不同形式太陽能集熱器對吸收式制冷系統(tǒng) 運(yùn)行影響分析

程友良，劉 萌，程偉良，集鑫鋒，占成林

（1.華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系，河北 保定 071003； 2.華北電力大學(xué)河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003； 3.華北電力大學(xué)保定市低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

隨著住宅和工業(yè)制冷需求的不斷增加，空調(diào)和制冷行業(yè)已發(fā)展成為關(guān)鍵行業(yè)[1]。根據(jù)國際制冷研究所（IIR）的數(shù)據(jù)，全球運(yùn)行中的制冷系統(tǒng)總數(shù)約為50億套[2]。這些設(shè)備消耗的電量約占全球總用電量的20%。因此，探索新的制冷方案已成為全球性問題。隨著太陽能集熱技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了可以制取不同溫度的太陽能集熱器[3]。多種形式的太陽能集熱器可以為吸收式制冷系統(tǒng)提供更加靈活和高效的配置方案。

太陽能吸收式制冷系統(tǒng)經(jīng)常使用水系、氨系等天然工質(zhì)，目前仍然無法替代蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)[4]。為此，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了各種形式的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)[5]。Syed等人[6]對由平板型太陽能集熱器（FTC）驅(qū)動(dòng)的單效吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)測試日當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到809 W/m2時(shí)，熱源溫度達(dá)到79.7 ℃，冷水出口溫度為8 ℃，制冷能力為6.63 kW，可以滿足住宅的制冷需求。徐震原等[7]對位于昌樂縣采用真空管型太陽能集熱器（ETC）驅(qū)動(dòng)的單/雙效吸收式制冷系統(tǒng)做了測試研究，全天太陽能集熱器的溫度在56.0～85.8 ℃，冷卻水溫度約30 ℃，冷凍水溫度為10～18 ℃，這種純太陽能制冷只能在白天運(yùn)行。Li等人[8]研究了在中國廣州亞熱帶氣候條件下，太陽能集熱器工作溫度對20 kW風(fēng)冷雙效吸收式制冷機(jī)性能的影響，建立了面積為27 m2的太陽能復(fù)合拋物面集熱場模型，并提出了太陽能集熱器的最佳運(yùn)行溫度范圍為100～125 ℃。鄭雪景等[9]對槽式太陽能集熱器（PTC）驅(qū)動(dòng)的雙效吸收式冷熱一體化系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與性能分析，該系統(tǒng)可以減少21.3%的一次能源消耗和18.8%的CO2排放，具有良好的可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用前景。另外，李靖等[10]還對采用平板集熱器（FPC）、真空管太陽能集熱器（ETC）、復(fù)合拋物面型太陽能集熱器（CPC）和槽式太陽能集熱器（PTC）驅(qū)動(dòng)的單效吸收式制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，采用真空管太陽能集熱器的制冷系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

隨著太陽能集熱器技術(shù)的成熟和推廣，對太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性及經(jīng)濟(jì)性的研究也逐漸深入。但對不同太陽能吸收式制冷系統(tǒng)在整個(gè)制冷季的動(dòng)態(tài)特性分析很少。本文研究了不同太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，對不同系統(tǒng)進(jìn)行了多變量優(yōu)化，并對優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了對比分析，為太陽能集熱器在熱制冷領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和應(yīng)用借鑒。

1 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)簡介

以豫北農(nóng)村住宅(36.08°N,114.35°E)為冷負(fù)荷研究對象[11]，建立采用不同形式太陽能集熱器作為熱源的吸收式制冷系統(tǒng)?；谖帐街评湎到y(tǒng)循環(huán)流體和流體溫度，將系統(tǒng)分為4個(gè)子系統(tǒng)：太陽能子系統(tǒng)（太陽能集熱器到儲罐環(huán)路）、熱流體子系統(tǒng)（儲罐到吸收式制冷機(jī)組環(huán)路）、冷卻水子系統(tǒng)（吸收式冷水機(jī)組到冷卻塔環(huán)路）和負(fù)荷子系統(tǒng)（吸收式冷水機(jī)組到建筑負(fù)荷環(huán)路）[12]。太陽能熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，吸收式制冷機(jī)是系統(tǒng)的重要組成部分，連接各子系統(tǒng)。各設(shè)備主要參數(shù)見表1[13]和表2[14]。

表1 太陽能集熱器主要模擬參數(shù) Tab.1 Main simulation parameters of the solar collector

表2 系統(tǒng)主要設(shè)備的模擬參數(shù) Tab.2 Simulation parameters of main equipment of the system

2 建立模型及驗(yàn)證

2.1 模型建立

基于METEONORM軟件生成的天氣文件和瑞士太陽能研究所提供的測試報(bào)告[15]以及天空各向同性散射計(jì)算模型，利用Fortran程序設(shè)計(jì)語言構(gòu)建了不同形式的太陽能集熱器模型。太陽能集熱器數(shù)學(xué)模型主要包括光學(xué)性能模塊和熱力學(xué)性能模塊。為了簡化計(jì)算，對模型進(jìn)行以下假設(shè)[3]：1）系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；2）忽略制冷機(jī)、水泵以及相關(guān)附件的散熱損失；3）不考慮系統(tǒng)中流體的損耗及補(bǔ)充；4）忽略各部件壓損。仿真模型如圖2所示。

對于光學(xué)性能部分，可以利用計(jì)算得到的橫向和縱向入射角，在入射角修正值表中通過插值的方法求出不同入射角下直射輻射的入射角修正值。橫向和縱向入射角公式為：

式中：θt和θl分別為橫向和縱向入射角，°；θz為天定角，°；θ為入射角，°；γ和γs分別為太陽能集熱器的方位角和太陽方位角，°。

利用太陽能集熱器為吸收式制冷機(jī)提供熱源?；贖ottel-Whillier-Bliss公式[16]，可以確定太陽能集熱器的熱效率為：

太陽能集熱器獲得的能量為：

式中：ηc為太陽能集熱器效率；c0為效率截距；c1和c2分別為一階和二階效率系數(shù)；Tin和Ta分別太陽能集熱器的進(jìn)口溫度和環(huán)境溫度，℃；Qc為太陽能集熱器獲得的熱量，kW；Ac為太陽能集熱器的采光面積，m2；IT為太陽輻射強(qiáng)度，kW/m2；IAM為入射角修正系數(shù)。

本文以YAZAKI公司[17]生產(chǎn)的熱驅(qū)動(dòng)溫度75～95 ℃的單效吸收式制冷機(jī)（WFC-M100）性能參數(shù)為依據(jù)，建立變工況模型[18]；然后，將變工況數(shù)據(jù)導(dǎo)入TRNSYS軟件的單效制冷機(jī)模型中。其主要公式為：

熱水型雙效吸收式制冷機(jī)采用TRNSYS軟件中提供的雙效吸收式制冷系統(tǒng)，主要參數(shù)見表2。另外，本文采用逆流開式冷卻塔來冷卻吸收器和冷凝器。軟件TRNSYS的Type162d模塊可以模擬逆流開式冷卻塔的性能。該模塊需要提供特定的參數(shù)來確定傳質(zhì)單元數(shù)（NNTU）和流量比的關(guān)系。

式中：c和n為設(shè)計(jì)冷卻塔的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，c=1.62，n= -0.62；mw為流體質(zhì)量流量，kg/h；ma為空氣質(zhì)量流量，kg/h。

2.2 模型驗(yàn)證

太陽能集熱器和吸收式制冷機(jī)模型是仿真系統(tǒng)的主要組成部分，本文針對每種太陽能集熱器類型，采用了特定的熱效率方程。其中，F(xiàn)TC、ETC、PTC效率方程的數(shù)據(jù)根據(jù)瑞士太陽能研究所提供的測試報(bào)告選??；CPC效率方程采用文獻(xiàn)[18]提供的數(shù)據(jù)擬合而成。圖3為太陽能集熱器模型驗(yàn)證，黑色虛線為測試報(bào)告中的性能曲線，紅色實(shí)線為在相同測試條件下太陽能集熱器模型的性能曲線。

從圖3可以看出，測試和模型性能曲線的吻合度較高。吸收式制冷機(jī)組模型參考文獻(xiàn)[19]建立，實(shí)驗(yàn)值與仿真值的最大誤差為2.22%，說明本文建立的模型有效。

3 模擬結(jié)果及分析

基于TRNSYS軟件，本文分別建立平板型、真空管型、復(fù)合拋物面型以及槽式拋物線型太陽能集熱器驅(qū)動(dòng)的制冷系統(tǒng)。為了準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)的運(yùn)行情況，選擇7.5 min作為仿真時(shí)間步長；模擬時(shí)段為6月15日—9月1日?；谏鲜?種制冷系統(tǒng)，本文對影響系統(tǒng)性能的太陽能集熱器面積、傾角和儲能罐體積進(jìn)行了優(yōu)化分析。為了確保分析具有普遍的適用性，對太陽能集熱器面積和儲能罐體積的單位進(jìn)行了歸一化處理。太陽能集熱器的傾角變化范圍為0～45°；太陽能集熱器面積的變化范圍為0.5～6.0 m2/kW（單位制冷量所需太陽能集熱器面積，Ap）；儲能罐體積的變化范圍是10～175 L/m2（單位面積太陽能集熱器所需儲能罐體積，Vp）[12]。優(yōu)化參數(shù)及優(yōu)化結(jié)果見表3。其中，SSlope為太陽能集熱器傾角；SF為太陽能保證率；優(yōu)化方法采用Hooke-Jeeves模式搜索法；目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)CCOPs（制冷量與輔助能量的比值）。

表3 參數(shù)優(yōu)化 Tab.3 Parameters optimization

3.1 熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

圖4為6月15日—9月1日不同熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)儲能罐溫度。從圖4可以看出，不論采用哪種類型太陽能集熱器，系統(tǒng)儲能罐溫度變化并不大，這主要是受限于要滿足制冷機(jī)75～95 ℃運(yùn)行工況的運(yùn)行策略。因此，對于采用單效吸收式制冷機(jī)的系統(tǒng)，采用高溫太陽能集熱器，并不能充分發(fā)揮其溫度優(yōu)勢。然而，對于采用雙效吸收式制冷機(jī)的系統(tǒng)，可以發(fā)揮PTC制取高溫?zé)崴膬?yōu)勢，為系統(tǒng)提供高溫?zé)嵩础?/p>

3.2 太陽能集熱器性能

太陽能集熱器的主要作用是提供熱源，因此其在系統(tǒng)中的集熱能力尤為重要。為此本文選取了包含太陽輻射強(qiáng)度較穩(wěn)定和波動(dòng)的7月30日—8月2日（全年時(shí)段為5 040～5 112 h），模擬得到的太陽 能集熱器性能曲線如圖5所示。由圖5可見，太陽 能集熱器接收到的輻射強(qiáng)度（I）與太陽能集熱器的光學(xué)性能和太陽輻射強(qiáng)度有關(guān)。由圖5a)可見，ETC接收太陽輻射強(qiáng)度的能力最強(qiáng)。在5 076 h，ETC可以接收776.3 W/m2的太陽輻射；而同一時(shí)刻，PTC接收太陽輻射的能力最弱，僅可接收348.1 W/m2的太陽輻射。這是因?yàn)镻TC主要吸收太陽的直射輻射，散射輻射（約占總輻射的51.5%）沒有得到充分利用。

由圖5b)可以看出，太陽能集熱器收集的能量與其接收到的輻射強(qiáng)度變化趨勢一致。

圖6分別為采用FPC、ETC、CPC和PTC的單效吸收式制冷系統(tǒng)的運(yùn)行曲線。運(yùn)行曲線反映了太陽能集熱器出口溫度（Tc）、發(fā)生器進(jìn)口溫度（Th）、輔助加熱器耗能量（Qaux）以及機(jī)組制冷量（Qe）隨時(shí)間變化的情況。

由圖6可以看出，因?yàn)槭苤评錂C(jī)運(yùn)行策略的約束，進(jìn)入發(fā)生器的溫度Th比較平穩(wěn)，維持在75～95 ℃的運(yùn)行區(qū)間。另外，由于采用不同形式的太陽能集熱器，系統(tǒng)的太陽能集熱器出口溫度和消耗的輔助加熱器功率有所不同。對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PC和ETC出口溫度比較平穩(wěn)，在5 095～5 102 h時(shí)段內(nèi)，ETC出口溫度可以從75.0 ℃升至82.5 ℃；然而，因CPC和PTC獲得太陽能較少，在5 070～ 5 082 h內(nèi)太陽能集熱器出現(xiàn)了頻繁啟停，此時(shí)輔助加熱器會不斷啟動(dòng)為制冷機(jī)提供所需熱量。這是因?yàn)镻TC僅能利用直射輻射，相較于采用CPC的制冷系統(tǒng)，太陽能集熱器和輔助加熱器的啟停也更為頻繁。作為主要熱源提供設(shè)備的太陽能集熱器，無法為系統(tǒng)提供更多的能量勢必會增加輔助能源的消耗。3天內(nèi)，采用FPC、ETC、CPC和PTC的單效吸收式制冷系統(tǒng)中輔助設(shè)備的耗能分別為787.0、6 550.0、 9 182.3、9 512.7 kW·h。

圖7為采用PTC的雙效吸收式制冷系統(tǒng)PTC-2ABS運(yùn)行曲線。

從圖7可以看出，進(jìn)入發(fā)生器的熱源溫度Th在165 ℃附近波動(dòng)，PTC-2ABS系統(tǒng)的運(yùn)行曲線更加平穩(wěn)。相對于采用PTC的單效吸收式制冷系統(tǒng)，PTC-2ABS減少了太陽能集熱器和輔助設(shè)備運(yùn)行 頻繁啟動(dòng)的現(xiàn)象；另外，輔助能耗大幅降低，約為5 412.3 kW·h，比ETC與單效吸收式制冷機(jī)組耦合系統(tǒng)的能耗低。這一方面是因?yàn)殡p效吸收式制冷機(jī)組有較高的性能系數(shù)，減少了熱能需求；另一方面，運(yùn)行溫度可以提高到160 ℃，不再被限制在95 ℃以下，運(yùn)行更加平穩(wěn)，能更好地吸收太陽能。

不同系統(tǒng)能耗量與集熱量對比如圖8所示。

從圖8可以看出：ETC-ABS的集熱能力較強(qiáng)，可以達(dá)到4 984.7 kW·h；在運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，不同系統(tǒng)的能耗占比均高達(dá)50%。在19:00到次日8:00時(shí)段，系統(tǒng)需要消耗輔助能源進(jìn)行制冷。在這段時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)TC/ETC/CPC/PTC-ABS系統(tǒng)能耗占總能耗的比例分別為56.7%、69.6%、51.0%和49.2%。PTC-2ABS系統(tǒng)夜晚能耗占總能耗的比例為52.6%。在夜晚運(yùn)行時(shí)各系統(tǒng)的能耗占比仍高達(dá)50%。因此，對于夜晚有制冷需求的情況，如果無法找到充足的余熱源，系統(tǒng)的節(jié)能潛力將大打折扣。然而，對于僅白天有制冷需求的情況，因白天輔助能耗所占比例較小，在太陽輻照強(qiáng)度較好的地區(qū)，該系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢。從整個(gè)制冷季來看，ETC-ABS系統(tǒng)的太陽能保證率最高，達(dá)到39.9%；PTC-2ABS的系統(tǒng)CCOPs最高，為1.297；因?yàn)镻TC有較好的熱力學(xué)性能，PTC的平均運(yùn)行效率最高，可以達(dá)到0.638。

4 結(jié) 論

1）本文利用動(dòng)態(tài)數(shù)值模型和Hooke-Jeeves模式搜索法對采用不同形式太陽能集熱器的吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究。不同形式的太陽能集熱器可以與單效/雙效吸收式制冷機(jī)組成不同形式的制冷系統(tǒng)，并且各系統(tǒng)的運(yùn)行情況均較穩(wěn)定。

2）在太陽能資源一般地區(qū)，ETC-ABS、FTCABS以及PTC-2ABS組成的制冷系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)。另外，ETC-ABS系統(tǒng)和PTC-2ABS系統(tǒng)的能耗較少。

3）基于優(yōu)化的參數(shù)，ETC-ABS系統(tǒng)的太陽能保證率最高，達(dá)到39.9%；PTC-2ABS的系統(tǒng)COP最高，為1.297。