基于太陽能余熱利用下的吸收式制冷系統(tǒng)的可行性研究

朱益秀,夏 燚,戴春祥

(南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇 南京 210023)

太陽能熱水系統(tǒng)在夏季運行時,由于基礎水溫較高,且輻照強度較大,系統(tǒng)容易處于過熱狀態(tài)而加速設備老化,所以應采取一定技術手段來充分利用太陽能集熱系統(tǒng)多余的熱量[1]. 吸收式制冷是由熱能驅動,所以被認為是利用太陽能熱能來實現(xiàn)制冷的最佳選擇[2-3]. 太陽能吸收式制冷技術以太陽能為驅動熱源,不僅對降低建筑能耗、減少環(huán)境污染具有重大意義[4-7],而且在有制冷需求的夏季,太陽能輻照越強、天氣越炎熱,雖然建筑空調負荷在變大,但太陽能吸收式制冷的制冷能力也在增加,兩者變化具有良好的匹配性,可緩解空調用電高峰期,因此有巨大的市場應用前景[8-9].

國內外學者對太陽能熱利用下的吸收式制冷系統(tǒng)進行了大量的應用研究. 如Greco等[10]對坐落在意大利那不勒斯城市的一棟面積約為2 500 m2的辦公建筑利用TRNSYS建立基于真空熱管式集熱器的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)模型并進行動態(tài)研究,結果表明該制冷系統(tǒng)的正常運行能夠滿足此辦公建筑的制冷需求. Rosiek等[11]在西班牙的某大樓中設計了一套以太陽能作為輔助熱源的吸收式空調系統(tǒng),對其長期運行進行分析研究,結果表明,夏季各個月份系統(tǒng)性能系數(shù)COP的平均值為0.6,系統(tǒng)平均制冷量為40 kW. 王建輝等[12]對一戶農村新民居建筑的小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)進行試驗研究,實驗結果表明,該小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)具有良好的使用性能,節(jié)能效果十分顯著. 李悅等[13]對基于輻射供冷的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)進行了試驗,其可以連續(xù)穩(wěn)定運行8 h,并可以滿足熱舒適要求.

綜上可知,太陽能吸收式制冷系統(tǒng)運行可靠且制冷性能良好,具有極大的推廣應用價值. 現(xiàn)研究的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)大多采用太陽能全熱作為驅動熱源,而對于太陽能余熱利用下的吸收式制冷系統(tǒng)的應用研究仍相對較少. 針對南京某商用建筑真空熱管太陽能熱水系統(tǒng)夏季運行時會產生過剩熱量的問題,設計增加一套利用太陽能余熱驅動的單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng),并取消原熱水系統(tǒng)中利用散熱風機進行過剩熱量散失的環(huán)路. 單效溴化鋰吸收式制冷機組的驅動熱源溫度一般為80～99 ℃[14],為證明該系統(tǒng)將太陽能余熱應用于吸收式制冷的可行性,本文于夏季對該太陽能熱水系統(tǒng)進行集熱器出回水溫度、水箱溫度以及太陽能輻照強度等參數(shù)測試,并進行相關數(shù)據分析. 在此基礎上,利用TRNSYS搭建擬設計增加的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)仿真模型,模擬分析了在實驗當日輻照條件下的吸收式制冷系統(tǒng)的相關運行狀態(tài)參數(shù).

1 實驗系統(tǒng)描述

圖1為太陽能熱水系統(tǒng)流程圖. 該項目位于南京某商用建筑內,采用了集中直接加熱、封閉承壓式的太陽能熱水系統(tǒng). 實驗主要設備如圖2所示,太陽能集熱系統(tǒng)采用36組真空熱管型集熱器組合而成,總面積約為124 m2,集熱器安裝傾角為45°,蓄熱水箱體積為8 m3,半容積式換熱水箱體積為2 m3,輔助加熱設備為燃氣鍋爐,實驗時其處于不工作狀態(tài).

圖1 太陽能熱水系統(tǒng)流程圖

圖2 實驗主要設備圖

主要測試項目和實驗儀器見表1. 選取夏季 8月24日對集熱器出回水溫度、水箱溫度、集熱面板溫度以及集熱器的時刻輻照值等數(shù)據進行實時監(jiān)測記錄,太陽能熱水系統(tǒng)集熱運行監(jiān)測時間為10:00—16:30.

表1 測試項目和實驗儀器

2 實驗結果分析

由圖3可知,8月24日測試時間段內,太陽能輻照強度值隨時間呈先上升后下降趨勢,無較大波動,太陽能輻照強度最大值為945.4 W/m2,最小值為105.8 W/m2,當天平均輻照強度值約為614.2 W/m2,集熱器瞬時效率在12:40左右達到最大值為67%,當天平均集熱效率約為45%. 由圖4可知,集熱器出回水溫差高可達10 ℃左右,蓄熱水箱初始溫度為63.8 ℃,經過4 h的加熱后,水箱溫度升高至80 ℃以上. 由分析可知,真空熱管集熱器太陽能熱水系統(tǒng)在高溫區(qū)域也有較高的集熱效率,且水箱輸出溫度能夠達到單效溴化鋰吸收式制冷機組的熱源驅動溫度,可證明在原熱水系統(tǒng)已滿足生活熱水需求溫度為60 ℃的基礎上,可以增設一套采用太陽能余熱作為驅動熱源的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng).

圖3 集熱器瞬時效率和太陽能輻照強度隨時間變化曲線

圖4 集熱器出水溫度、回水溫度和水箱溫度隨時間變化曲線圖

3 搭建太陽能吸收式制冷系統(tǒng)仿真模型

瞬時系統(tǒng)模擬程序Transient System Simulation Program適用于建筑能耗、太陽能等一些能源系統(tǒng)進行動態(tài)模擬分析. 為分析在原太陽能熱水系統(tǒng)基礎上擬設計增加的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的運行性能,本文以南京地區(qū)的氣象數(shù)據作為天氣模擬條件,選取利用TRNSYS軟件中的真空熱管集熱器、分層蓄熱水箱和自帶外部文件的吸收式制冷機作為主要部件建立太陽能吸收式制冷系統(tǒng),此系統(tǒng)模型主要由四個部分組成,包括太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)、吸收式制冷系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、在線輸出系統(tǒng),如圖5所示.

圖5 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)TRNSYS模型圖

當蓄熱水箱的出水溫度達到80 ℃時,啟動吸收式制冷機. 模型中水箱的初始溫度、集熱循環(huán)泵流量的設置與實驗測試初始值保持一致,設置仿真步長為0.5 h,且各部件之間正確連接后,進行太陽能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)模擬仿真.

4 仿真結果分析

太陽能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)仿真模型是在整個夏季運行的,特別是在典型氣象年的6月1日至 9月 30日,將從Meteonorm氣象軟件下載的南京典型氣象年文件導入模型中的天氣讀取模塊中,其包括全年輻照值、環(huán)境溫度、自來水溫度等參數(shù),仿真得到6月至9月室外環(huán)境溫度以及太陽能輻照強度變化圖,如圖6所示.

圖6 6—9月環(huán)境溫度及太陽能輻照強度值隨時間變化曲線圖

對仿真輸出數(shù)據計算日平均太陽能輻照強度值,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)模型在仿真時間為8月28日(5 736～5 760 h)的平均太陽能輻照強度約為605 W/m2,與實驗值之間的誤差僅有1.5%,故將仿真時間設置為 5 736～5 760 h,模擬輸出蓄熱水箱出水溫度、水箱得熱量等參數(shù)值,并與實驗測量相關數(shù)據進行對比分析. 由表2可知,實驗當天太陽能總輻照量為1 743 MJ略大于模擬值的1 718 MJ,但由于模擬時太陽能熱水系統(tǒng)運行是理想狀態(tài),忽略了水箱、管路等熱損失,使得模擬時的水箱得熱量略大于實驗值,不過兩者誤差均控制在2%以內. 由圖7可知,隨著太陽能輻照強度的不斷增大,使得蓄熱水箱平均出水溫度最大值均升至83 ℃左右,且兩者曲線吻合良好. 由此可見,預測分析吸收式制冷系統(tǒng)在實驗當日輻照條件下的運行性能,可直接模擬分析與測試當天輻照值非常接近的8月28日的運行參數(shù).

圖7 蓄熱水箱平均出水溫度

表2 實驗與模擬參數(shù)對比

將仿真時間設置為8月28日(5 736～5 760 h),模擬輸出太陽能吸收式制冷系統(tǒng)各項參數(shù)隨時間的變化情況,如圖8所示.

圖8 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)各項參數(shù)隨時間的變化情況

由圖8(a)可知,一天中由于太陽能輻射強度逐漸增強,使得蓄熱水箱溫度在穩(wěn)步上升,14:00左右蓄熱水箱出水溫度(發(fā)生器進口溫度)達到80 ℃,吸收式制冷機組啟動運行. 下午太陽能輻射強度較高,加之蓄熱水箱具有良好的儲能作用,使得制冷機持續(xù)運行5 h,直至19:00蓄熱水箱出水溫度才降至80 ℃以下,達到了吸收式制冷機組的最低運行溫度,該機組停止運行. 機組運行期間,性能系數(shù)COP曲線呈下降趨勢,COP值從0.68降至0.64,這是由于發(fā)生器進口溫度在逐漸下降,進出口溫度差從4.58 ℃升至4.69 ℃,制取相同的冷量耗費了更多的熱源熱量. 由圖8(b)可知,機組平均制冷量可達9.41 kW,冷凍水進口溫度約為11.2 ℃,出口溫度約為7 ℃,進出口溫差保持在4.2 ℃左右,具有良好的制冷效果,冷量可儲存在蓄冷水箱中,在空調需求高峰期使用,緩解電力緊張問題. 由圖9可知,吸收式制冷機運行期間,太陽能輻照強度值在逐漸減小,使得真空熱管集熱器的有效得熱量也在不斷減小,導致8 m3水箱瞬時集熱功率在逐漸下降,一開始水箱集熱功率遠大于制冷機的熱水消耗功率,直至18:00之后,太陽能輻照強度值很小,此時水箱集熱功率小于熱水消耗功率,最后降至為0.

圖9 水箱集熱功率及制冷機消耗功率隨時間變化情況

5 結論

本文對南京某商用建筑真空熱管太陽能熱水系統(tǒng)進行相關參數(shù)測試,并對吸收式制冷系統(tǒng)進行了動態(tài)模擬分析,主要結論如下:

(1)在平均輻照強度約為614.2 W/m2的照射條件下,8 m3蓄熱水箱經過4 h的加熱后,水箱水溫升高至80 ℃以上,集熱器平均集熱效率可達45%. 由此可見,該熱水系統(tǒng)在高溫區(qū)域也有較高的集熱效率,且水箱輸出溫度能夠達到單效溴化鋰吸收式制冷機組的熱源驅動溫度.

(2)在原熱水系統(tǒng)上擬設計增加的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)具有良好的制冷性能. 其正常運行期間,性能系數(shù)COP平均值約為0.66,冷凍水進出口溫差保持在4.2 ℃左右,平均制冷量可達9.41 kW.

(3)為保障吸收式制冷系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行及提高制冷機效率,可在蓄熱水箱出口與發(fā)生器進口之間加入輔助加熱設備,并對該系統(tǒng)的集熱循環(huán)泵流量、蓄熱水箱體積等參數(shù)進行優(yōu)化模擬研究.

(4)該系統(tǒng)采用吸收式制冷來利用太陽能余熱的技術方案具有可行性,有效提高了太陽能系統(tǒng)的綜合利用率,符合國家節(jié)能減排要求,具有廣闊的應用前景.