高溫太陽能空調系統的性能研究

湯金華

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330031）

高溫太陽能空調系統的性能研究

湯金華

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330031）

主要分析了以線聚焦集熱器和雙效制冷機組為主要部件的高溫太陽能吸收式空調系統的性能。該系統主要針對一個小房間而設計,采用典型氣象年的氣象參數對系統進行整個制冷季節的逐時模擬計算。計算結果表明高溫太陽能吸收式空調系統具有良好的運行性能。線聚焦集熱器能生產高達120～160℃的熱水,雙效吸收式制冷機組在該高溫熱水的驅動下,其能效比(COP)可達1.2～1.4,系統能效比在整個制冷季節可能達到0.426。同時還分析了不同因素對該高溫度太陽能空調系統性能的影響,比如氣象參數、水箱容積、集熱器面積等。

高溫太陽能空調系統；運行性能；模擬分析

隨著社會的發展,能源短缺和環境問題已成為世界經濟可持續發展的瓶頸。太陽能是清潔的可再生能源,如何更好地利用太陽能是緩解能源緊張和減少環境污染問題的重要途徑。高溫太陽能空調作為太陽利用方式之一,越來越受學術界和工程界的普遍關注。目前,大多數太陽能空調系統主要采用真空管集熱器和單效制冷機組(或者吸附式制冷機組)。真空管集熱器出口溫度一般比較低,大約70～90℃；單效吸收式制冷機組或吸附式制冷機組在該熱水的驅動下,能耗比也比較低,一般只有0.4～0.7,導致系統總能耗比(制冷量和集熱器的集熱量之比)偏低,只有0.2～0.25[1-2]。而高溫太陽能空調系統采用的主要部件為線聚焦集熱器和雙效制冷機組。制冷機組靠線聚焦集熱器生產的高溫熱水驅動,驅動熱水溫度可高達120～160℃。由于驅動熱水溫度高,極大地改善了制冷機組的運行性能,使得制冷機組的能效比提高至1.2～1.4,從而使整個系統的能耗比提高至0.4～0.5。本文擬針對一個小房間進行太陽能空調系統設計,采用典型氣象年的氣象參數[3]對系統進行制冷季節的逐時模擬計算,同時分析不同因素對該高溫太陽能空調系統性能的影響。

1 系統介紹

1.1 制冷負荷

本文設計的太陽能系統主要是對一個小房間提供冷量。假定房間的面積為120 m2，南面有兩扇窗，窗戶總面積6 m2，房間內有5個人居住，電燈、電腦等家用電器向房間內的散熱量為2 000 kJ/h。室內空調設計溫度為26℃，在夏天需全天供冷。

1.2 系統的主要部件

高溫太陽能吸收式空調系統原理見圖1，主要包含如下部件：

圖1 高溫太陽能空調系統原理

1)集熱器：為了獲得高溫熱水，本系統采用線聚焦型集熱器，聚焦比為25，總集熱面積為50 m2,朝向正南，并繞固定軸轉動，集熱器效率按下列公式[3]計算：

式中:QU為有效吸熱量，IT為太陽能輻射強度;AC為集熱器面積；a、b為相應的系數，在這里系數a為0.7，b為4.17 W/(m2·℃)，Ti為集熱器入口溫度；Ta為環境溫度；IbT為投射到集熱器上的太陽能直射輻射；C為聚焦比。

2)制冷機組：本系統采用雙效制冷機組，最大制冷量12 kW，本案例最大制冷負荷不超過10 kW。

3)蓄熱水箱：在模擬計算的基本案例中，水箱容積為2.0 m3。

4)輔助加熱器：當太陽能不夠，集熱器出口溫度低于120℃的時候，可以啟動輔助加熱器將熱水加熱到120℃，輔助加熱器的功率為10 kW。

2 基本案例的模擬分析

為了便于更好地分析高溫太陽能空調系統的性能，先以一個基本案例作為基本情況進行逐時模擬分析，系統主要部件參數上文已給出，采用的典型氣象年的逐時數據，地點為上海，該數據來源于中國建筑環境分析專用氣象數據集[4-5]。

通過模擬分析，可知集熱器效率為37.5%，系統能效比高達0.426。之所以能有這么高的系統能效比，是因為雙效制冷機組受集熱器出來的高溫熱水的驅動，使得制冷機有很高的能效比，運行正常時可達1.2～1.4。

蓄熱水箱和集熱器出口溫度、集熱器有效得熱量、集熱效率等是保證系統正常運行的重要條件，因此下面還選取了制冷季節典型的一天，通過對系統的逐時模擬計算分析，可知蓄熱水箱和集熱器出口溫度、集熱器有效得熱量、集熱效率在一天中的變化情況。

2.1 蓄熱水箱和集熱器出口溫度

如圖2可知,水箱出口溫度變化范圍在110～150℃之間。集熱器出口溫度在1：00～7：00之間和18：00～24：00這兩個時間段比較低，這是因為這兩個時間段太陽輻射很少，并且還不停向環境散熱。

圖2 水箱和集熱器出口溫度

2.2 集熱器有效得熱量

圖3為集熱器逐時有效得熱量,從圖上可知中間時段得熱量比較高，早上和晚上得熱量少。

圖3 集熱器逐時有效得熱量

2.3 集熱器效率

集熱器逐時效率如圖4所示。

圖4 集熱器逐時效率

從圖上可以看出，線聚焦型集熱器效率在7：00～18：00這個時段為50%～60%，中午可達到60%，比制冷季節平均效率37.5%高很多。由于制冷機組的能效比在1.2～1.4范圍內，因此在7：00～18：00時段系統的能效比可達0.6～0.8，遠比常規太陽能空調系統的能效比0.2～0.25高很多。

3 分析和討論

在相同條件下，改變氣象參數、蓄熱水箱體積、集熱器面積等參數，同樣通過逐時模擬計算研究這些參數對系統的影響。

3.1 氣象條件的影響

其他條件不變,將上海的氣象參數分別改成廣州和北京,計算結果如圖5。

圖5 不同氣象參數的影響

由圖5可知，太陽能保證率北京最高，上海其次，廣州最小。這3個城市都是夏季炎熱的地區，冷負荷相差不大。但是之所以北京的太陽能保證率最高,是因為北京的太陽能輻射熱最大。系統能效比(COP)與太陽能保證率趨勢一樣,北京最高,上海其次,廣州最低。

3.2 集熱器面積的影響

其他條件不變，改變集熱器的面積：基本案例集熱器面積為50 m2，分別改為55 m2、60 m2、65 m2、70 m2、75 m2、80 m2、85 m2，計算結果如圖6。

圖6 不同集熱器面積的影響

從圖6可以看出，系統能效比（COP）隨著集熱器的面積增大而提高；太陽能保證率也是隨著集熱器面積的增大而提高，但當集熱器面積超過80 m2時，提高的幅度不明顯。

3.3 水箱容積的影響

其他條件不變，改變水箱容積：本案列中水箱容積為2.0 m3，分別改為0.6 m3、1.0 m3、1.4 m3、1.8 m3、2.4 m3，計算結果如圖7。

圖7 不同水箱容積的影響

從圖上可以看出水箱容積大小對系統能效比(COP)影響不是很大。因為大容積水箱雖然可以提高集熱器的效率，但是制冷機能效比會因此而降低。當水箱容積超過1.4 m3，太陽能保證率提高得很少，因此在本案例中水箱容積為1.4 m3比較合適。

4 結論

1）采用線聚焦型集熱器和雙效吸收式制冷機組的高溫太陽能空調系統具有很好的運行性能。線聚焦集熱器能生產高達120～160℃的熱水,雙效吸收式制冷機組在該高溫熱水的驅動下，其能效比(COP)可達1.2～1.4,系統能效比在整個制冷季節可能達到0.4～0.5。

2)該系統運行性能受不同地區氣象條件的影響很大,通過模擬分析可知在北京運行性能最好,其次是上海,廣州最差。

3)集熱器面積越大,太陽能保證率越高。在本案例中,當集熱器面積超過80 m2時,太陽能保證率提高的幅度很小。

4)系統能效比和太陽能保證率隨水箱容積的變化不是很明顯,建議高溫太陽能空調系統中蓄熱水箱容積比常規家用太陽能熱水系統蓄熱水箱要設置得小一些。

[1] Henning,Hans-Martin.Solar-assisted Air-Conditioning in Buildings[M].NewYork:Springer Wien New York,2003.

[2] 王如竹.太陽能制冷[M].北京:化學工業出版社,2007:166-168.

[3] Duffe John A,Beckman William A.Solar Engineering of Thermal Processes[M].2nd ed.New York:Wiley,1991.

[4] 中國氣象局,清華大學.中國建筑熱環境專用氣象數據集[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[5] 羅振濤,霍志臣.太陽能熱利用產業2006發展報告[J].建筑節能,2007(8):53-55.

Performance Research on Solar High-temperature Air-conditioning System

TANG Jinhua
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

This papar mainly analyzes,the performance of solar higher-temperature absorption air conditioning systems which employed linear concentrating collectors and double-effect absorption chillers.This solar higher-temperature absorption air conditioning system was designed for a small house.Hourly simulations during a cooling season have been conducted by using meteorological parameter from typical meteorological year(TMY).Simulation results show that the solar air conditioning system have excellent thermal performance.The linear concentrating collectors can produce hot water of temperature as high as 120-160oC and its COP of the double-effect absorption chillers can reach 1.2-1.4.The system COP during a cooling season can reach 0.426. Meanwhile,the effects of some factors such as climates,volumes of storage tank,area of collectors on the performance of this solar air conditioning system are also analyzed.

solar high-temperature air-conditioning system;operating performance,simulation analysis

TU831.7+4

B

1004-4345(2015)01-0041-03

2014-07-15

湯金華（1983—），男，工程師，主要從事熱能動力及暖通專業相關工程設計工作。