雙分層水箱太陽能噴射制冷循環(huán)特性

郝新月陳光明宣永梅謝寶成

(1浙江大學寧波理工學院 寧波 315100;2西安工程大學環(huán)境與化學工程學院 西安 710048)

雙分層水箱太陽能噴射制冷循環(huán)特性

郝新月1，2陳光明1宣永梅1謝寶成1，2

(1浙江大學寧波理工學院 寧波 315100;2西安工程大學環(huán)境與化學工程學院 西安 710048)

本文提出一種采用雙分層水箱的太陽能噴射制冷循環(huán)，分層水箱熱分層顯著，頗具可用能儲存優(yōu)勢，結(jié)合大小水箱各自的優(yōu)勢彌補因太陽日輻射量波動而導致太陽能利用率不高、太陽能驅(qū)動的噴射制冷效率較低等問題。采用逐時冷負荷分析法分析了雙分層水箱太陽能噴射制冷系統(tǒng)特性，結(jié)果表明:該制冷循環(huán)高品位能耗約為普通機械壓縮制冷循環(huán)的1/5，較傳統(tǒng)水箱太陽能噴射制冷循環(huán)全天工作時間約多4 h，日產(chǎn)冷量提高36.8%，且分層水箱噴射制冷系統(tǒng)的逐時制冷量與辦公室逐時冷負荷更吻合。

太陽能噴射制冷;分層水箱;逐時冷負荷

AbstractA solar-powered ejector refrigeration system with double-partitioned water storage tanks was proposed and analyzed.The stratified water tank had higher energy storage capacity and better thermal stratification than the conventional design.The advantages of a partitioned water storage tank and large and small water tanks were fully utilized in the novel system to compensate for the disadvantages of low solar energy utilization and low solar-powered ejector refrigeration efficiency，which resulted from the solar energy instability.In this study，the performance of the novel system was analyzed using an hourly cooling load analysis method.The high-grade energy consumption of the novel system is approximately 1/5 that of the conventional mechanical compression refrigeration cycle.The whole-day working time increases by 4 hours and the cooling capacity increases by 36.8%compared with the solar-powered ejector refrigeration cycle for the conventional water tank.In addition，the hourly cooling capacity of the novel system and the hourly cooling load of the office are more consistent than those of the conventional system.

Keywordssolar energy ejector refrigeration;partitioned water tank;hourly cooling load

太陽能噴射制冷以高品位能耗低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)勢突出，但應(yīng)用范圍受限于太陽能的不穩(wěn)定性和噴射制冷效率較低等。近年來諸多學者從計算、模擬、實驗、系統(tǒng)改進等方面進行噴射式制冷的研究，W.Pridasawas等[1]進行了太陽能-電輔熱驅(qū)動的噴射式制冷系統(tǒng)的全年工況計算，結(jié)果表明電輔助熱源較大程度上影響系統(tǒng)經(jīng)濟性;Guo J.等[2]采用集總方法結(jié)合動態(tài)模型分析了辦公建筑用太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能;A.J.Meyer等[3]搭建了由太陽能或廢熱驅(qū)動的噴射式制冷系統(tǒng);Li C.H.等[4]提出了利用太陽能吸附-噴射式制冷系統(tǒng)，不僅解決了吸收式系統(tǒng)不能持續(xù)工作的問題，還提高了噴射式制冷系統(tǒng)的運行效率;Liu Yicai等[5]對比三種不同連接形式的噴射/壓縮復(fù)合式家用冰箱制冷循環(huán)，結(jié)果表明冷藏室與冷凍室并聯(lián)的交叉再生式系統(tǒng)充分利用了節(jié)流損失，且確保制冷劑進入噴射器的工質(zhì)為氣態(tài);Yu Jianlin等[6]提出了噴射/壓縮自復(fù)疊制冷循環(huán)，由噴射器提升壓縮機吸氣口壓力，降低壓縮機壓比，提高系統(tǒng)性能系數(shù)。

太陽能水箱是太陽能噴射制冷系統(tǒng)的儲熱設(shè)備，

2 數(shù)學模型及計算條件

2.1 數(shù)學模型

參照圖1，太陽能噴射制冷的熱平衡方程為:

蒸發(fā)器制冷量Qe:

發(fā)生器換熱量Qg:

冷凝器換熱量Qc:

循環(huán)泵功耗Wb:

太陽能集熱器集熱量Qcol:

太陽能集熱器效率η[16]:

col

太陽能產(chǎn)熱水量q[16]:

mw

式中:tout為集熱器出口溫度，℃;tin為集熱器進口溫度，℃。

噴射制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP:

太陽能噴射制冷系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COP0:

壓縮制冷系統(tǒng)制冷量Qee:

壓縮制冷壓縮機功耗WY:

機械壓縮制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COPth:

CO2的年排放量DCO2

引入清潔發(fā)展機制(CDM)方法估算雙分層水箱太陽能復(fù)合制冷循環(huán)的溫室氣體減排量。CDM是指發(fā)達國家通過提供資金(從發(fā)展中國家購買CO2的減排量)和技術(shù)的方式，與發(fā)展中國家開展項目級的合作，通過項目所實現(xiàn)的“經(jīng)核證的溫室氣體減排量”(CER)，由發(fā)達國家締約方用于完成其在《京都議定書》中的承諾。具體減排目標的溫室氣體包括CO2、CH4、NO2、HFCS、PFCS和 SF6共 6 種，一個項目的CO2排放包括消耗天然氣的排放、購電的排放和制冷劑泄漏的排放3部分，不考慮天然氣的排放量，CO2年排放量(t/a)為[17-19]:

DCO2=天然氣的CO2排放+購電的CO2排放+R245fa泄漏的CO2排放

式中:Q為換熱量，kW;qm為質(zhì)量流量，kg/s;h為工質(zhì)比焓，kJ/kg;W為功耗量，kW;A為面積，m2;I為太陽能輻射量，W/m2;ηd為泵的隔膜效率，60%;ηe為泵的電效率，95%;t為溫度，℃;μ為噴射器引射系數(shù);FR為熱轉(zhuǎn)移因子;τ為集熱器的太陽投射比;α為太陽吸收比;UL為集熱器的總熱損失系數(shù);Tcol為集熱器水溫，K;Ta為環(huán)境溫度，K;DCO2為CO2年排放量，t/a;Epurchased為年購電量，MW·h;QFV為 R245fa的系統(tǒng)充注量，t;CER為R245fa泄漏率，t CO2/(MW·h);EGWPR245fa為R245fa全球增溫潛能;QFV0為制冷系統(tǒng)的單位充注量(每產(chǎn)生1 163 kW冷量的制冷劑充注量)，kg;Qc_max為制冷系統(tǒng)的最大制冷量，kW;CEF為電力排放因子，t CO2/(MW·h)，根據(jù)2014年國家發(fā)改委數(shù)據(jù)，中國區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子華中電網(wǎng)WOM=0.5，EFOM=0.9 724，WBM=0.5，EFBM=0.4 737，即CEF=0.72 305。

2.2 氣象條件及計算基礎(chǔ)

根據(jù)中國氣象局國家氣象信息中心發(fā)布的全國氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合河南地區(qū)典型氣象日氣象參數(shù)，選取河南省鄭州市典型年7月29日氣象數(shù)據(jù)為計算參考，水平面總輻射強度、環(huán)境溫度及相對濕度數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 河南省鄭州市典型年7月29日氣象數(shù)據(jù)Fig.2 The typical meteorological data of Zhengzhou in Henan on July 29th

計算選取某辦公建筑面積為110 m2頂層綜合辦

公室，正常辦公時段為08∶00～18∶00，下午太陽能不足時由蓄熱水箱補足驅(qū)動，空調(diào)系統(tǒng)選取制冷溫度為16℃的溫濕度獨立控制方案，噴射制冷系統(tǒng)的驅(qū)動溫度為85℃發(fā)生溫度。集熱器熱水出口溫度為90℃，進口水溫適水箱溫度相應(yīng)調(diào)整;發(fā)生器供/回水溫度分別為90℃/85℃，當水箱溫度不足90℃時，發(fā)生器供回水溫度發(fā)生變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 逐時冷負荷及水箱尺寸計算

辦公室是建筑面積為110 m2的頂層節(jié)能建筑，冷負荷由西外墻、北外墻、北外窗、屋頂、人員和設(shè)備散熱等組成。采用冷負荷系數(shù)法計算該辦公室逐時冷負荷Q0，如表1所示，一天內(nèi)房間冷負荷隨時間增加呈先增大后減小的趨勢，最大冷負荷出現(xiàn)在18∶00。

表1 各計算參數(shù)隨時間變化Tab.1 Variation of each parameter with time

假定噴射制冷系統(tǒng)于10∶00時能完全由太陽能驅(qū)動，且滿足發(fā)生器負荷及流量要求，由公式(5)～(7)計算集熱器面積為80 m2。根據(jù)集熱器有效集熱量、辦公室逐時冷負荷及熱水流量，設(shè)置大水箱長寬高尺寸為1.5 m×1 m×2 m的立方體，各分層板位于水箱高度方向1/5處，小水箱尺寸為0.5 m×0.5 m×1 m的立方體，各分層板位于水箱高度方向1/3處，大水箱約12∶30開始蓄熱，此刻集熱器側(cè)閥1、2、4、5開啟，根據(jù)能量守恒方程計算集熱器出入口溫度。結(jié)合房間冷負荷和全天太陽能輻射量，設(shè)置傳統(tǒng)太陽能噴射制冷水箱尺寸為1 m×1.5 m×2 m的立方體，水箱溫度達驅(qū)動溫度的時間約11∶30。噴射制冷系統(tǒng)發(fā)生器熱量由集熱水箱提供，熱源供/回水溫度分別為90℃/85℃，噴射制冷系統(tǒng)發(fā)生溫度為85℃、冷凝溫度為35℃、蒸發(fā)溫度16℃為時引射系數(shù)為0.48，噴射制冷系統(tǒng)COP為0.376，太陽能噴射制冷系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COP0約0.21。

3.2 雙分層水箱的工作特性

蓄熱水箱由大、小兩個分層水箱組成，小水箱容量小、溫升快，不需要等整個水箱溫度升高后才可驅(qū)動噴射制冷系統(tǒng)，當太陽能不充分時，僅使用小水箱可使系統(tǒng)盡快開啟，大水箱起太陽能集熱充足時蓄能作用，也為太陽能不足時(16∶00之后)作補充;熱量較冷量便于儲存，分層水箱溫度分層效果較明顯，總蓄能相同時能儲存更多可用能，且溫度分層對水箱高度依賴較小。

圖3 水箱出口溫度、集熱器產(chǎn)熱水量和發(fā)生器需熱水量隨時間變化Fig.3 Outlet temperature of water tank,hot water production rate and consumption with time

圖3所示為水箱出口溫度即發(fā)生器熱源進口溫度隨時間變化，當DTER和CTER的太陽能相同時，新循環(huán)水箱出口溫度于08∶00可達90℃，而傳統(tǒng)循環(huán)約11∶30可達相同溫度;當傍晚太陽能不充足時，噴射制冷循環(huán)采用水箱蓄熱驅(qū)動，水箱溫度從17∶00開始降低，但CTER的溫度下降斜率遠高于DTER，新循環(huán)于19∶00左右達最低驅(qū)動溫度85℃，而傳統(tǒng)循環(huán)于17∶40左右已難以達驅(qū)動溫度，即DTER全天工作時間比CTER約多4 h。集熱器產(chǎn)熱水量與發(fā)生器需熱水量在一天內(nèi)隨時間增加呈先增大后減小的趨勢。但因各供、回水溫度不同，集熱系統(tǒng)產(chǎn)熱水量和噴射制冷系統(tǒng)用熱水量也不同，發(fā)生器供回水溫差較小，循環(huán)量較大，集熱系統(tǒng)與之相反，經(jīng)計算，集熱器面積為80 m2時，DTER在11∶00～16∶30間的集熱量遠大于噴射制冷系統(tǒng)發(fā)生器負荷，即分層水箱蓄熱量較多;而CTER在11∶30～15∶00間的集熱量略大于噴射制冷系統(tǒng)發(fā)生器負荷，傳統(tǒng)系統(tǒng)蓄熱較少。DTER充分運用雙分層水箱的優(yōu)勢，提高了太陽能噴射制冷的工作效率。

3.3 冷負荷對比分析

房間冷負荷與太陽能噴射制冷系統(tǒng)產(chǎn)冷量在一天內(nèi)皆隨時間增加呈先增大后減小的趨勢，如圖4所示。DTER制冷量在10∶00～16∶00間遠高于房間冷負荷，將此剩余能量以熱水形式儲存于太陽能集熱系統(tǒng)中的熱水蓄水箱(分層水箱2)，以作為太陽能不足時(16∶00之后)的熱源，此方法可明顯提高太陽能噴射制冷日產(chǎn)冷總量，以提高太陽能利用率。在相同條件下，DTER可于10∶00～19∶00間供給房間全部負荷，而CTER僅于12∶00～16∶00間可供給房間全部負荷;DTER全天制冷量為85.1 kJ，而CTER全天制冷量為62.2 kJ，即較傳統(tǒng)水箱太陽能噴射制冷循環(huán)全天產(chǎn)冷量提高約36.8%，且分層水箱噴射制冷系統(tǒng)的逐時制冷量與辦公室逐時冷負荷更吻合。

圖4 房間冷負荷和制冷量隨時間變化Fig.4 Cooling load of room and cooling capacity of refrigeration system with time

3.4 全負荷運行分析

圖1中，太陽能噴射制冷系統(tǒng)供給冷負荷不足的部分由壓縮制冷系統(tǒng)補充。圖5所示為噴射制冷系統(tǒng)冷負荷與機械壓縮制冷冷負荷分配，DTER與房間負荷的匹配較CTER更吻合，且系統(tǒng)工作時間全負荷運行所需機械壓縮制冷補給負荷更少。機械壓縮制冷性能系數(shù)為3.5，系統(tǒng)泵功耗、壓縮機功耗、高品位功耗量如表2和表3。若該辦公室為正常上班時間08∶00～18∶00，DTER 高品位功耗量約為 CTER 的1/3，約為機械壓縮制冷系統(tǒng)的1/8倍;若該辦公室為加班上班時間08∶00～20∶00，DTER高品位功耗量約為CTER的1/2，約為機械壓縮制冷系統(tǒng)的1/4倍，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢。

圖5 冷負荷分配隨時間變化Fig.5 Variation of cooling load distribution with time

表2 系統(tǒng)高品位功耗(08∶00～18∶00)Tab.2 High-grade power consumption of system(08∶00 ～18∶00)

表3 系統(tǒng)高品位功耗(08∶00～20∶00)Tab.3 High-grade power consumption of system(08∶00 ～20∶00)

3.5 全負荷運行時系統(tǒng)CO2排放量

系統(tǒng)用電線損率約為8%，本文采用制冷工質(zhì)R245fa泄漏率約0.05 t CO2/(MW·h)，R245fa全球變暖潛能約820，每產(chǎn)生1 163kW制冷量的太陽能噴射制冷系統(tǒng)R245fa充注量約為403.2 kg，電力排放因子約為0.72 305 t CO2/(MW·h)。將上述參數(shù)代入式(13)～式(14)中整理可得系統(tǒng)的CO2年排放量(t/a)為:

DCO2=0.737 81Epurchased+0.014 214Qc-max(16)

表4和表5所示為以鄭州地區(qū)制冷空調(diào)年運行天數(shù)為70 d/a估算CO2年排放量。若該辦公室為正常上班時間08∶00～18∶00，DTER的CO2年排放量約為傳統(tǒng)機械壓縮制冷系統(tǒng)的0.15倍，約為CTER的0.33;若該辦公室為加班上班時間08∶00～20∶00，DTER的CO2年排放量約為傳統(tǒng)機械壓縮制冷系統(tǒng)的0.27，約為CTER的0.54。在節(jié)能減排緊迫的當今，該系統(tǒng)具有相當廣泛的應(yīng)用前景。

表4 制冷系統(tǒng)CO2年排放量(08∶00～18∶00)Tab.4 Annual emissions of CO2in refrigeration system(08∶00 ～ 18∶00)

表5 制冷系統(tǒng)CO2年排放量表(08∶00～20∶00)Tab.5 Annual emissions of CO2in refrigeration system(08∶00 ～ 20∶00)

4 結(jié)論

1)雙分層水箱與普通水箱相比，充分運用了大、小水箱及分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，提高了太陽能利用率和噴射制冷性能。小水箱容量小、升溫快、方便控制;大水箱儲能便利，太陽能充足及不足時充分體現(xiàn)蓄能優(yōu)勢;分層結(jié)構(gòu)使水箱內(nèi)溫度分層現(xiàn)象更顯著，更具儲能優(yōu)勢，新循環(huán)(DTER)較傳統(tǒng)太陽能噴射制冷循環(huán)(CTER)工作時間約多4 h，全天產(chǎn)冷量提高約36%;集熱系統(tǒng)通過閥門切換調(diào)節(jié)實現(xiàn)太陽能高效利用。

2)采用噴射制冷與機械壓縮制冷并聯(lián)的方法可實現(xiàn)系統(tǒng)全天候運行，滿足在早晨、晚上或陰雨天氣等太陽能不足時的房間冷負荷需求。較傳統(tǒng)機械壓縮制冷循環(huán)，DTER可節(jié)約高品位能耗約4倍，降低CO2年排放量約3倍。

3)采用分層水箱噴射制冷循環(huán)的逐時制冷量與房間逐時冷負荷更吻合，系統(tǒng)更具節(jié)能優(yōu)勢。

本文受寧波市重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新專項(2016B10003)和浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室(201600BA)項目資助。(The project was supported by the Ningbo Science and Technology Bureau(No.2016B10003)and Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province (No.201600BA).)

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Performance of Solar-powered Ejector Refrigeration System with Double-partitioned Water Storage Tanks

Hao Xinyue1，2Chen Guangming1Xuan Yongmei1Xie Baocheng1，2
(1.Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University， Ningbo， 315100， China;2.School of Environmental and Chemical Engineering， Xi′an Polytechnic University， Xi′an， 710048， China)

TB66;TK511.3

A

國家自然科學基金(51276171)資助項目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51276171).)

2017年2月9日

0253-4339(2017)05-0007-07

10.3969/j.issn.0253-4339.2017.05.007

陳光明，男，博士，教授，浙江大學寧波理工學院，(0571)87951680，E-mail:gmchen@zju.edu.cn。 研究方向:制冷基礎(chǔ)熱力學理論，節(jié)能與低品位能源利用，制冷空調(diào)熱泵技術(shù)。

About the corresponding authorChen Guangming， male， Ph.D.， professor， Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University， +86 571-87951680，E-mail:gmchen@zju.edu.cn.Research fields:fundamentals of refrigeration thermodynamics，low grade energy utilization and energy conservation，refrigeration air-conditioning and heat pumps.