典型氣象日蓄熱型太陽能噴射制冷系統性能分析

李風雷，任艷玲

（太原理工大學 環境科學與工程學院，山西 太原030024）

太陽能噴射制冷系統是以光熱轉換的形式利用太陽能，將太陽能集熱器收集到的熱量作為熱源來驅動噴射系統.國內外學者對噴射制冷做了相關的研究［1-8］.Dorantes等［1］以R142b為制冷劑分析了噴射系數和系統能效比（COP）隨著發生溫度、蒸發溫度、冷凝溫度等的變化情況.Mani等［2］以R134a為制冷劑，對6種不同結構尺寸的太陽能噴射制冷系統進行系統研究.Vidal等［3］以R141b為制冷劑，建立了太陽能噴射制冷系統性能逐時模擬程序，對巴西某地區進行了詳細計算，得出了與相應制冷量匹配的集熱器面積、傾角等.Yapici等［4］對制冷劑R123進行了太陽能噴射制冷的實驗研究.國內的何曙等［8］選取我國具有代表性的7個城市，研究了太陽能噴射制冷系統的動態性能及其在我國應用的可行性和可靠性.山西省太原市為第二類太陽能資源較豐富的地區，夏季有一半以上的天數日照時段內平均太陽輻射照度能夠達到700 W·m-2，且7月11日這一天具有代表性 .因此，研究太陽能噴射制冷系統在良好氣象條件下的性能，對系統在該地區的應用具有重要的預測意義.本文以太原地區的氣象參數為背景，選取R141b為制冷工質，結合TRNSYS軟件對太陽能集熱系統進行了仿真計算，研究了典型氣象日（7月11日）蓄熱型太陽能噴射制冷系統的性能，以及系統參數對各性能的影響.

1 系統工作原理

蓄熱型太陽能噴射制冷系統由太陽能集熱系統和噴射制冷系統組成，如圖1所示.集熱系統主要有平板集熱器、分層蓄熱水箱、循環水泵；噴射制冷系統包括發生器、噴射器、蒸發器、冷凝器、工質泵等部件.其中，蓄熱水箱出口、發生器入口處的流量調節閥決定了蓄熱水箱的輸出熱量.

圖1 蓄熱型太陽能噴射制冷系統Fig.1 Solar ejector refrigeration system with heat storage

系統工作工作原理：循環水泵開啟，水進入平板集熱器內，吸收熱量溫度升高后進入蓄熱水箱；當蓄熱水箱上層水溫達到熱水循環泵開啟所需溫度后，熱水進入發生器；制冷劑在發生器中與熱媒進行熱交換變成高壓飽和蒸汽（工作流體），進入噴射器并在噴嘴中絕熱膨脹、壓力降低，從而將蒸發器中的蒸汽（引射流體）吸入噴射器中，混合后一同流入擴壓段中，升高了引射流體的壓力；然后，混合后的蒸汽進入冷凝器中放熱，冷凝成液體后，制冷劑分兩路，一路經工質泵被送入發生器中，另一路經節流閥節流降壓后進入蒸發器中吸熱汽化.圖2為噴射制冷系統壓焓圖.

圖2 噴射制冷系統壓焓圖Fig.2 Pressure enthalpy diagram of ejector refrigeration system

2 系統的數學模型

2.1 蓄熱水箱溫度分層數學模型

蓄熱水箱溫度分層的數學模型主要有多節點模型和插入流模型兩種.多節點模型的基本思想是：將水箱沿豎直方向分成多個層，每個層即為一個節點，每個節點內的水溫相同，不同的節點溫度不同.由于希望集熱器的進水溫度盡可能低，因此總是位于最下端；而取用熱水一般為最高溫度，即頂層溫度，因此供應熱水的出口位于最上端 .集熱器的出水和自來水（或回水）入口均采用浮動，尋找最佳的溫度層進入［9］.圖3為N節點分層水箱示意圖.

圖3 N節點蓄熱分層水箱示意圖Fig.3 Stratified fluid storage tank

從集熱器出來的熱水和自來水（或回水）進入蓄熱水箱入口位置，其控制功能可用數學方法描述如下：

1）定義函數Fci（i表示節點序號），用來描述接受集熱器的出水的水箱具體層，有

式（1）中：θc，o為集熱器的出水溫度；θs，i為蓄熱水箱第i個節點的水溫.

2）定義函數FLi（i表示節點序號），用來描述接受自來水上水（或回水）的水箱具體層，有

式（2）中：θL，r為自來水上水（或回水）溫度.

由于水的流動（進水、出水），其質量流量為m，節點間必然存在著相互混合，混合程度與集熱器流量、負荷流量的大小及控制函數瞬時值有關.因此，節點間混合后節點i的質量平衡方程表達式為

同時，節點i的能量平衡方程表達式為

由此可知，節點越多表示分層效果越好.文中在太陽能集熱系統TRNSYS模擬中采用的蓄熱分層水箱節點數為5.

2.2 噴射制冷系統數學模型

噴射器是噴射制冷系統的核心部件.為了分析簡化，對其模型做出以下5點假設：1）流體在噴射器內進行一維穩態流動；2）工作流體與引射流體均為飽和蒸汽；3）噴射器內工作流體與引射流體混合過程為定壓混合；4）噴嘴入口、引射流體吸入口流體速度忽略不計；5）流動及混合過程中不可逆因素以各自的效率表示.基于以上簡化假設，將質量、能量、動量守恒方程應用于噴射器，噴射器的性能是由噴射系數u來評價的，可定義為

式（5）中：me為引射蒸汽流量；mg為工作蒸汽流量.

如圖2所示，對于噴射制冷循環的性能參數，通過能量守恒定律可以得到穩態條件下，發生器換熱量（Qg）、冷凝器換熱量（Qc）、噴射制冷量（Qe）的基本方程，即

式（6）中 ：h5，h6分別為發生器出、入制冷劑焓值；h2，h3分別為冷凝器器入、出制冷劑焓值；h1，h4分別為蒸發器出、入制冷劑焓值.

忽略工質泵耗功，則噴射制冷系統的性能系數（COP）為噴射制冷量（Qe）與發生器換熱量（Qg）的比值 .在典型氣象日，平均COP值為一天內總制冷量（Qze）與發生器總換熱量（Qzg）的比值 .

3 系統的仿真模擬設計

圖4 太陽能集熱系統TRNSYS模擬Fig.4 TRNSYS simulation of solar heating system

圖4為太陽能集熱系統的TRNSYS仿真模擬示意圖，所需的氣象數據為太原市氣象數據［10］.在太陽輻射照度為700 W·m-2，氣溫為29℃的條件下，各模塊設計參數如表1所示［11］.

集熱側循環水泵受溫差和時間的聯合控制，其控制策略為：1）集熱器出口流體水溫高于集熱側循環泵出口水溫8℃時，自動開啟循環水泵，當二者之差小于2℃時，循環水泵關閉；2）水泵在6：00～19：00點之間處于開啟狀態.熱水循環泵開啟受溫度的控制：蓄熱水箱的上層水溫達到85℃以上，水泵開啟.這樣做的目的是減少系統中各部件及循環管路的熱量損失從而節約電能.

表1 太陽能集熱系統各模塊輸入計算參數Tab.1 Parameters of the solar heating system

4 仿真結果與分析

利用前面的仿真模擬計算，求得蓄熱水箱各層水溫及噴射制冷系統的運行時間；然后，結合REFPROP（Version 6.01）軟件，計算圖2中制冷劑R134a各狀態點的所有物性 .最后，通過噴射制冷系統的數學模型，計算并分析太原地區典型氣象日（7月11日）蓄熱型太陽能噴射制冷系統的運行情況及性能系數.

4.1 系統性能隨環境工況的變化

在噴射器喉部面積比為7.5，蒸發溫度為8℃，冷凝溫度為32℃，工作流體和引射流體均為飽和蒸汽的設定條件下，典型氣象日蓄熱型太陽能噴射制冷系統噴射系數（u）、制冷量（Qe）和COP值隨太陽輻射照度的變化圖，如圖5所示 .從圖5可知：噴射系數、制冷量、系統COP值的變化趨勢是一致的.

根據TRNSYS模擬結果，蓄熱水箱上層溫度（θtop）隨太陽輻射照度（I）的變化規律，如圖6所示.從圖6可知：10：30之前噴射制冷系統并未運行，這是由于太陽輻射照度較弱，蓄熱水箱處于儲熱階段，上層水溫過低而達不到噴射制冷系統正常運行所需的發生溫度；10：45以后，隨著太陽輻射照度的增強，水箱蓄的熱越來越多，上層水溫也越來越高，發生溫度也隨著升高，噴射器噴射系數逐漸增大到最大噴射系數 .此時，通過水箱出口與發生器間的調節閥控制發生器的輸出熱量，使噴射制冷系統維持在最大噴射系數下運行.因此，即使太陽輻射照度還在增強，系統的各性能卻一直維持在最佳狀態，并且系統的性能也沒有立刻隨著太陽輻射照度的減小而減小，而是直到太陽輻射照度降到很弱且水箱上層溫度降低時噴射系數才開始減小 .這結果與傳統的，沒有蓄熱裝置的太陽能噴射制冷系統相比，更充分利用了太陽能.

圖5 典型日系統性能隨太陽輻射照度的變化Fig.5 Hourly variation of solar radiation intensity and refrigerating capacity during a typical day

圖6 典型日蓄熱水箱上層溫度隨太陽輻射照度的變化 Fig.6 Variation of upper temperature with solar radiation intensity during a typical day

4.2 蒸發溫度對系統性能的影響

當冷凝溫度一定，蒸發溫度不同的工況下，典型氣象日噴射器喉部面積比為7.5的太陽能噴射制冷系統制冷量、COP值的逐時變化情況，如圖7所示.從前文已知制冷量、COP值是同步變化的.從圖7可知，隨著蒸發溫度的升高，系統制冷量、COP值均增大，而且蒸發溫度越高，系統在最大噴射系數下運行的時間越長，系統產生的制冷量也越多.

圖7 典型日蒸發溫度對系統性能的影響Fig.7 Effect of evaporation temperature on refrigerating capacity during a typical day

4.3 冷凝溫度對系統性能的影響

在蒸發溫度一定，冷凝溫度不同的工況下，典型氣象日太陽能噴射制冷系統制冷量、COP值的逐時變化情況，如圖8所示.從圖8可知：隨著冷凝溫度的升高，系統制冷量、COP值均減小，而且冷凝溫度越低，系統在最大噴射系數下運行的時間越長 .這是由于在低冷凝溫度工況下，噴射系數所對應的發生溫度較低 .然而，蓄熱水箱在太陽輻射照度不太大的時候便可蓄足熱量，且使上層水溫能盡早達到噴射制冷系統運行所需的溫度，這樣系統就能較早在最大噴射系數下運行，而且延長了該狀態下的運行時間，從而增加了系統的總制冷量.

圖8 典型日冷凝溫度對系統性能的影響Fig.8 Effect of condensation temperature on refrigerating capacity during a typical day

4.4 喉部面積比對系統性能的影響

在典型氣象日，3種不同喉部面積比（r）噴射器的太陽能噴射制冷系統制冷量比較，如圖9所示.從圖9可知：r＝6.6和r＝7.5的噴射制冷系統比r＝8.8的噴射制冷系統較早開始、較晚停止制冷 .這是由于在冷凝溫度、蒸發溫度一定的情況下，喉部面積比越大，噴射制冷系統運行所需的發生溫度越高，從而導致系統的運行時間較短.從圖9中還可知：喉部面積比大的噴射制冷系統逐時最大制冷量較大，這是由于噴射系數隨著喉部面積比的增大而增大的原因.通過計算，r＝8.8時，典型日平均COP最大，其值為0.276.然而，與r＝6.6與r＝8.8相比，系統可提前45 min開始運行，滯后80 min停止運行.所以，系統中對噴射器的選擇應考慮用戶逐時冷負荷需求的分布特點.

4.5 溫度控制熱水循環泵開啟對系統性能的影響

在蒸發溫度為10℃，冷凝溫度為32℃計算工況下，熱水循環泵控制溫度在85，90℃的典型氣象日系統運行時間分別為10：30～20：15和11：00～21：00.由此可以看出，水泵開啟溫度控制在90℃顯然要比在85℃開啟的晚30 min，提供冷量也要比后者滯后，但是前者卻比后者延遲45 min停止制冷.所以，水泵開啟的控制溫度就需要結合用戶對冷負荷的需求特點來設置，應盡可能使系統的制冷量滿足用戶冷負荷需求的同時還能避免能源浪費.

圖9 典型日噴射器喉部面積比對制冷量的影響Fig.9 Effect of ejector throat area ratio on refrigerating capacity during a typical day

5 結論

1）蓄熱型太陽能噴射制冷系統的熱性能與太陽輻射照度有著密切的聯系，噴射系數、制冷量和系統COP值隨著太陽輻射照度的增強而增大 .噴射器達到最大噴射系數后，由于調節閥控制蓄熱水箱熱量輸出的作用使系統一直維持在系統最大COP值下運行，中午過后，隨著太陽輻射照度的減弱系統的性能系數也跟著減小.這與傳統的沒有蓄熱裝置的太陽能噴射制冷系統相比，拓寬了系統在最佳狀態下的運行時間，充分地利用了太陽能.另外，噴射系數、制冷量和系統COP值的變化趨勢是一致的.

2）典型氣象日，以噴射器喉部面積比為7.5的噴射制冷系統為例，在冷凝溫度一定的情況下，隨著蒸發溫度的升高，制冷量、系統COP值均增大，而且蒸發溫度越高，系統在最大噴射系數下運行的時間越長，那么系統產生的制冷量也越多；而在蒸發溫度一定的情況下，隨著冷凝溫度的升高，制冷量、系統COP值均減小，且冷凝溫度越低，系統在最大噴射系數下運行的時間越長，產生的制冷量也越大.

3）典型氣象日，在冷凝溫度、蒸發溫度一定的情況下，喉部面積比越大，噴射制冷系統運行所需的發生溫度越高，系統開始運行的越晚，停止運行的越早，且運行總時間越短.但同一運行時間，喉部面積比越大，噴射系數越大，從而制冷量也越大.當r＝8.8時，典型日平均COP值最大，為0.276.因此，噴射器的選擇應考慮用戶冷負荷需求的分布特點.

4）熱水循環泵開啟溫度控制的優化設計對系統制冷具有重要的意義.水泵開啟的控制溫度需要結合用戶對冷負荷的需求來設置，在盡可能滿足用戶冷負荷需求的同時還能避免能源浪費.

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