高溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)的性能研究

湯金華

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031）

高溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)的性能研究

湯金華

（中國瑞林工程技術(shù)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(jī)組為主要部件的高溫太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)主要針對(duì)一個(gè)小房間而設(shè)計(jì),采用典型氣象年的氣象參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整個(gè)制冷季節(jié)的逐時(shí)模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明高溫太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行性能。線聚焦集熱器能生產(chǎn)高達(dá)120～160℃的熱水,雙效吸收式制冷機(jī)組在該高溫?zé)崴尿?qū)動(dòng)下,其能效比(COP)可達(dá)1.2～1.4,系統(tǒng)能效比在整個(gè)制冷季節(jié)可能達(dá)到0.426。同時(shí)還分析了不同因素對(duì)該高溫度太陽能空調(diào)系統(tǒng)性能的影響,比如氣象參數(shù)、水箱容積、集熱器面積等。

高溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)；運(yùn)行性能；模擬分析

隨著社會(huì)的發(fā)展,能源短缺和環(huán)境問題已成為世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)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(huán)境污染問題的重要途徑。高溫太陽能空調(diào)作為太陽利用方式之一,越來越受學(xué)術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注。目前,大多數(shù)太陽能空調(diào)系統(tǒng)主要采用真空管集熱器和單效制冷機(jī)組(或者吸附式制冷機(jī)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(jī)組或吸附式制冷機(jī)組在該熱水的驅(qū)動(dòng)下,能耗比也比較低,一般只有0.4～0.7,導(dǎo)致系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)采用的主要部件為線聚焦集熱器和雙效制冷機(jī)組。制冷機(jī)組靠線聚焦集熱器生產(chǎn)的高溫?zé)崴?qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)熱水溫度可高達(dá)120～160℃。由于驅(qū)動(dòng)熱水溫度高,極大地改善了制冷機(jī)組的運(yùn)行性能,使得制冷機(jī)組的能效比提高至1.2～1.4,從而使整個(gè)系統(tǒng)的能耗比提高至0.4～0.5。本文擬針對(duì)一個(gè)小房間進(jìn)行太陽能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用典型氣象年的氣象參數(shù)[3]對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行制冷季節(jié)的逐時(shí)模擬計(jì)算,同時(shí)分析不同因素對(duì)該高溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 制冷負(fù)荷

本文設(shè)計(jì)的太陽能系統(tǒng)主要是對(duì)一個(gè)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(nèi)有5個(gè)人居住，電燈、電腦等家用電器向房間內(nèi)的散熱量為2 000 kJ/h。室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為26℃，在夏天需全天供冷。

1.2 系統(tǒng)的主要部件

高溫太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)原理見圖1，主要包含如下部件：

圖1 高溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)原理

1)集熱器：為了獲得高溫?zé)崴鞠到y(tǒng)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(zhuǎn)動(dòng)，集熱器效率按下列公式[3]計(jì)算：

式中:QU為有效吸熱量，IT為太陽能輻射強(qiáng)度;AC為集熱器面積；a、b為相應(yīng)的系數(shù)，在這里系數(shù)a為0.7，b為4.17 W/(m2·℃)，Ti為集熱器入口溫度；Ta為環(huán)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(jī)組：本系統(tǒng)采用雙效制冷機(jī)組，最大制冷量12 kW，本案例最大制冷負(fù)荷不超過10 kW。

3)蓄熱水箱：在模擬計(jì)算的基本案例中，水箱容積為2.0 m3。

4)輔助加熱器：當(dāng)太陽能不夠，集熱器出口溫度低于120℃的時(shí)候，可以啟動(dòng)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(diào)系統(tǒng)的性能，先以一個(gè)基本案例作為基本情況進(jìn)行逐時(shí)模擬分析，系統(tǒng)主要部件參數(shù)上文已給出，采用的典型氣象年的逐時(shí)數(shù)據(jù)，地點(diǎn)為上海，該數(shù)據(jù)來源于中國建筑環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[4-5]。

通過模擬分析，可知集熱器效率為37.5%，系統(tǒng)能效比高達(dá)0.426。之所以能有這么高的系統(tǒng)能效比，是因?yàn)殡p效制冷機(jī)組受集熱器出來的高溫?zé)崴尿?qū)動(dòng)，使得制冷機(jī)有很高的能效比，運(yùn)行正常時(shí)可達(dá)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(tǒng)正常運(yùn)行的重要條件，因此下面還選取了制冷季節(jié)典型的一天，通過對(duì)系統(tǒng)的逐時(shí)模擬計(jì)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(gè)時(shí)間段比較低，這是因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)間段太陽輻射很少，并且還不停向環(huán)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(shí)有效得熱量,從圖上可知中間時(shí)段得熱量比較高，早上和晚上得熱量少。

圖3 集熱器逐時(shí)有效得熱量

2.3 集熱器效率

集熱器逐時(shí)效率如圖4所示。

圖4 集熱器逐時(shí)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(gè)時(shí)段為50%～60%，中午可達(dá)到60%，比制冷季節(jié)平均效率37.5%高很多。由于制冷機(jī)組的能效比在1.2～1.4范圍內(nèi)，因此在7：00～18：00時(shí)段系統(tǒng)的能效比可達(dá)0.6～0.8，遠(yuǎn)比常規(guī)太陽能空調(diào)系統(tǒng)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(shù)、蓄熱水箱體積、集熱器面積等參數(shù)，同樣通過逐時(shí)模擬計(jì)算研究這些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)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(shù)分別改成廣州和北京,計(jì)算結(jié)果如圖5。

圖5 不同氣象參數(shù)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(gè)城市都是夏季炎熱的地區(qū)，冷負(fù)荷相差不大。但是之所以北京的太陽能保證率最高,是因?yàn)楸本┑奶柲茌椛錈嶙畲蟆Ｏ到y(tǒng)能效比(COP)與太陽能保證率趨勢(shì)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(jì)算結(jié)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(tǒng)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(dāng)集熱器面積超過80 m2時(shí)，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(jì)算結(jié)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(duì)系統(tǒng)能效比(COP)影響不是很大。因?yàn)榇笕莘e水箱雖然可以提高集熱器的效率，但是制冷機(jī)能效比會(huì)因此而降低。當(dāng)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(jié)論

1）采用線聚焦型集熱器和雙效吸收式制冷機(jī)組的高溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)具有很好的運(yùn)行性能。線聚焦集熱器能生產(chǎn)高達(dá)120～160℃的熱水,雙效吸收式制冷機(jī)組在該高溫?zé)崴尿?qū)動(dòng)下，其能效比(COP)可達(dá)1.2～1.4,系統(tǒng)能效比在整個(gè)制冷季節(jié)可能達(dá)到0.4～0.5。

2)該系統(tǒng)運(yùn)行性能受不同地區(qū)氣象條件的影響很大,通過模擬分析可知在北京運(yùn)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(dāng)集熱器面積超過80 m2時(shí),太陽能保證率提高的幅度很小。

4)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)中蓄熱水箱容積比常規(guī)家用太陽能熱水系統(tǒng)蓄熱水箱要設(shè)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(xué)工業(yè)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(xué).中國建筑熱環(huán)境專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[5] 羅振濤,霍志臣.太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)2006發(fā)展報(bào)告[J].建筑節(jié)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(dòng)力及暖通專業(yè)相關(guān)工程設(shè)計(jì)工作。