太阳能单效溴化锂吸收式制冷空调系统的试验研究

太阳能单效溴化锂吸收式制冷空调系统的试验研究

1太阳能空调的发展能源危机和环境影响促进了太阳能空调技术的发展，将一体化的太阳能建筑空调系统应用于冬季供暖、夏季供冷、四季供应热水的能耗。例如，如果中国门的太阳能空调热水系统、欧盟地板会计公司（iea）、国际能源管理局（iea）完成的task25和task38项目。然而至今,在世界范围内安装的太阳能空调并不多,运行经验相当匮乏,但有一些著作弥补了系统设计者知识的缺乏,如HenningHans-Martin的著作从太阳能空调的集热器、制冷设备和组件、循环系统的配置与操作、设计方法等方面进行了详细的介绍,并有案例分析。太阳能空调分为太阳能吸收式、吸附式、喷射式、光伏、除湿空调等。根据国际能源署公布的2004年度报告,当时欧洲已经安装的70套太阳能空调系统中吸收式占60%,在欧盟SACE项目中75%采用了太阳能溴化锂吸收式制冷,K.F.Fong等和TawatchaiJaruwongwittaya等分别研究了中国香港和泰国的太阳能空调,指出使用溴化锂溶液作为工质是最佳选择。D.S.Kim等从能源效率和经济性的角度比较不同的太阳能制冷方案,得出太阳能单效溴化锂吸收式的总成本是所有评估系统中最低的。在实际使用与研究中,太阳能溴化锂吸收式空调是目前太阳能制冷中应用最成功的,也是应用最广泛的,特别是单效吸收式。本文从可用于太阳能制冷的太阳能集热器、太阳能单效溴化锂吸收式制冷技术的试验研究和模拟分析等方面加以介绍,最后提出一个新型制冷系统。2落实光照热流密度太阳能集热器吸收太阳辐射并将产生的热能传递给传热工质,是组成各种太阳能利用系统的关键部件。对太阳能吸收式制冷系统来说,太阳能集热器一般占整个系统初投资的一大半,是制约太阳能制冷技术推广的其中一个重要障碍。因此发展集热器技术,对推动太阳能空调技术进展具有积极意义。目前常见的太阳能集热器有平板型、真空管型和聚焦型集热器。平板型集热器是当今世界上应用最广泛的集热器,所谓“平板”是指集热器吸收太阳辐射能的面积与其采光窗口的面积相等,具有采光面积大、结构简单、工作可靠、运行安全、成本低、寿命长等优点,但热流密度较低,集热温度一般不超过100℃;真空管型太阳能集热器分为全玻璃管型和金属吸热体型,是在平板型集热器的基础上发展起来的新型集热装置,因集热器的吸热体和玻璃管之间为真空,故对流、辐射和热传导造成的损失大大减少,可产生90℃以上的热水或超过100℃的导热油,热效率较高,成本适中;聚焦型太阳能集热器是由聚光器以反射或折射的方式,将投射到光孔上的太阳光集中到接收器上,形成焦面,接收器将光能转换为热能,再由介质带走,其又可分非跟踪型、跟踪式旋转抛物面型、跟踪式线性抛物面型,集热温度较高,在聚焦区可达到几百摄氏度,能获得优质热能,但成本较高。太阳能集热池也是一种较好的集热器,它是利用盐水比重大于淡水而沉在下部,受热不会上浮的特点设计而成,容水量较大,密封和隔热性能好,集热温度能达80℃左右,但加热升温时间长,成本主要取决于盐水的费用;此外太阳能空气集热器也能用于太阳能制冷,分为无孔集热板型和多孔集热板型,因送风功消耗大,效率很低。由图1可知,如采用单效吸收式制冷,集热温度需85℃以上,可采用平板集热器或者真空管集热器;如采用具有较高运行效率的太阳能双效吸收式,集热温度需达150℃左右,可选用真空管型或聚焦型集热器;如采用单效两级吸收式制冷,集热温度需65℃以上,可采用平板型集热器。国际上对于单效溴化锂机组多采用平板集热器,在国内,因真空管集热器价格较为低廉,多采用真空管集热器。3太阳能单效溴化锂制冷机组的经济性单效溴化锂吸收式制冷是最简单的太阳能制冷方式,驱动热源可采用0.03~0.15MPa的蒸汽或85~150℃的热水,但几乎所有的太阳能单效溴化锂制冷机组是采用热水驱动。单效溴化锂制冷机组的COP并不高,但其可充分利用低品位的热能,如废热,余热、太阳能等,故从能源利用的角度来说,太阳能单效溴化锂制冷机组是节能的。下面从试验和测试研究与模拟和理论分析两部分概述前人的研究成果。3.1太阳能集热器现有太阳能单效吸收式制冷系统主要操作参数见表1。太阳能吸收式制冷系统的试验和测试研究多是在一些可获得财力支持的大学或相关的研究机构进行。O.Marc等和JeanPhilippePraene等先后报道了一个安装在南半球热带留尼汪岛上圣皮埃尔大学里的太阳能单效溴化锂吸收式制冷机,系统组成如图2,共有4个集热器阵列,但没有辅助热源,当制冷系统不能提供足够制冷量时,采用吊扇降温。工作时集热器进出口温差大约为10℃,平均出口温度为75℃,从8∶00~11∶00时教室平均温度为26.5℃,从11∶00时到16∶30,温度低于25℃。但热水温度达75℃时,制冷机未达到额定制冷量,其最大的制冷量只有17kW。在2008年的测试试验中,因三月份太阳辐射较强,COP接近0.4,而在以后的几个月份中,COP只有0.3左右。这项工程是IEA“任务38”的一部分,主要目的是确定一种收集数据和评估SHC系统性能的方法。FrancisAgyenim等测试了一个安装在英国卡迪夫大学建筑系BUTE大厦里家用规模的太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统(图3),供冷面积为82m2。该系统的集热器是DF100型真空管集热器,集热流体是Tyfocor,在太阳能辐射平均峰值为800kW/m2时COP为0.58,冷水温度低至7.4℃,该测试证明了这种带有蓄冷水箱的家用规模太阳能制冷系统是可行的。AhmedHamzaH.Ali等介绍了一个安装在德国奥伯豪森市弗劳恩霍夫研究所里带有冷却塔免费制冷的太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统(图4),供冷面积为270m2,由108m2的真空管集热器,35.17kW的WFC-10RT型单效溴化锂吸收式制冷机,134kW的冷却塔,6.8m3的热水箱,1.5m3的冷水箱组成。在五年的运行期间,冷却塔免费提供了25%总制冷需求,在有些制冷月份可达70%。在晴朗天气时,日太阳能贡献率为0.33~0.41,集热器效率为0.352%~0.492%,制冷机的COP为0.37~0.81。太阳能集热器在制冷月平均效率为34.1%~41.8%,5年的平均值为28.3%(包括冬季供暖),依获得结果可知,为驱动制冷机获得最大的太阳能贡献率,单位制冷量所需集热器面积为4.2m2。S.Rosiek等设计并安装了位于西班牙南部的阿尔梅里亚大学太阳能研究中心的太阳能辅助空调系统,该研究中心是1100m2的单层建筑物。太阳能集热器是并联安装的平板型集热器,共10列,每列8个单元;制冷机额定制冷量为70kW,驱动温度为70~95℃,冷却水进口温度为24~31℃;另有一个170kW的冷却塔、2个5000L的蓄热水箱和一个串联在蓄热水箱和制冷机之间的100kW的辅助加热器。风机盘管制冷季控制在7~12℃,供暖季控制在40~45℃。经测试制冷机COP一直高于0.4,在7、8月则高于0.6,月平均COP和制冷量分别为0.6和40kW。王如竹等研究了安装在中国济南的一个绿色建筑物里的带有复合抛物面型集热器的溴化锂制冷机(图5),集热面积为105m2,集热温度高于130℃。测试结果显示当热水温度为125℃时集热效率为50%,从11∶00到15∶30,溴冷机能提供15℃的冷水,此时平均太阳能利用率为19%。汤勇等研究了超声波对吸收式制冷系统溴化锂溶液中冷剂水的沸腾传质过程的影响。结果发现使用超声强化可有效提高太阳能驱动的溴化制冷机的制冷效率,降低制冷系统所需最低驱动热源温度,且不会影响系统的稳定运行。除测试研究新系统外,也有对某些建筑物的原有压缩机空调系统进行太阳能吸收式空调方面的改造研究。AndreaMammoli等介绍了一个对美国某建筑物里的暖通空调系统改造的测试试验(图6),系统采用124m2的84LennoxLSC-18型的平板集热器和108m2的40SundaSeido1-16型真空管集热器;集热器和热水箱内为乙二醇溶液,既可为制冷机提供热源,也可直接为建筑物供暖;制冷机冷水既可被存储在7个50m3的蓄冷水箱里,也可直接进入建筑物供冷。在制冷机冷水额定流速下,冷水温度为5~6℃,瞬时COP为0.6~0.75,平均为0.63。经过优化的太阳能集热器的日平均太阳能利用率为0.584,峰值为0.75,系统的COP大约为0.25。热水箱是热损失最大的设备,测量的平均日热水损失为0.025m3,相当于54MJ/天。3.2软件仿真和数值计算太阳能单效溴化锂吸收式制冷的模拟和理论分析主要分为软件仿真和数值计算,软件仿真多采用瞬时系统模拟程序TRNSYS,和工程方程求解器EES。也有些学者根据前人的经验和自己的试验数据,开发一些新的计算程序。3.2.1太阳能辅助加热和制冷因TRNSYS软件含全球各地典型瞬时气象数据,故对某个特定气候条件下的太阳能吸收式制冷的仿真研究非常真确和方便。F.Assilzadeh等用TRNSYS建立模型并分析了马来西亚气候下的太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统,指出对于一个3.5kW的制冷机,最好有一个倾斜角为20°面积为35m2的真空管集热器,同时指出为增加系统可靠性必须有一个0.8m3的热水箱。F.Calise等描述了3种不同配置由TRNSYS建立的太阳能辅助加热和制冷仿真模型,对安装在建筑物内的太阳能辅助加热和制冷的动态变化以及经济性进行分析,该模型是真空管集热器、单效溴化锂吸收式制冷机以及燃气锅炉的耦合。F.Calise研究了在意大利不同气候条件下学校建筑物采用太阳能辅助加热和制冷时的能量利用和经济可行性。T.Tsoutsos等和J.R.GarcíaCascales等使用TRNSYS分别研究了位于希腊克里特岛上一个医院和位于西班牙波伦布雷拉斯教室的太阳能加热制冷系统。X.G.Casals等根据安装在西班牙的商业太阳能制冷装置,用TRNSYS进行了动态的仿真,获得了一些经验结论,并建议采用辐射采暖供冷等较高标准的供暖供冷方式。M.Balghouthi等指出了在突尼斯气候条件下的太阳能单效溴化锂吸收式制冷的可行性。使用TRNSYS和EES程序进行了动态仿真研究。对于一个制冷需求为11kW的150m2的典型建筑物,采用太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统需30m2倾斜角为35°的平板型集热器和一个0.8m3的热水箱。3.2.2测试结果分析某个太阳能制冷系统的运行状况,与当地气候条件紧密相关。M.Ortiz等以坐落在高度沙漠化下的7000m2的教育建筑物为原型,建立一个太阳能加热、通风和制冷的数值模型,用来预测其性能和优化控制策略。结果显示,在制冷模式下可节省33%~43%的能源。孟玲燕等根据别墅建筑和溴化锂吸收式制冷/热泵系统的特点,建立了分析太阳能综合系统运行特性的数值计算模型,并结合北京、西安、兰州3处太阳能较为丰富的地区的气候条件,进行了计算分析,给出了系统内能量分配与平衡的关系。根据实际运行的系统进行计算模拟得出的结果,可与实际情况对照,具有较高的可信度。如DarineZam-brano等根据制冷量为35kW的溴化锂吸收式制冷系统的试验数据建立了一个动态模型,与试验结果对比,其相对误差最差只有3%。在建模的过程中采用了模块化的方式,该模型可用于设计新的系统或者研究和测试控制策略。HangYin等研究了一个在洛杉矶的中型办公大楼的太阳能系统,进行经济分析发现,在考虑政府补贴的情况下,太阳能制冷系统回报年限为13.8年,比不补贴减少了40%。对太阳能单效溴化锂吸收式制冷的模拟,除了使用现有软件外,也有研究者自己开发计算程序以适合自己的研究特点。J.V.C.Vargas等联合基本关联式、经验关联式以及古典热力学原理、传热传质原理,使用合适的无量纲参数建立一个数学模型,模拟不同工况下瞬态和稳态的太阳能制冷系统。GomriRabah则从质量守恒,热力学第一、二定律,进行了能量分析和火用分析,并模拟一个10kW的太阳能/天然气联合驱动的吸收式制冷机,分析得出天然气相对其它辅助热源具有较好的经济性,且CO2排放量小。黄超等介绍了一种新型增压绝热吸收的小型太阳能溴化锂吸收式制冷循环,并编写了仿真程序进行热力学计算,分析了吸收过程的传热传质特性,实现了对吸收器和填料参数的优化。结果显示该新系统可有效地提升性能系数。太阳能溴化锂吸收式制冷系统的辅助热源除了电加热、天燃气外,也可采用生物质。BoonritPrasartkaew等建立一个以研究太阳能-生物质能为基础的家用单效溴化锂吸收式制冷的数学模型。采用曼谷的年气象数据,充分考虑了各个组件的特性,研究发现制冷机的COP为0.7,系统的COP为0.55,24h工作时生物质的消耗量为24.44kg。4太阳能无泵溴化锂吸收式制冷系统常规吸收式制冷系统需要溶液泵驱动系统溶液的循环,但溶液泵不单消耗高品质电能,产生噪声,而且因工质对的腐蚀性,易发生故障。以气泡泵代替机械泵,可节约能源,缩小系统体积,减少成本,故对无泵溴化锂吸收式制冷的研究也是一个热点。阙雄才等应用两相流、溶液热力学和吸收式制冷循环的基本理论,对无泵吸收式太阳能制冷机中热虹吸泵在绝热弹状流工况下的热虹吸特性,进行了研究,揭示了浓溶液提升高度、稀溶液浸没高度、热虹吸管内径等重要参数与制冷剂蒸气、水溶液的物性参数、流动参数之间的内在关系。周永红等则确定了太阳能气泡泵吸收式制冷循环中各状态点的设计计算参数,各个交换热器的热负荷、传热面积、传热管数,以及循环介质的流量、配管内径大小。高洪涛等试验探究了不同溴化锂溶液浓度及添加剂对气泡泵工作特性影响。结合气泡泵优点以及热管换热器的高效传热特性,提出了一种新型太阳能无泵溴化锂吸收式制冷系统,可夏季供冷,冬季供热,四季供应热水,如图7所示。系统由真空管集热器,辅助热源,分离式热管,气泡泵,冷凝器,蒸发器,吸收器,溶液热交换器,风冷散热器,蓄冷槽,分层水箱以及风机盘管等组成。在制冷季,切换各个阀门,溶液回路为4-6-7-12-11-12-4,冷剂蒸汽回路为4-6-7-8-9-10-11,冷水回路为10-F4-P2-F3-15(14)-F6(F7)-10,蓄冷器释冷回路14-15-F6-F4-P2-F3-14,冷却水回路为8-F5-F2-3-13-P1-11-8。若天气较好,制冷循环只在白天运行,产生的冷量除供给需求,多余的储存在蓄冷槽14中供晚上使用;若天气不好,则开启辅助热源2,不蓄冷。夏季生活热水需求温度不高,系统运行时,吸收器11和冷凝器8的冷却水直接通入水箱3,用于加热生活热水,然后再进入风冷散热器13散热;需要热水而制冷系统不运行时开启辅助热源2,切换F1,使水箱3中的热管冷凝段加热生活热水。在供暖季,切换阀门,供暖回路为3-F2-F5-F4-P2-F3-15-F6-3,切换F1使水箱3中的热管冷凝段加热供暖热水;晴好时由太阳能集热器1作为热源,阴雨及晚上时开启辅助热源2;水箱3同时可提供生活热水。该系统除了具有一般无泵吸收式制冷系统的特点外,还有如下优点:(1)该系统最大的特点是采用了多热源分离式热管,其蒸发段分别放入真空管集热器和辅助热源中,冷凝段分别放入发生器和水箱中,相当把太阳能热水型制冷机变为效率较高的蒸汽型制冷机,且在冷凝段加了充有不凝性气体的气室,使热管又具有可变导热管的较好的恒温特性,解