采用混合驱动式冷机的太阳能制冷系统

采用混合驱动式冷机的太阳能制冷系统 采用混合驱动式冷机的太阳能制冷系统摘要在2010年,我们研发了一种名为“太阳能制冷系统”的吸收式制冷机。此外，还对它进行了一些改进。“太阳能制冷系统”可以很容易地用机器进行组装,并且我们还构建了示范装置,验证了它的效用。1 引言吸收式制冷机使用水这种天然制冷剂作为冷却介质,同时由于无氟而产生零臭氧损耗，这将有利于预防全球变暖。吸收式制冷是液体气化制冷的一种,它和蒸汽压缩式制冷一样,是利用液态制冷剂在低压低温下气化来达到制冷的。所不同的是:蒸汽压缩式制冷是靠消耗机械功使热量从低温物体向高温物体转移;而吸收式制冷则靠消耗热能来完成这种非自发过程。此外，吸收式制冷机使用热能作为驱动能源,具备了节约能源的功能。由于全球变暖问题日益严重,促进并引进可再生能源实现低碳社会已成为当前首要工作重心。社会现有的建筑能耗给能源、电力和环境带来很大的压力，在这种情况下，推广和发展太阳能制冷系统可以节约大量的一次能源并减少能源转换污染物的排放，符合可持续发展战略的要求。在这种情况下,我们着眼于太阳能及太阳能制冷系统的研发,并且将太阳能制冷系统应用于中央空调系统。在太阳能制冷系统中,水被太阳能加热,进入吸收式制冷机,其中的热能用来为空调工作提供驱动能源。这种系统将储备丰富、能量转化效率极高的太阳能引入了在工业领域内具有高能耗的空调系统中。我们公司专门为太阳能冷却系统研发了太阳能混合驱动制冷机组,并于2010年6月正式完成,同时也进行了示范模拟实验。传统型的太阳能制冷系统使用的是单效吸收式制冷机，这是一种低效率吸收式制冷机，并且该系统比较复杂，还需要后备锅炉提供热水来供应。太阳能驱动的混合式制冷系统具有自动备份温热性能较差的水，同时利用太阳能优先加热，还有一些例如天然气、石油等能源。上述系统中允许使用不稳定的可再生资源的空调，同时不需要建立复杂的备份系统。我们开发了太阳能驱动的混合式冷水机组和太阳能制冷系统。介绍如下：2 太阳能驱动的混合式冷水机2.1太阳能驱动的混合式冷水机组的外形太阳能驱动的混合式冷水机组是一个高效的燃气吸收式制冷机/加热器COP1.3（总值（GDP） 热值），它装备了一个太阳能热回收单元，主要包括热交换机和特殊的冷凝机。图1 太阳能驱动的混合式冷水机如图2所示的循环流程图，在热回收热交换器中太阳能热水被用于加热和恢复吸收溶液。使用这个再生过程中产生的制冷剂来冷却发电机内燃料产生的高温。图2 太阳能驱动的混合式冷水机组冷却循环流程图一般来说,太阳能收集器具有内部温度和外部空气温度温差越小，其收集效率越高的特征。因此,它是必须允许太阳能吸收式制冷机/加热器使用热水增加整个系统的效率。由于冷却器/加热器可以通过引入热水，使排气冷却过程中的油耗减少，因此可以考虑使用废热引入吸收式制冷机/加热器（Gene-Link）。但是，Gene-Link是一个旨在利用废气余热由热电联产系统得到稳定的高温度（8390C）的产品，并且不能使用低温、热水。其原因在Gene-Link的产生原理图制冷剂蒸汽的产生和在低温条件下的热交换与热回收的原理图（图3）中可以看出。因此，饱和温度回收热交换器被该吸收式冷却器/加热器的饱和温度限制，以防止对数平均温差过大而导致只收集低温源，保存热水。图3 Gene-Link原理图图4 太阳能驱动混合式冷水机组原理因此，如原理图所示，在图4中，太阳能混合驱动冷水机组的冷凝器排出热，回收换热器的热回收装置和分离提供吸收冷却/加热冷却水的特殊的电容器结构。这减小了热回收装置中的压力，维持了对数平均温差，以便于收集低温度的热水。如图5所示，上述系统使低温.热水在75C冷却评级操作(负载率:100%,冷却水温度:32C)或更低temp.根据加载条件和热水冷却水条件使用。图5 太阳能驱动混合型冷水机组可以使用的热水温度2.2 太阳能驱动混合式冷水机组的规格由于考虑到太阳能收集器的安装面积等适用性问题，有8种型号的吸收式制冷机/加热器与80-300rt（281到1055千瓦）可供选择。每种太阳能吸收式制冷机/加热器的基本规范如表1所示。表1 产品的规格3 太阳能系统的概况3.1 建筑的概况该示范工厂建在我们位于群马县中心城市志贺县的工厂内，拥有一座与空调工厂平行建立的两层办公室。建筑物的概况示于表2中。由于该系统安装在厂房的屋顶，位置很高，而且需要通风，所以即使通过加热也很难充分加热。因此，进行加热的办公室有热负荷非常小的特性。（加热所需的年度能源消耗比例为16%）该系统已于2010年12月和2011年2月开始进行全方位的验证测试。表2 建筑的概况3.2系统的概况如图6所示的该系统的流程图。在夏季，太阳热（在75到90之间的热水）被引入到太阳能驱动的混合式冷水机组用于降温，在冬季，太阳热（在45到60之间的热水）直接用于加热换热器取暖。另外，如果太阳能热量不足，可以通过气体的能量用备份系统来弥补。一种在75到90的高温区效率很高的真空玻璃管式太阳能集热器应用于太阳能收集器。160面收集器（260平方米）额定运转时满足废热回收量的太阳能驱动的太阳能混合式冷水机组就建立在办公室的屋顶上。此外，为了使太阳能收集器的安装支架尽可能的简单，采用了构建时与屋顶平行的结构。如果太阳辐射突然波动，热水储存罐可以吸收太阳能收集器与太阳能驱动的混合式冷水机组之间的热量差，用以缓冲。此外，散热器可以用来防止热水由于过多的吸收热量导致沸腾，使收集的热量不能在节假日等时间使用，进行制冷或加热。图6 系统示意图图7 收集器的外观表3 系统规格4 太阳能冷却系统的功能4.1降低太阳能可用区域的温度通常，太阳能集热器都具有集热温度和外部空气温度的温差越小，收集效率越高的特性。因此，有必要使太阳能吸收式冷水机组/加热器能够利用低温热水，以提高整个系统的效率。为了保证太阳能集热器能满足制冷系统的要求, 又不失其简单价廉的特点, 通过研究试验,采取了一些简易而有效的技术改进措施。其中最主要的是增加一块能耐较高温度的透明隔热板, 通过抑制空气自然对流减少表面的热损失。试验及目前使用的结果证明, 这种太阳能集热器的热性能确实很好。它保证了在太阳辐射强的时候, 能持续提供制冷机制冷用热水; 在太阳辐射较弱时, 也可以产生足够的生活用热水太阳能制冷系统的效率主要受两方面因素的影响:一个是制冷机的效率(COP),另一个是太阳能集热器的效率。制冷机的COP随着驱动温度和蒸发温度的上升而上升,太阳能集热器的效率随着太阳辐射强度的上升而增大,随着介质温度的上升而减小。如果将太阳能集热器效率与制冷机的COP值相乘就可以得到太阳能空调系统的总效率,由此可见,为了获得最高的系统总效率,必须合理地选择太阳能集热器和制冷机,使其两者的效率乘积为最高。在太阳能辐射强度不同的地区,采用不同的太阳能集热器与太阳能制冷机搭配,不仅可以提高太阳能制冷系统的效率,而且可以降低太阳能制冷系统的造价,这对于发挥太阳能制冷系统的优势和其推广运用是及其关键的措施。太阳能具有间断性和不稳定性的特点,所以不论是何种太阳能驱动的制冷系统,为了保持稳定的制冷工况,辅助热源都是必不可少的。一个好的太阳能制冷系统,不仅必须保证在任何条件下都能达到要求的制冷量,而且要求在任何情况下都能最大限度的利用太阳能。由于冷却器/加热器可以减少冷却，排气过程中的油耗，吸收式制冷机组/加热器（Gene-Link）可能被采用。然而，Gene-Link是一款通过热电联产等系统用于稳定高温废热热水（83到90），故不能使用低温热水。然而，在太阳能驱动混合式冷水机组中，75（评估）和60（部分负载情况下）左右的太阳能热可以利用热水换热器的优化来使用太阳能加热和审查冷却水的流程。图8显示了使用太阳能收集器的系统的效率。这个效率和传统相比，在60和83（太阳辐射：1000W）提高了3%。图8 太阳能集热器的热回收效率图9 集热器设备4.3 给冷机/热机装备上能监视和控制热回收设施的功能当引入太阳能冷却系统时，有必要装配能启动/停止集热设施等一些控制的功能的设备，从而在冷冻和太阳能集热器过热时进行保护。所以，这些控制功能被组装在太阳能驱动混合式制冷系统中，用来控制整个系统的启动。装备控制功能的太阳能驱动混合动力机组的节能效果实现了最大化，依赖于太阳能热利用的加强与联动控制功能，从而消除了对特殊控制设备的需求。下面有一些太阳能驱动混合动力机组添加联动控制设备的实例：（1） 太阳能驱动的混合动力机组的备份联动（2） 控制相应拾取设定温度的变化此外，该系统还配备了具有细细采集功能的针对运行状态和节能效果的监控系统。监控系统可以显示任何时间的收集量和效率，从而有助于提高系统的操作条件和对审查的把握。如上所述，在建立太阳能冷却系统时，如何降低成本是一个大问题。为太阳能驱动混合动力机组装配控制系统和监控系统，有效的减少了建立系统的成本。5 评价现状和成果5.1加热操作5.1.1 操作条件图10为三月八日运营数据。从数据上看，证实了太阳热有优先使用功能和天然气为基础的备份功能的正常运行和系统的整体功能。此外，虽然天气是多云和阴冷，只有在早上10点到下午2点才有太阳可以进行操作，是气体量减少了15%。尽管如上面提到的还是有些天能观察到还原效果，二月平均减少率为5%（预估43%）和三月份的9%（预估69%），这表明一个远低于预估的水平。正如建筑概要中描述，因为在该地区受加热是实际操作中的一部分，如果转化成空调负荷银子，数据代表只有3%的负载（日平均），此外，负荷集中在早晨和晚上，以此，当太阳热能可以使用时却几乎在空载的条件下保存了一天的时间。因此，不考虑时区的话，会造成很大的差异。此外，低估了太阳能集热器的辐射是另一个因素。然而，每年天然气使用量的加热率约为16%，是一个较低的水平，和假定的每年预估值没有太大的区别。5.1.2 改进点即使在单一操作太阳热量的条件下，不断冷却/加热。由于在单一操作条件下太阳能可以在白天长时间保持，并且随时使用，我们打算通过自动停止制冷/加热来实现节能。此外，在设施方面，我们的目标是通过提供一个利用收集到的太阳热进行加热的储热水箱来对系统进行提升以及采取措施检查辐射后的建设条件。图10加热操作数据（第三日）5.2冷却操作5.2.1 操作条件图11为五月二十日的操作数据，图12为六月二十八日的运营数据。从数据上看，这是证实了太阳热优先使用功能和天然气为基础的备份的功能的正常运行和整体系统的正常功能。由于在最高温度为28.4和较低的负载条件下的一些操作，空调的负荷系数只有五月二十日的23%，气体量则能减少25%。同时，最高温度为34.5和空调负荷系数为六月二十八日的60%，然而，气体量可以减少11%。冷却操作开始在5月下旬，因此，每月还原率的数据仅显示在6月，但是，正如预估的结果，降低10%是可以实现的。5.2.2太阳能驱动混合动力机组的影响据证实，从太阳能集热器获得的热水可以不断在75或更低的温度下使用，甚至在60的低负荷操作期间，也能使用。为了保证系统运行的稳定性，使制冷机的进口热水温度不受太阳辐照瞬时变化的直接影响，太阳能集热器出口的热水首先进入储热水箱，再由储热水箱向制冷机供热。在实际系统中，由于太阳辐射，效果不能够量化。负载波动应考虑利用专门为太阳能的利用而开发的混合动力机组，这样可以有效减少从太阳能集热器中提取的热量，因此该系统被证实提高了太阳能集热器收集效率以及整个系统的效率。图11冷却操作数据（五月二十日）图12冷却操作数据（六月二十八日）5.2.3改进点当冷却器/加热器的制冷剂泵激活启动/停止控制开关，并改变到低负荷运行模式时，热水的引流打开，同时关闭制冷剂泵的启动/停止开关。然而，即使在只有太阳能热水的操作负荷下，也能证实提取温度的增加依赖于接通时的延时输出，还有备份控制系统的激活。6 结论上述关于太阳能驱动的论证显示，专门开发的混合动力机式的太阳能制冷系统的实用性得以确认。进一步来说，我们确保了我们的组合系统可以有效的引入太阳能制冷系统。采用这种系统对环境没有污染和破坏，而且取之不尽用之不竭。如何降低太阳能制冷系统的造价使之更加广泛地走向商业化应用是当今太阳能制冷领域的主要研究课题，通过商业化的系统改进，我们的目标是让太阳能冷却系统被大众承认为一个解决全球变暖问题的有效工具，