太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能分析

代寶民，趙佳儀，劉圣春，楊海寧，李偉鋒，章立標，陳 月

（1.天津大學 醫(yī)學工程與轉化醫(yī)學研究院，天津 300072；2.天津商業(yè)大學 天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134；3.浙江國祥股份有限公司，浙江上虞 3123001）

0 引言

海水淡化是重要的增量水源，對緩解沿海地區(qū)和海島水資源短缺，保障水安全具有重要意義［1］。但是海水淡化過程不僅能耗高、成本高，還會產(chǎn)生環(huán)境污染、溫室效應等不利影響［2］。當前我國沿海地區(qū)對制冷的需求不斷增加，尤其是在商超食品冷凍和冷藏方面［3］。為了提高能源利用率和經(jīng)濟效益，近年來海水淡化和制冷等應用集成的多聯(lián)產(chǎn)研究受到廣泛關注［4］。

為了同時滿足淡水和制冷需求，目前關于淡水制冷聯(lián)產(chǎn)的研究重點是多效蒸餾海水淡化和制冷系統(tǒng)的結合。ESFAHANI 等［5］提出了一種新型制冷和淡水聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)，將多效蒸發(fā)吸收熱泵與蒸汽壓縮制冷循環(huán)相結合。WANG 等［6］提出了一種主要消耗低品位熱量生產(chǎn)冷量和淡水的系統(tǒng)，將吸收式制冷系統(tǒng)與多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)相結合，并進行了經(jīng)濟分析。FARSI 等［7］首次提出了將增壓多效蒸餾（MED）系統(tǒng)與跨臨界CO2制冷系統(tǒng)相結合，并對系統(tǒng)性能進行了初步研究。

商超食品冷凍和冷藏有制冷的需求，然而目前商用制冷系統(tǒng)大多采用高全球變暖潛值（GWP）的常規(guī)制冷劑［8］。在《基加利修正案》正式生效的背景下，采用綠色環(huán)保的自然工質(zhì)CO2是商場領域制冷劑替代的可靠解決方案［9］。CO2具有臨界溫度（31.1 ℃）低、臨界壓力（7.38 MPa）高的特點［10］，跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的壓縮機排氣余熱可進一步回收利用［11］，如可作為海水淡化過程的驅動熱源［4］，也可作為吸收式制冷機的驅動熱源進行制冷［12］。

我國夏季大部分地區(qū)氣候炎熱，導致CO2制冷系統(tǒng)的能效偏低，因此可采用吸收式過冷技術降低CO2節(jié)流前的溫度，以提高制冷循環(huán)效率。DAI 等［13］研究表明太陽能-余熱驅動吸收過冷CO2制冷系統(tǒng)的COP可提高3.05%～42.30%。

我國太陽能資源豐富，開發(fā)利用潛力巨大［14］。在太陽能熱利用的方式中，太陽能吸收式制冷是目前應用最廣泛、效果最好的制冷形式［15-16］。

基于以上研究可以發(fā)現(xiàn)，對于CO2制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究，前人很少關注可再生能源對系統(tǒng)性能的貢獻和影響。因此，在滿足商超制冷需求的同時，可綜合利用CO2制冷系統(tǒng)的壓縮機排氣余熱和商超建筑屋頂?shù)奶柲茯寗雍Ｋ到y(tǒng)和吸收式制冷機，分別生產(chǎn)淡水和冷量，實現(xiàn)雙重目的。

因此，針對缺水地區(qū)對制冷與淡水的共同需求，本文提出太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收過冷CO2制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。通過建立系統(tǒng)的熱力學模型，對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行優(yōu)化，探索不同氣候條件對系統(tǒng)年度性能系數(shù)（APF）、淡水產(chǎn)量等關鍵指標的影響規(guī)律，為同時生產(chǎn)淡水和滿足制冷需求開拓了思路。

1 太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

基礎CO2增壓制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（Base-CWCS）由CO2增壓制冷子系統(tǒng)和增強多效蒸餾海水淡化子系統(tǒng)兩部分組成。該系統(tǒng)利用高壓級壓縮機出口的CO2流體作為熱源，驅動第一效蒸發(fā)器蒸餾海水，再由第一效蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽驅動第二效蒸發(fā)器蒸餾海水，以此類推可連續(xù)驅動多效蒸發(fā)器生產(chǎn)淡水，同時在第一效蒸發(fā)器釋熱后的CO2流體可繼續(xù)作為增強效蒸發(fā)器的驅動熱源，進一步生產(chǎn)淡水，實現(xiàn)能量的高效梯級利用，系統(tǒng)原理如圖1 所示。

在Base-CWCS 系統(tǒng)的基礎上，集成太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收式制冷子系統(tǒng)，構建太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收過冷CO2制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（Abs-CWCS），其中太陽能和壓縮機排氣的熱能可存儲于儲熱罐中，通過提取儲熱罐中的熱能驅動吸收式制冷子系統(tǒng)進行制冷，可實現(xiàn)對氣體冷卻器出口的CO2流體過冷，從而減少CO2制冷系統(tǒng)的節(jié)流損失，提高CO2制冷系統(tǒng)能效。當CO2制冷系統(tǒng)達到最大過冷度且太陽能仍有剩余時，可實現(xiàn)太陽能和壓縮機排氣余熱對海水淡化系統(tǒng)的共同驅動，以實現(xiàn)太陽能和壓縮機排氣余熱的充分利用，系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（Abs-CWCS）原理Fig.2 Schematic of hybrid solar energy and waste heat driving absorption subcooling CO2 refrigeration-desalination cogeneration system（Abs-CWCS）

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 太陽能集熱器模型集熱器的效率與太陽輻射強度、環(huán)境溫度和集熱器入口溫度有關，可由下式確定［17］：

式中，ηcol為集熱器的效率，%；Tcol，in為集熱器進口流體的溫度，℃；Tamb為環(huán)境溫度，℃；Isolar為太陽輻射強度，W/m2。

式中，Qsolar為集熱器的負荷，W；Acol為集熱器面積，m2。

1.2.2 吸收式制冷系統(tǒng)模型

式中，COPabs為吸收式制冷系統(tǒng)性能系數(shù)；Qevap，abs為蒸發(fā)器制冷量，W；Qgen為驅動發(fā)生器的熱量，W；Wpump為溶液泵功耗，W。

1.2.3 吸收式過冷CO2制冷系統(tǒng)模型

式中，COP為吸收式過冷CO2制冷系統(tǒng)性能系數(shù)；Qevap，CO2為蒸發(fā)器制冷量，W；Wtot為壓縮機和風扇的總功耗，W。

1.2.4 增強多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)模型質(zhì)量守恒［8］：

式中，mbr為濃鹽水質(zhì)量流量，kg/s；mf為進料海水質(zhì)量流量，kg/s；i為效數(shù)，i=2，3，…，6；mv為蒸汽質(zhì)量流量，kg/s。

鹽度守恒：

式中，wsw為海水鹽度，10-6；wbr為濃鹽水鹽度，10-6。

能量守恒：

式中，Qeffect，1為第一效蒸發(fā)器功耗，W；mCO2為CO2質(zhì)量流量，kg/s；Boo 為增強效蒸發(fā)器；hfg為海水潛熱焓值，kJ/kg；Qeffect，Boo為增強效蒸發(fā)器功耗，W；Qi為第i效蒸發(fā)器功耗，W。

2 結果和討論

2.1 模型驗證

為驗證本文模型的正確性，選取FARSI 等［4，6-7］的跨臨界CO2制冷和多效海水淡化集成系統(tǒng)的結果進行了模型驗證。模型邊界條件見表2，結果對比及誤差見表3?？梢钥闯稣`差均在5%以內(nèi)，驗證了本文壓縮機排氣余熱驅動的增強器多效蒸餾海水淡化模型可靠性。

表1 多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of multi-effect distillation system

表2 模型驗證及誤差Tab.2 Model validation and deviation

表3 系統(tǒng)設計參數(shù)Tab.3 System design parameters

2.2 太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行特性

本文選取常規(guī)超市作為供冷對象，其面積為1 844 m2。中溫展示柜和低溫展示柜的平均日冷負荷與每日環(huán)境溫度呈正相關［18］。系統(tǒng)設計參數(shù)見表3。

圖3 示出了Base-CWCS 與Abs-CWCS 系統(tǒng)在太陽輻射強度為300～1 200 W/m2，環(huán)境溫度為0～35 ℃時COP的變化情況。

圖3 不同系統(tǒng)COP 隨著環(huán)境溫度及太陽輻射的變化規(guī)律Fig.3 Effect of ambient temperature and solar radiation on COP of different systems

可以看出集成太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收過冷子系統(tǒng)后，系統(tǒng)COP顯著提升，尤其是在環(huán)境溫度較高，即系統(tǒng)處于跨臨界運行的工況下，并且Abs-CWCS 的COP提升率與太陽輻射強度直接相關。然而當環(huán)境溫度低于15 ℃時，COP不受太陽輻射強度的影響。當環(huán)境溫度為30 ℃，太陽輻射強度從300 W/m2增加到1 200 W/m2時，COP從1.17 增加到1.55，提升率為32.71%。而當環(huán)境溫度為35 ℃時，COP從1.00 增高到了1.41，提升率高達41.00%。這是由于環(huán)境溫度較高時需要更高的過冷度來提高CO2制冷系統(tǒng)的COP，而更高的太陽輻射強度可提供更多的熱量驅動吸收式制冷子系統(tǒng)，以產(chǎn)生更多的冷量。而環(huán)境溫度較低時系統(tǒng)所需的過冷度相對較低，少量熱能即可驅動吸收式制冷子系統(tǒng)滿足過冷要求，所以太陽輻射強度對系統(tǒng)COP影響很小。綜上所述，利用太陽能吸收式過冷系統(tǒng)可以有效地解決CO2制冷系統(tǒng)在溫暖或炎熱氣候下能效較低的問題。

與環(huán)境溫度和太陽輻射強度相對應的過冷度的變化情況如圖4 所示?？梢钥吹疆敪h(huán)境溫度≤25 ℃，即系統(tǒng)處于亞臨界模式運行時，太陽輻射強度可以滿足最大過冷度需求。所以當環(huán)境溫度較低時，在不同的太陽輻射強度的情況下，過冷度為常數(shù)，如在環(huán)境溫度為0，5，10，15 ℃時，過冷度分別恒定為6.47，7.42，12.02，12.20 ℃。當環(huán)境溫度為30，35 ℃時，且太陽輻射強度達到1 200 W/m2時，吸收式過冷系統(tǒng)能有效過冷CO2制冷系統(tǒng)，其過冷度分別達到了30.36，26.50 ℃。

圖4 過冷度隨環(huán)境溫度及太陽輻射的變化規(guī)律Fig.4 Effect of ambient temperature and solar radiation on subcooling degree

當環(huán)境溫度為35 ℃時，氣體冷卻器出口溫度升高，排氣壓力升高，過冷度未遵循整體增長規(guī)律，這是由于更高的過冷度需要更多能量驅動，即更高的太陽輻射強度。當環(huán)境溫度一定時，COP的變化趨勢與過冷度一致，這也證明了增加太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收過冷子系統(tǒng)能夠顯著降低節(jié)流前CO2流體溫度，有效提高系統(tǒng)能效。

當CO2制冷系統(tǒng)在環(huán)境溫度低于26 ℃的情況下工作時，系統(tǒng)為亞臨界狀態(tài)，排氣壓力由環(huán)境溫度決定，無需優(yōu)化。而當環(huán)境溫度高于26 ℃，即系統(tǒng)在跨臨界模式下運行時，需優(yōu)化排氣壓力以獲得最大能效。圖5 示出了不同系統(tǒng)排氣壓力隨環(huán)境溫度的變化情況?？梢钥吹较到y(tǒng)排氣壓力均隨著環(huán)境溫度的升高而增加。相對Base-CWCS 系統(tǒng)，Abs-CWCS 系統(tǒng)可顯著降低排氣壓力，當太陽輻射強度為900 W/m2時，采用Abs-CWCS 的排氣壓力最高可降低6.86%，并且排氣壓力隨著太陽輻射強度的增加而逐漸降低。

圖5 不同系統(tǒng)排氣壓力隨環(huán)境溫度及太陽輻射的變化規(guī)律Fig.5 Effect of ambient temperature and solar radiation on discharge pressure of different systems

圖6示出了在不同環(huán)境溫度與太陽輻射強度下，Abs-CWCS 達到最大能效時，太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收式過冷子系統(tǒng)性能系數(shù)（COPabs）的變化情況。在環(huán)境溫度低于15 ℃的亞臨界運行區(qū)域，COPabs隨環(huán)境溫度的升高而逐漸降低，且?guī)缀醪皇芴栞椛鋸姸鹊挠绊?。當環(huán)境溫度為25，35 ℃時，COPabs隨太陽輻射的增強而顯著降低。這是由于COPabs與冷凝溫度、蒸發(fā)溫度以及蒸發(fā)和冷凝溫度的差值直接相關，后者與過冷度呈正相關。COPabs的變化趨勢與圖4 所示的過冷度的變化趨勢相反，表明過冷度越高，太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收式過冷子系統(tǒng)的能效越低。

圖6 COPabs 隨著環(huán)境溫度和太陽輻射強度的變化規(guī)律Fig.6 Effect of ambient temperature and solar radiation on COPabs

圖7 示出了在不同環(huán)境溫度與太陽輻射強度下，Base-CWCS 與Abs-CWCS 系統(tǒng)淡水產(chǎn)量的變化情況。可以看到在環(huán)境溫度一定時，Abs-CWCS 系統(tǒng)淡水產(chǎn)量隨著太陽輻射強度的增加而增加，且都高于Base-CWCS。當環(huán)境溫度較低時，Abs-CWCS 的最高過冷度較低，需要的太陽能熱量較少，即可用于海水淡化的熱量更多，所以在環(huán)境溫度低于25 ℃時，太陽輻射強度的增加對淡水產(chǎn)量影響顯著。當CO2制冷系統(tǒng)處于跨臨界運行模式時，隨著環(huán)境溫度升高，用于CO2制冷系統(tǒng)過冷所需的熱量更多，導致用于驅動海水淡化子系統(tǒng)的熱量大幅降低，淡水產(chǎn)量有所降低，并且淡水產(chǎn)量隨太陽輻射強度變化不明顯。當太陽輻射強度為1 200 W/m2時，與Base-CWCS 系統(tǒng)相比Abs-CWCS 系統(tǒng)淡水產(chǎn)量增長了0.8～28.6 倍。

圖7 不同系統(tǒng)淡水產(chǎn)量隨著環(huán)境溫度及太陽輻射的變化規(guī)律Fig.7 Effect of ambient temperature and solar radiation on freshwater production of different systems

2.3 太陽能-余熱聯(lián)合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年運行特性

考慮氣候條件的影響，選擇位于中國不同氣候區(qū)的5 個典型缺水城市作為系統(tǒng)的使用地點，對系統(tǒng)的APF進行分析，以上城市均分布于沿海地區(qū)，海水資源豐富且均屬于缺水城市。不同城市Base-CWCS 和Abs-CWCS 系統(tǒng)的年度性能系數(shù)，如圖8 所示?？梢钥吹紸bs-CWCS 的APF明顯高于Base-CWCS，且APF基本隨城市緯度的增加而增加。APF提升率定義為Abs-CWCS 相對Base-CWCS 的APF提升率?？梢钥吹揭陨?個典型缺水城市的APF提升率相當，其中天津最高，為3.76%；上海最低，為3.55%。

圖8 不同系統(tǒng)在5 個城市使用時的年性能系數(shù)Fig.8 Annual performance factor of different system in 5 typical cities

Base-CWCS 和Abs-CWCS 在5 個典型缺水城市運行的年淡水產(chǎn)量如圖9 所示?？梢钥吹皆黾犹柲?余熱聯(lián)合驅動吸收過冷子系統(tǒng)后，各個城市年淡水產(chǎn)量都得到顯著提升，表明采用太陽能和壓縮機排氣余熱的Abs-CWCS 系統(tǒng)可顯著提升淡水產(chǎn)量，提升率可達9.54%～64.62%。Base-CWCS 系統(tǒng)僅由CO2制冷系統(tǒng)的壓縮機排氣余熱驅動海水淡化系統(tǒng)，其淡水產(chǎn)量隨環(huán)境溫度的升高而增加，所以Base-CWCS 的淡水產(chǎn)量基本隨緯度的增加而降低。其中大連淡水產(chǎn)量最低，為337.50 m3/a，海口可達到489.70 m3/a。而Abs-CWCS 則是由環(huán)境溫度和太陽輻射強度共同影響，導致其變化規(guī)律不明顯。

圖9 不同系統(tǒng)在5 個典型缺水城市使用時的年淡水產(chǎn)量Fig.9 Freshwater production of different system in 5 typical cities

3 結論

（1）采用Abs-CWCS 系統(tǒng)可顯著提高CO2制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)。當太陽輻射強度為1 200 W/m2，環(huán)境溫度為35 ℃時，COP可提升41.02%。

（2）采用Abs-CWCS 系統(tǒng)可降低排氣壓力。在太陽輻射強度為1 200 W/m2、環(huán)境溫度為34 ℃時，排氣壓力可降低7.86%，過冷度隨著環(huán)境溫度和太陽輻射強度的增加而增加。

（3）采用Abs-CWCS 系統(tǒng)可有效提高系統(tǒng)年度性能系數(shù)APF，在天津使用時最高可提升3.76%。

（4）采用Abs-CWCS 可有效提高淡水產(chǎn)量，當太陽能輻射強度為1 200 W/m2時，與Base-CWCS系統(tǒng)相比，Abs-CWCS系統(tǒng)淡水產(chǎn)量增加了0.8～28.6 倍。全年淡水產(chǎn)量提升率可達到9.54%～64.62%。