槽式聚光集熱驅(qū)動吸收式空調(diào)系統(tǒng)研究*

羅斌， 李明

(云南師范大學 太陽能研究所，云南 昆明 650092)

0 引 言

太陽能溴化鋰吸收式制冷是目前最成熟的太陽能制冷技術，現(xiàn)已進入實用化示范階段.國內(nèi)目前在山東乳山建成一座100 kW太陽能單效溴化鋰吸收式空調(diào)系統(tǒng)，選用540 m2太陽能熱管式真空管集熱器，其測試結果表明，系統(tǒng)制冷效率的變化范圍為0.5～0.71[1].在廣東江門建成并投入使用的另一座太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)采用500 m2高效太陽能平板集熱器和100 kW兩級溴化鋰吸收式制冷機，系統(tǒng)的熱源驅(qū)動溫度范圍為65～75 ℃，系統(tǒng)的熱源可利用溫差范圍達到12～17 ℃，更加有利于提高集熱器的效率和系統(tǒng)的制冷效率，但系統(tǒng)的制冷效率通常低于0.4[2].Ibrallim等[3]采用R22-DMETEG工質(zhì)對，設計了一套額定制冷量為4 000 kCal/h的太陽能單效吸收式制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)的制冷效率達到0.45～0.6.Arif Ileri[4]同樣采用R22-DMETEG工質(zhì)對，選用400 m2高效集熱器，設計了一套制冷量為100 kW的太陽能單效吸收式空調(diào)系統(tǒng)，并對其進行年運行性能分析，結果表明：與常規(guī)的電空調(diào)和鍋爐加熱系統(tǒng)相比，該太陽能系統(tǒng)冬季采暖與夏季制冷耗能分別減少38%、91%，平均年運行成本節(jié)省約50%.

目前，太陽能聚焦集熱器主要包括拋物槽式聚光集熱器(PTC)[5，6]、復合拋物面聚光集熱器(CPC)[7]、菲涅爾透鏡聚光集熱器和蝶式聚光集熱器等.拋物槽式聚光集熱器與聚光集熱器、平板集熱器、真空管集熱器、真空管熱管集熱器相比，具有聚焦比高、反應靈敏、工作流體出口溫度高、集熱效率高等優(yōu)點[8].本文采用以鋁合金腔體為吸收器的槽式聚光集熱系統(tǒng)，相比以金屬直通管為吸收器的槽式聚光系統(tǒng)降低了成本，在50～100 ℃范圍內(nèi)與其效率相當，是太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的最佳選擇，在太陽能中溫利用領域有很好的應用前景，已經(jīng)廣泛應用于采暖、制冷、發(fā)電、海水淡化等生活和生產(chǎn)領域.太陽能驅(qū)動的單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)是目前比較成熟、研究廣泛的吸收式制冷系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構簡單，對驅(qū)動熱源的溫度要求相對較低；同時與太陽能雙效吸收式制冷系統(tǒng)相比，單效吸收式制冷系統(tǒng)成本更有利于商業(yè)化.

1 太陽能空調(diào)系統(tǒng)

太陽能空調(diào)是利用太陽集熱器加熱熱媒水來驅(qū)動吸收式制冷機組的.太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要由吸收式制冷機組和太陽集熱兩大主要部件構成.本文所建立的太陽能吸收式空調(diào)實驗裝置系統(tǒng)主要由太陽能槽式聚光集熱器、熱水箱、單效溴化鋰吸收式制冷機組、冷卻塔、風機盤管等部件組成.其中槽式聚光集熱器與制冷機組的性能對整個系統(tǒng)的制冷效率具有直接的影響.圖1為本文的太陽能單效吸收式制冷系統(tǒng)示意圖.

圖1 太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)設計原理

2.1 會議室能耗分析

該建筑為某企業(yè)主辦公樓四樓會議室，面積為100 m2；建筑外立面有約為20 m2單層透明玻璃窗戶，外立窗戶面朝向為東偏北30°，部分窗戶可開啟；會議室空調(diào)系統(tǒng)為兩管制風機盤管.會議室平面幾何圖如圖2所示.

圖2 會議室平面幾何示意圖

其維護結構參數(shù)從模擬軟件的材料庫中選取，見表1.

表1 圍護結構參數(shù)

確定建筑的圍護結構參數(shù)后，即可利用面積指標方法對冷負荷設計指標進行計算：

Q=q·F

(1)

式中：Q—建筑物冷負荷或熱負荷，W；q—建筑物冷負荷或熱負荷設計指標，W/m2；F—建筑面積，m2.

利用昆明典型年氣象數(shù)據(jù)并結合會議室圍護結構參數(shù)以及房間使用功能進行模擬計算，得到夏季冷負荷為75 W/m2，冬季熱負荷為50 W/m2.

2.2 溴化鋰吸收式制冷機

單效溴化鋰吸收式制冷機組主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、循環(huán)泵等幾部件組成.本實驗所采用的熱水型單效溴化鋰吸收式制冷機組工作過程可分為以下兩部分，其循環(huán)示意圖如圖3所示.

圖3 吸收式制冷循環(huán)示意圖

(1)制冷劑循環(huán)(制冷循環(huán))

槽式聚光集熱器所產(chǎn)生的熱水在發(fā)生器內(nèi)加熱溴化鋰溶液析出低壓水蒸氣，水蒸氣進入冷凝器由冷卻水冷凝成液態(tài)水，通過節(jié)流閥產(chǎn)生低溫高壓的蒸氣進入蒸發(fā)器，在低壓下蒸發(fā)，從而產(chǎn)生制冷效應.這個過程與蒸汽壓縮式制冷循環(huán)相同.

(2)溶液循環(huán)

發(fā)生器中流出的高濃度溴化鋰溶液降壓后進入吸收器，吸收蒸發(fā)器內(nèi)所產(chǎn)生的蒸汽，變成稀溶液，再由溶液泵送回發(fā)生器重新加熱.這個過程相當于蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中的壓縮機功能.

太陽能空調(diào)系統(tǒng)制熱過程則由太陽能槽式集熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱水直接通過熱交換器與發(fā)生器內(nèi)的冷媒水換熱，達到對房間制熱的目的.表2給出了兩個的溴化鋰吸收式制冷機的具體參數(shù).

表2 小型熱水型吸收式制冷機組參數(shù)

利用表2中的溴化鋰吸收式制冷機的具體參數(shù)，即可對其夏季熱負荷進行計算：

PR=∑PRNTR

(2)

式中：PR—制冷機夏季耗電量或燃料消耗量， kWh/a或Nm3/a；PRN—制冷機額定功率， kW或Nm3/h；TR—制冷機累計運行時間，h，按夏季運行4個月，每月運行21 d，每天運行9 h計算；

由以上計算所得該會議室最大負荷值為7.5 kW，TX-11即可滿足房間要求，由表2可知，TX-11與TX-23制冷功率分別為11.5 kW、23 kW，但價格相同，根據(jù)其經(jīng)濟實用性，本系統(tǒng)確定采用TX-23型號機組.

根據(jù)《民用建筑采暖通風設計技術措施》[9]中推薦的此類公建空調(diào)設計面積指標為85～100 W/m2.因此，該系統(tǒng)所設計的建筑冷熱負荷值均符合國家要求.

2.3 太陽能槽式聚光集熱裝置

拋物面槽式聚光裝置是應用前景最廣闊的低倍聚光裝置之一，其最大的優(yōu)勢在于能夠穩(wěn)定提供較高溫度熱源.拋物面槽式聚光裝置主要由拋物面反射板和腔體集熱管組成.拋物面反射鏡為高反射率鋼化玻璃，腔體集熱管為鋁合金V型腔體(如圖4)，其軸線置于拋物柱面的焦線上.直通式真空管主要由玻璃外管和金屬吸熱管兩部分組成.吸熱管表面有高溫選擇性涂層；傳熱介質(zhì)(水)由吸熱管的一端流入，經(jīng)太陽輻射加熱后，從另一端流出進入溴化鋰吸收式制冷機驅(qū)動其制冷或制熱.根據(jù)本課題組對以鋁合金腔體為接收器的拋物槽式聚光集熱器在50～100 ℃范圍內(nèi)的研究，其集熱效率為0.5～0.6[10]，與金屬直通真空管接收器效率相當，其裝置示意圖如圖5所示.

表3 拋物反射鏡參數(shù)

圖4 鋁合金腔體吸收器

圖5 拋物槽式聚光集熱示意圖

3 經(jīng)濟適用性分析

相對于直燃型機組、電制冷機組，太陽能吸收式機組價格偏高主要原因在于集熱器投資較高.由圖6可知，以太陽能集熱制冷方式總投資最高，并且隨著制冷面積增大，太陽能集熱制冷方式與其他兩種制冷方式的初投資差距越大.表4為該項目的初投資工程造價表，由于該系統(tǒng)為小型熱水型機組，其性價比相對較低.

表4 太陽能空調(diào)系統(tǒng)工程造價表

圖6 機組總投資

3.1 經(jīng)濟環(huán)境效益分析

(3)

計算得該系統(tǒng)全年輻照量為3.18×105MJ，原煤的熱值q=29 MJ/kg，則將太陽能換算成原煤的質(zhì)量為：

m=H/q

(4)

計算所得原煤質(zhì)量為10 695 kg，槽式聚光集熱系統(tǒng)投資與鍋爐投資相差約為12.4萬元，則槽式聚光集熱系統(tǒng)回收期大約為11.3年.

雖然槽式聚光集熱系統(tǒng)初期投資較大，但是降低了化石能源與電能的消耗，減少了碳、硫、氮、煙塵等排放量，對改善生活環(huán)境起到了良好的促進作用.同時太陽能吸收式制冷空調(diào)與季節(jié)的高度匹配性，能夠有效地改善夏季用電緊張的局勢，產(chǎn)生良好的社會環(huán)境經(jīng)濟效益.

4 結 論

通過分析建筑能耗與系統(tǒng)經(jīng)濟性，有效地將太陽能槽式聚光集熱裝置與吸收式制冷機相匹配，實現(xiàn)夏季制冷、冬季采暖和其他季節(jié)提供熱水三種功能結合起來，達到一機多用、四季常用的目的，從而可以顯著地提高太陽能系統(tǒng)的利用率和經(jīng)濟性.通過對該系統(tǒng)的設計研究，得出以下結論：

對該會議室進行模擬能耗分析，得到夏季冷負荷約為75 W/m2，冬季熱負荷約為50 W/m2.現(xiàn)預裝60 m2槽式聚光集熱器以及23 kW單效溴化鋰吸收式制冷機完全能夠滿足房間要求，并符合國家公共建筑要求規(guī)范.

采用槽式聚光集熱驅(qū)動單效溴化鋰吸收式制冷機的系統(tǒng)，產(chǎn)品回收期約為11.3年.雖然太陽能吸收式中央空調(diào)初期投資較大，但有利于環(huán)境保護，同時太陽能空調(diào)與季節(jié)的良好匹配性，有利于節(jié)約能源，對小型中央空調(diào)的商業(yè)化起到積極的推動作用.

參 考 文 獻:

[1] 何梓年，朱寧，劉芳，等．太陽能吸收式空調(diào)及供熱系統(tǒng)的設計和性能[J]．太陽能學報，2001，22(1)：6-11．

[2] 李戩洪，馬偉斌，江晴，等．100 kW太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)[J]．太陽能學報，1999，20(3)：239-243．

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[4]ARIF ILERI．Yearly simulation of a solar-aided R22-DEGDME absorption heat pump system[J]．Solar Energy，1995，55(4)：255-265．

[5] TIERNEY M J．Options for solar-assisted refrigeration-trough collectors and double-effect chi1lers[J]．Renewable Energy，2007，32(2)：183-199．

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[9] 中國建筑科學研究院.民用建筑采暖通風設計技術措施[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1983.

[10]CHEN FEI,LI MING,JI XU,et al.Design and optimization on linear integrated triangular cavity absorber for parabolic trough solar concentrator[C].12th International Conference on Sustainable Energy technologies,Hongkong,China,2013:2410-2419.