典型氣象日蓄熱型太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能分析

李風(fēng)雷，任艷玲

（太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024）

太陽能噴射制冷系統(tǒng)是以光熱轉(zhuǎn)換的形式利用太陽能，將太陽能集熱器收集到的熱量作為熱源來驅(qū)動(dòng)噴射系統(tǒng).國內(nèi)外學(xué)者對噴射制冷做了相關(guān)的研究［1-8］.Dorantes等［1］以R142b為制冷劑分析了噴射系數(shù)和系統(tǒng)能效比（COP）隨著發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等的變化情況.Mani等［2］以R134a為制冷劑，對6種不同結(jié)構(gòu)尺寸的太陽能噴射制冷系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究.Vidal等［3］以R141b為制冷劑，建立了太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能逐時(shí)模擬程序，對巴西某地區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，得出了與相應(yīng)制冷量匹配的集熱器面積、傾角等.Yapici等［4］對制冷劑R123進(jìn)行了太陽能噴射制冷的實(shí)驗(yàn)研究.國內(nèi)的何曙等［8］選取我國具有代表性的7個(gè)城市，研究了太陽能噴射制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及其在我國應(yīng)用的可行性和可靠性.山西省太原市為第二類太陽能資源較豐富的地區(qū)，夏季有一半以上的天數(shù)日照時(shí)段內(nèi)平均太陽輻射照度能夠達(dá)到700 W·m-2，且7月11日這一天具有代表性 .因此，研究太陽能噴射制冷系統(tǒng)在良好氣象條件下的性能，對系統(tǒng)在該地區(qū)的應(yīng)用具有重要的預(yù)測意義.本文以太原地區(qū)的氣象參數(shù)為背景，選取R141b為制冷工質(zhì)，結(jié)合TRNSYS軟件對太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究了典型氣象日（7月11日）蓄熱型太陽能噴射制冷系統(tǒng)的性能，以及系統(tǒng)參數(shù)對各性能的影響.

1 系統(tǒng)工作原理

蓄熱型太陽能噴射制冷系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)和噴射制冷系統(tǒng)組成，如圖1所示.集熱系統(tǒng)主要有平板集熱器、分層蓄熱水箱、循環(huán)水泵；噴射制冷系統(tǒng)包括發(fā)生器、噴射器、蒸發(fā)器、冷凝器、工質(zhì)泵等部件.其中，蓄熱水箱出口、發(fā)生器入口處的流量調(diào)節(jié)閥決定了蓄熱水箱的輸出熱量.

圖1 蓄熱型太陽能噴射制冷系統(tǒng)Fig.1 Solar ejector refrigeration system with heat storage

系統(tǒng)工作工作原理：循環(huán)水泵開啟，水進(jìn)入平板集熱器內(nèi)，吸收熱量溫度升高后進(jìn)入蓄熱水箱；當(dāng)蓄熱水箱上層水溫達(dá)到熱水循環(huán)泵開啟所需溫度后，熱水進(jìn)入發(fā)生器；制冷劑在發(fā)生器中與熱媒進(jìn)行熱交換變成高壓飽和蒸汽（工作流體），進(jìn)入噴射器并在噴嘴中絕熱膨脹、壓力降低，從而將蒸發(fā)器中的蒸汽（引射流體）吸入噴射器中，混合后一同流入擴(kuò)壓段中，升高了引射流體的壓力；然后，混合后的蒸汽進(jìn)入冷凝器中放熱，冷凝成液體后，制冷劑分兩路，一路經(jīng)工質(zhì)泵被送入發(fā)生器中，另一路經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器中吸熱汽化.圖2為噴射制冷系統(tǒng)壓焓圖.

圖2 噴射制冷系統(tǒng)壓焓圖Fig.2 Pressure enthalpy diagram of ejector refrigeration system

2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 蓄熱水箱溫度分層數(shù)學(xué)模型

蓄熱水箱溫度分層的數(shù)學(xué)模型主要有多節(jié)點(diǎn)模型和插入流模型兩種.多節(jié)點(diǎn)模型的基本思想是：將水箱沿豎直方向分成多個(gè)層，每個(gè)層即為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的水溫相同，不同的節(jié)點(diǎn)溫度不同.由于希望集熱器的進(jìn)水溫度盡可能低，因此總是位于最下端；而取用熱水一般為最高溫度，即頂層溫度，因此供應(yīng)熱水的出口位于最上端 .集熱器的出水和自來水（或回水）入口均采用浮動(dòng)，尋找最佳的溫度層進(jìn)入［9］.圖3為N節(jié)點(diǎn)分層水箱示意圖.

圖3 N節(jié)點(diǎn)蓄熱分層水箱示意圖Fig.3 Stratified fluid storage tank

從集熱器出來的熱水和自來水（或回水）進(jìn)入蓄熱水箱入口位置，其控制功能可用數(shù)學(xué)方法描述如下：

1）定義函數(shù)Fci（i表示節(jié)點(diǎn)序號），用來描述接受集熱器的出水的水箱具體層，有

式（1）中：θc，o為集熱器的出水溫度；θs，i為蓄熱水箱第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的水溫.

2）定義函數(shù)FLi（i表示節(jié)點(diǎn)序號），用來描述接受自來水上水（或回水）的水箱具體層，有

式（2）中：θL，r為自來水上水（或回水）溫度.

由于水的流動(dòng)（進(jìn)水、出水），其質(zhì)量流量為m，節(jié)點(diǎn)間必然存在著相互混合，混合程度與集熱器流量、負(fù)荷流量的大小及控制函數(shù)瞬時(shí)值有關(guān).因此，節(jié)點(diǎn)間混合后節(jié)點(diǎn)i的質(zhì)量平衡方程表達(dá)式為

同時(shí)，節(jié)點(diǎn)i的能量平衡方程表達(dá)式為

由此可知，節(jié)點(diǎn)越多表示分層效果越好.文中在太陽能集熱系統(tǒng)TRNSYS模擬中采用的蓄熱分層水箱節(jié)點(diǎn)數(shù)為5.

2.2 噴射制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

噴射器是噴射制冷系統(tǒng)的核心部件.為了分析簡化，對其模型做出以下5點(diǎn)假設(shè)：1）流體在噴射器內(nèi)進(jìn)行一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；2）工作流體與引射流體均為飽和蒸汽；3）噴射器內(nèi)工作流體與引射流體混合過程為定壓混合；4）噴嘴入口、引射流體吸入口流體速度忽略不計(jì)；5）流動(dòng)及混合過程中不可逆因素以各自的效率表示.基于以上簡化假設(shè)，將質(zhì)量、能量、動(dòng)量守恒方程應(yīng)用于噴射器，噴射器的性能是由噴射系數(shù)u來評價(jià)的，可定義為

式（5）中：me為引射蒸汽流量；mg為工作蒸汽流量.

如圖2所示，對于噴射制冷循環(huán)的性能參數(shù)，通過能量守恒定律可以得到穩(wěn)態(tài)條件下，發(fā)生器換熱量（Qg）、冷凝器換熱量（Qc）、噴射制冷量（Qe）的基本方程，即

式（6）中 ：h5，h6分別為發(fā)生器出、入制冷劑焓值；h2，h3分別為冷凝器器入、出制冷劑焓值；h1，h4分別為蒸發(fā)器出、入制冷劑焓值.

忽略工質(zhì)泵耗功，則噴射制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP）為噴射制冷量（Qe）與發(fā)生器換熱量（Qg）的比值 .在典型氣象日，平均COP值為一天內(nèi)總制冷量（Qze）與發(fā)生器總換熱量（Qzg）的比值 .

3 系統(tǒng)的仿真模擬設(shè)計(jì)

圖4 太陽能集熱系統(tǒng)TRNSYS模擬Fig.4 TRNSYS simulation of solar heating system

圖4為太陽能集熱系統(tǒng)的TRNSYS仿真模擬示意圖，所需的氣象數(shù)據(jù)為太原市氣象數(shù)據(jù)［10］.在太陽輻射照度為700 W·m-2，氣溫為29℃的條件下，各模塊設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示［11］.

集熱側(cè)循環(huán)水泵受溫差和時(shí)間的聯(lián)合控制，其控制策略為：1）集熱器出口流體水溫高于集熱側(cè)循環(huán)泵出口水溫8℃時(shí)，自動(dòng)開啟循環(huán)水泵，當(dāng)二者之差小于2℃時(shí)，循環(huán)水泵關(guān)閉；2）水泵在6：00～19：00點(diǎn)之間處于開啟狀態(tài).熱水循環(huán)泵開啟受溫度的控制：蓄熱水箱的上層水溫達(dá)到85℃以上，水泵開啟.這樣做的目的是減少系統(tǒng)中各部件及循環(huán)管路的熱量損失從而節(jié)約電能.

表1 太陽能集熱系統(tǒng)各模塊輸入計(jì)算參數(shù)Tab.1 Parameters of the solar heating system

4 仿真結(jié)果與分析

利用前面的仿真模擬計(jì)算，求得蓄熱水箱各層水溫及噴射制冷系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間；然后，結(jié)合REFPROP（Version 6.01）軟件，計(jì)算圖2中制冷劑R134a各狀態(tài)點(diǎn)的所有物性 .最后，通過噴射制冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并分析太原地區(qū)典型氣象日（7月11日）蓄熱型太陽能噴射制冷系統(tǒng)的運(yùn)行情況及性能系數(shù).

4.1 系統(tǒng)性能隨環(huán)境工況的變化

在噴射器喉部面積比為7.5，蒸發(fā)溫度為8℃，冷凝溫度為32℃，工作流體和引射流體均為飽和蒸汽的設(shè)定條件下，典型氣象日蓄熱型太陽能噴射制冷系統(tǒng)噴射系數(shù)（u）、制冷量（Qe）和COP值隨太陽輻射照度的變化圖，如圖5所示 .從圖5可知：噴射系數(shù)、制冷量、系統(tǒng)COP值的變化趨勢是一致的.

根據(jù)TRNSYS模擬結(jié)果，蓄熱水箱上層溫度（θtop）隨太陽輻射照度（I）的變化規(guī)律，如圖6所示.從圖6可知：10：30之前噴射制冷系統(tǒng)并未運(yùn)行，這是由于太陽輻射照度較弱，蓄熱水箱處于儲(chǔ)熱階段，上層水溫過低而達(dá)不到噴射制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的發(fā)生溫度；10：45以后，隨著太陽輻射照度的增強(qiáng)，水箱蓄的熱越來越多，上層水溫也越來越高，發(fā)生溫度也隨著升高，噴射器噴射系數(shù)逐漸增大到最大噴射系數(shù) .此時(shí)，通過水箱出口與發(fā)生器間的調(diào)節(jié)閥控制發(fā)生器的輸出熱量，使噴射制冷系統(tǒng)維持在最大噴射系數(shù)下運(yùn)行.因此，即使太陽輻射照度還在增強(qiáng)，系統(tǒng)的各性能卻一直維持在最佳狀態(tài)，并且系統(tǒng)的性能也沒有立刻隨著太陽輻射照度的減小而減小，而是直到太陽輻射照度降到很弱且水箱上層溫度降低時(shí)噴射系數(shù)才開始減小 .這結(jié)果與傳統(tǒng)的，沒有蓄熱裝置的太陽能噴射制冷系統(tǒng)相比，更充分利用了太陽能.

圖5 典型日系統(tǒng)性能隨太陽輻射照度的變化Fig.5 Hourly variation of solar radiation intensity and refrigerating capacity during a typical day

圖6 典型日蓄熱水箱上層溫度隨太陽輻射照度的變化 Fig.6 Variation of upper temperature with solar radiation intensity during a typical day

4.2 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)冷凝溫度一定，蒸發(fā)溫度不同的工況下，典型氣象日噴射器喉部面積比為7.5的太陽能噴射制冷系統(tǒng)制冷量、COP值的逐時(shí)變化情況，如圖7所示.從前文已知制冷量、COP值是同步變化的.從圖7可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)制冷量、COP值均增大，而且蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)在最大噴射系數(shù)下運(yùn)行的時(shí)間越長，系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量也越多.

圖7 典型日蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig.7 Effect of evaporation temperature on refrigerating capacity during a typical day

4.3 冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響

在蒸發(fā)溫度一定，冷凝溫度不同的工況下，典型氣象日太陽能噴射制冷系統(tǒng)制冷量、COP值的逐時(shí)變化情況，如圖8所示.從圖8可知：隨著冷凝溫度的升高，系統(tǒng)制冷量、COP值均減小，而且冷凝溫度越低，系統(tǒng)在最大噴射系數(shù)下運(yùn)行的時(shí)間越長 .這是由于在低冷凝溫度工況下，噴射系數(shù)所對應(yīng)的發(fā)生溫度較低 .然而，蓄熱水箱在太陽輻射照度不太大的時(shí)候便可蓄足熱量，且使上層水溫能盡早達(dá)到噴射制冷系統(tǒng)運(yùn)行所需的溫度，這樣系統(tǒng)就能較早在最大噴射系數(shù)下運(yùn)行，而且延長了該狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間，從而增加了系統(tǒng)的總制冷量.

圖8 典型日冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig.8 Effect of condensation temperature on refrigerating capacity during a typical day

4.4 喉部面積比對系統(tǒng)性能的影響

在典型氣象日，3種不同喉部面積比（r）噴射器的太陽能噴射制冷系統(tǒng)制冷量比較，如圖9所示.從圖9可知：r＝6.6和r＝7.5的噴射制冷系統(tǒng)比r＝8.8的噴射制冷系統(tǒng)較早開始、較晚停止制冷 .這是由于在冷凝溫度、蒸發(fā)溫度一定的情況下，喉部面積比越大，噴射制冷系統(tǒng)運(yùn)行所需的發(fā)生溫度越高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間較短.從圖9中還可知：喉部面積比大的噴射制冷系統(tǒng)逐時(shí)最大制冷量較大，這是由于噴射系數(shù)隨著喉部面積比的增大而增大的原因.通過計(jì)算，r＝8.8時(shí)，典型日平均COP最大，其值為0.276.然而，與r＝6.6與r＝8.8相比，系統(tǒng)可提前45 min開始運(yùn)行，滯后80 min停止運(yùn)行.所以，系統(tǒng)中對噴射器的選擇應(yīng)考慮用戶逐時(shí)冷負(fù)荷需求的分布特點(diǎn).

4.5 溫度控制熱水循環(huán)泵開啟對系統(tǒng)性能的影響

在蒸發(fā)溫度為10℃，冷凝溫度為32℃計(jì)算工況下，熱水循環(huán)泵控制溫度在85，90℃的典型氣象日系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間分別為10：30～20：15和11：00～21：00.由此可以看出，水泵開啟溫度控制在90℃顯然要比在85℃開啟的晚30 min，提供冷量也要比后者滯后，但是前者卻比后者延遲45 min停止制冷.所以，水泵開啟的控制溫度就需要結(jié)合用戶對冷負(fù)荷的需求特點(diǎn)來設(shè)置，應(yīng)盡可能使系統(tǒng)的制冷量滿足用戶冷負(fù)荷需求的同時(shí)還能避免能源浪費(fèi).

圖9 典型日噴射器喉部面積比對制冷量的影響Fig.9 Effect of ejector throat area ratio on refrigerating capacity during a typical day

5 結(jié)論

1）蓄熱型太陽能噴射制冷系統(tǒng)的熱性能與太陽輻射照度有著密切的聯(lián)系，噴射系數(shù)、制冷量和系統(tǒng)COP值隨著太陽輻射照度的增強(qiáng)而增大 .噴射器達(dá)到最大噴射系數(shù)后，由于調(diào)節(jié)閥控制蓄熱水箱熱量輸出的作用使系統(tǒng)一直維持在系統(tǒng)最大COP值下運(yùn)行，中午過后，隨著太陽輻射照度的減弱系統(tǒng)的性能系數(shù)也跟著減小.這與傳統(tǒng)的沒有蓄熱裝置的太陽能噴射制冷系統(tǒng)相比，拓寬了系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間，充分地利用了太陽能.另外，噴射系數(shù)、制冷量和系統(tǒng)COP值的變化趨勢是一致的.

2）典型氣象日，以噴射器喉部面積比為7.5的噴射制冷系統(tǒng)為例，在冷凝溫度一定的情況下，隨著蒸發(fā)溫度的升高，制冷量、系統(tǒng)COP值均增大，而且蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)在最大噴射系數(shù)下運(yùn)行的時(shí)間越長，那么系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量也越多；而在蒸發(fā)溫度一定的情況下，隨著冷凝溫度的升高，制冷量、系統(tǒng)COP值均減小，且冷凝溫度越低，系統(tǒng)在最大噴射系數(shù)下運(yùn)行的時(shí)間越長，產(chǎn)生的制冷量也越大.

3）典型氣象日，在冷凝溫度、蒸發(fā)溫度一定的情況下，喉部面積比越大，噴射制冷系統(tǒng)運(yùn)行所需的發(fā)生溫度越高，系統(tǒng)開始運(yùn)行的越晚，停止運(yùn)行的越早，且運(yùn)行總時(shí)間越短.但同一運(yùn)行時(shí)間，喉部面積比越大，噴射系數(shù)越大，從而制冷量也越大.當(dāng)r＝8.8時(shí)，典型日平均COP值最大，為0.276.因此，噴射器的選擇應(yīng)考慮用戶冷負(fù)荷需求的分布特點(diǎn).

4）熱水循環(huán)泵開啟溫度控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)對系統(tǒng)制冷具有重要的意義.水泵開啟的控制溫度需要結(jié)合用戶對冷負(fù)荷的需求來設(shè)置，在盡可能滿足用戶冷負(fù)荷需求的同時(shí)還能避免能源浪費(fèi).

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