亦然。由于氣溫變化過(guò)程要比太陽(yáng)能輻射變化過(guò)程晚一段時(shí)間，所以氣溫變化趨勢(shì)相應(yīng)滯后于太陽(yáng)能輻射量變化趨勢(shì)。

圖2 經(jīng)典日氣溫、太陽(yáng)能總輻射量變化曲線(xiàn)Fig.2 Air temperature and total solar radiation change curves on the classic day

制冷房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況如表1所示。

表1 制冷房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸表Table 1 The structure parameters of the cooling room

人員和電器設(shè)備:

居住人數(shù):1人

照明、電視等電器設(shè)備功率:0.5kW

新風(fēng)量:30m3/h

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì):水

噴射制冷系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì):R141b

系統(tǒng)冷凝溫度:Tc=Ta+3℃

集熱器與發(fā)生器平均溫差:Tu=Tg+6℃

集熱器進(jìn)口水溫:Ti=38℃

空調(diào)冷負(fù)荷和制冷量模擬計(jì)算:

冷負(fù)荷是指使空調(diào)房間保持所需要的溫度，須由制冷設(shè)備所產(chǎn)生的冷量消除室內(nèi)多余的熱量值。這部分余熱是通過(guò)空調(diào)設(shè)備將冷量傳給室內(nèi)空氣而消除的。空調(diào)冷負(fù)荷主要由下列多種因素構(gòu)成:

(1)外墻和屋面溫差傳熱引起的冷負(fù)荷;

(2)外窗溫差傳熱的冷負(fù)荷;

(3)外窗太陽(yáng)輻射的冷負(fù)荷;

(4)內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱冷負(fù)荷;

(5)人體散熱的冷負(fù)荷;

(6)照明散熱的冷負(fù)荷;

(7)設(shè)備散熱的冷負(fù)荷;

(8)食物散熱的冷負(fù)荷;

(9)散濕形成的潛熱的冷負(fù)荷;

(10)空氣滲透帶入室內(nèi)的冷負(fù)荷。

由于房間建筑材料的熱容量，使室外傳給建筑物的瞬時(shí)得熱量不等于由這些建筑物瞬時(shí)傳給房間內(nèi)空氣的熱量，因此傳熱過(guò)程屬于不穩(wěn)定傳熱。為保證用戶(hù)舒適度，合理地確定空調(diào)制冷量，節(jié)約投資和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能耗，應(yīng)該按照不穩(wěn)定傳熱方法計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷，采用諧波法計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷屬于其中比較精確的不穩(wěn)定傳熱方法計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷方法之一。

本文將采用北京鴻業(yè)同行科技有限公司開(kāi)發(fā)的鴻業(yè)冷負(fù)荷計(jì)算軟件 (version2.0)計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷，該軟件采用諧波法可以逐時(shí)計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷，按照設(shè)計(jì)要求在冷負(fù)荷計(jì)算軟件中輸入相應(yīng)參數(shù)和選擇相關(guān)選項(xiàng)，然后點(diǎn)擊設(shè)計(jì)界面“數(shù)據(jù)中心”中“計(jì)算”按鈕，系統(tǒng)完成冷負(fù)荷計(jì)算。

一座建筑物空調(diào)系統(tǒng)的制冷量，除了要計(jì)入建筑物的計(jì)算冷負(fù)荷外，還要考慮其他因素造成的附加冷負(fù)荷，如送風(fēng)機(jī)溫升，送風(fēng)管道系統(tǒng)的溫升，水系統(tǒng)的熱損失和制冷設(shè)備的效率等引起的附加冷負(fù)荷。將上述各種因素形成的冷負(fù)荷相加，就構(gòu)成了該建筑物的制冷機(jī)總?cè)萘?，這一制冷機(jī)容量稱(chēng)為“制冷量”。

上述附加冷負(fù)荷可以逐一計(jì)算，但計(jì)算繁瑣且不太準(zhǔn)確，故制冷量一般以最大制冷負(fù)荷乘以1.1～1.5系數(shù)來(lái)確定，本文取1.1，各空調(diào)房間配置的空調(diào)末端設(shè)備容量是以冷負(fù)荷為依據(jù)。

圖3 空調(diào)房間冷負(fù)荷隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.3Theroomcooling load change under different time

圖3為上海地區(qū)七月份標(biāo)準(zhǔn)日8∶00－17∶00空調(diào)房間冷負(fù)荷逐時(shí)變化關(guān)系，從中可以看出空調(diào)負(fù)荷隨時(shí)間呈遞增趨勢(shì)，到17∶00時(shí)達(dá)到最大值。冷負(fù)荷最大值既不是出現(xiàn)在太陽(yáng)能輻射值最大的12∶00左右，也不是出現(xiàn)在14∶00左右的氣溫最高時(shí)，主要是由于房間建筑材料的熱容量，建筑物瞬時(shí)傳給房間內(nèi)空氣的熱量值滯后于室外傳給建筑物的瞬時(shí)得熱量，有個(gè)時(shí)間差，滯后時(shí)長(zhǎng)不僅跟氣溫和太陽(yáng)能輻射量有關(guān)，而且跟建筑材料及建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)。

從圖中可以知道冷負(fù)荷最大值為3441W，根據(jù)選定的制冷量與冷負(fù)荷最大值換算系數(shù)，系統(tǒng)的制冷量為3785.1W。

2.2 噴射制冷數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)計(jì)算方法

噴射制冷數(shù)學(xué)模型是本文分析太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)重要組成部分，本文采用文獻(xiàn) ［5］中模型。Huang等在Keenan［6］的噴射器噴射過(guò)程 “常截面等壓混合模型”基礎(chǔ)上，提出了“氣動(dòng)噴管”概念，假定了從噴嘴出來(lái)的工作流體向前扇出并在混合截面前與引射流體互不混合，并為引射流誘導(dǎo)出漸縮管，這個(gè)漸縮管起漸縮噴嘴作用，并在混合截面處將引射流體加速到聲速，并與工作流體等壓混合，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文參照文獻(xiàn) ［19］的熱力學(xué)模型編制程序，并分析噴射制冷系統(tǒng)性能。為準(zhǔn)確計(jì)算制冷工質(zhì)在噴射器工作過(guò)程中實(shí)際熱力學(xué)參數(shù)的變化，本文制冷劑參數(shù)以NIST開(kāi)發(fā)的REFPROP(Version8.0)物性軟件為依據(jù)。該程序可以根據(jù)條件設(shè)定工況算出噴射制冷系統(tǒng)的噴射系數(shù)和COP，并與文獻(xiàn)huang等人實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模型計(jì)算誤差在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明該程序可以作為進(jìn)一步分析太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)性能的子程序。

2.3 太陽(yáng)能集熱器計(jì)算公式

集熱器是太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)重要部件，主要是通過(guò)集熱器吸熱體內(nèi)的流體與太陽(yáng)輻射熱進(jìn)行能量交換，從而獲得有用的能量收益。集熱器的有用能量收益可表示為:)

其中η為集熱器效率，其定義為集熱器任何時(shí)段有用能量收益與同時(shí)段太陽(yáng)能在集熱器上輻射量的比值。

本文將討論的太陽(yáng)能集熱器有平板集熱器和真空管集熱器兩種，其性能可以用以下公式表示:

平板集熱器，

真空管集熱器，

2.4 太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)計(jì)算模型步驟

前面已經(jīng)提到太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)性能模擬分析計(jì)算涉及空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算，噴射制冷系統(tǒng)計(jì)算和集熱器計(jì)算，太陽(yáng)能保證率SF、系統(tǒng)熱效率STR等均是衡量太陽(yáng)能?chē)娚渲评湫阅艿闹匾獏?shù)，分別可由式 (3)和 (4)計(jì)算得到。具體流程如圖4所示。

3 模擬結(jié)果分析

由于太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)要受太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度、氣溫、冷負(fù)荷等因素影響，而這些因素受氣候條件影響，在一天中并不是固定不變，有時(shí)候甚至變化很大。在實(shí)際使用過(guò)程中也必然要考慮這些因素影響，因此研究太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)性能時(shí)有必要結(jié)合氣候條件。

本文根據(jù)上海的氣候特點(diǎn)，在氣象數(shù)據(jù)庫(kù)中選取七月份標(biāo)準(zhǔn)日作為空調(diào)使用日，并在該標(biāo)準(zhǔn)日8∶00－17∶00時(shí)段，逐時(shí)研究分析太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)在該地區(qū)經(jīng)典日的性能運(yùn)行情況。太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)在一天中運(yùn)行性能可以通過(guò)COPejc，系統(tǒng)熱效率、太陽(yáng)能保證率等性能參數(shù)來(lái)衡量。

圖4 太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)計(jì)算模型流程圖Fig.4 Flow diagram for the computational procedure

圖5 COPejc在一天中隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.5 The COPejc changes with time in the day

圖5為采用真空管集熱器太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)的COPejc在一天中8∶00－17∶00時(shí)段逐時(shí)變化情況，可以看出COPejc在15∶00前逐漸減少，然后增大，然后又減少。可以結(jié)合氣候條件解釋這一變化，由圖2所示，在氣溫中午14∶00前呈逐漸增大趨勢(shì)，并在14∶00左右達(dá)到最大值，然后呈逐漸減少趨勢(shì)。而噴射制冷系統(tǒng)效率受冷凝溫度、發(fā)生溫度等影響，較發(fā)生溫度冷凝溫度影響更大，當(dāng)冷凝溫度超過(guò)一定值時(shí)系統(tǒng)甚至不制冷［7］。本文選取冷凝器為風(fēng)冷冷凝器，因此冷凝溫度與氣溫緊密相關(guān)，并且相差不大。COPejc在15∶00時(shí)前減少主要是噴射制冷系統(tǒng)的冷凝溫度增加較快，雖然發(fā)生溫度在某一時(shí)段會(huì)因?yàn)樘?yáng)能輻射量增大有所增高，但受氣溫影響的冷凝溫度是主導(dǎo)。同樣原因，隨后的COPejc會(huì)因?yàn)闅鉁叵陆刀衷龃?，但之后太?yáng)能輻射量急劇減少并成為影響噴射制冷系統(tǒng)性能的主導(dǎo)因素，因此其后COPejc隨之減少。以上是上海地區(qū)COPejc一天中隨時(shí)間變化趨勢(shì)，具有一定代表性。但由于各地氣候會(huì)差異較大，因此COPejc在各地隨時(shí)間變化趨勢(shì)并不完全一樣。

圖6為兩種不同類(lèi)型集熱器的太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)熱效率在一天中隨時(shí)間變化趨勢(shì)。從式 (5)可知STR為η與COPejc之積。因此也可以說(shuō)STR是集熱器效率和噴射系統(tǒng)效率的復(fù)疊。數(shù)據(jù)計(jì)算表明真空管集熱器在各計(jì)算點(diǎn)的數(shù)值為0.517到0.709平穩(wěn)變化，因此可以對(duì)比圖5與6發(fā)現(xiàn)，采用真空管集熱器的太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)其熱效率隨時(shí)間變化趨勢(shì)與COPejc類(lèi)似。而采用平板集熱器的系統(tǒng)，由于在太陽(yáng)能輻射值較低時(shí)，其效率急劇下降，因此其STR在16時(shí)急劇下降。

圖6 系統(tǒng)熱效率在一天中隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.6 The STR change with time in the day

太陽(yáng)能保證率可以說(shuō)明太陽(yáng)能?chē)娚渲评湓谄涫褂脮r(shí)，太陽(yáng)能在其所消耗總能量所占的比例。如果太陽(yáng)能保證率太小，則太陽(yáng)能?chē)娚渲评湓诮?jīng)濟(jì)性角度并不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此當(dāng)系統(tǒng)需要大量輔熱時(shí)并不介意安裝效率低的集熱器。然而，當(dāng)有大量廉價(jià)的熱可以獲得時(shí)，可以考慮使用效率低的集熱器，比如工廠(chǎng)廢熱?？紤]到圖7為上海地區(qū)一空調(diào)居室，分別采用面積為25m2真空管和平板集熱器時(shí)，太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)的太陽(yáng)能保證率隨時(shí)間變化趨勢(shì)，兩種型式的系統(tǒng)其太陽(yáng)能保證率隨時(shí)間變化趨勢(shì)類(lèi)似，均是先增大后減少，并都在10時(shí)達(dá)到最大。大部分時(shí)間里采用真空管集熱器的系統(tǒng)性能優(yōu)于采用平板集熱器的系統(tǒng)性能，說(shuō)明采真空管集熱器的系統(tǒng)性能更優(yōu)，但真空管集熱器價(jià)格比平板貴，使用時(shí)要考慮經(jīng)濟(jì)性因素。

圖7 太陽(yáng)能保證率在一天中隨時(shí)間變化情況Fig.7 The solar fraction change with time in the day

4 結(jié)論

太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)的性能受天氣等條件影響較大，然而由于自然因素，天氣條件在一天中不斷變化，太陽(yáng)能?chē)娚湎到y(tǒng)性能必然受其影響。因此本章結(jié)合某一地區(qū)氣候等因素對(duì)太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)逐時(shí)進(jìn)行分析，以分析一天中太陽(yáng)能?chē)娚渲评湎到y(tǒng)受天氣影響的變化情況，為其應(yīng)用及性能優(yōu)化提供參考。

符號(hào)表:

A—面積，m2

COP—性能系數(shù)

Cp—體積比熱容，kJ/(kg·K)

G—太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度，W/m2

h—比焓，kJ/kg

Q—熱量，kJ

SF—太陽(yáng)能保證率，%

STR—系統(tǒng)熱效率

T—溫度，℃

η—太陽(yáng)能集熱器效率

ω—噴射系數(shù)

下標(biāo):

a—環(huán)境

AUX—輔助熱源

c—冷凝器

e—發(fā)生器

ejc—噴射系統(tǒng)

g—蒸發(fā)器

i—集熱器進(jìn)口

o—集熱器出口

in—進(jìn)口

out—出口

p—工作流體

sc—集熱器采光板

solar—太陽(yáng)能

u—集熱器

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