太陽能噴射-壓縮復合供冷系統性能分析

程志雯,李風雷,任艷玲

(太原理工大學 環境科學與工程學院,太原 030024)

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太陽能噴射-壓縮復合供冷系統性能分析

程志雯,李風雷,任艷玲

(太原理工大學 環境科學與工程學院,太原 030024)

對太陽能噴射-壓縮復合供冷系統性能進行了分析計算。以太原地區某建筑為供冷對象,構建了復合供冷系統的模擬平臺；以熱平衡方程為基礎，結合TRNSYS軟件,對系統的耗電量、供冷量、綜合性能系數等進行了計算分析。結果表明,復合供冷系統與純壓縮制冷系統相比可節約40%以上的電量;噴射制冷子系統可為用戶提供50%以上的冷量;系統綜合熱性能系數為0.36,綜合機械性能系數為18.97。太陽能噴射-壓縮復合供冷系統不僅可以充分利用太陽能,還能夠平衡系統制冷量與建筑冷負荷的需求,具有很好的節能優勢和實用性。

太陽能;噴射制冷;壓縮制冷;復合系統;TRNSYS;仿真模擬

隨著科技的進步和人們對生活環境舒適性要求的提高,空調制冷能耗占建筑總能耗的比重逐年上升。為減少空調制冷系統的一次能耗,越來越多的學者致力于太陽能制冷技術的研究,提出了多種太陽能制冷方式,如:太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷[1]、太陽能噴射式制冷以及復合式制冷等。

太陽能噴射制冷系統具有結構簡單、節能環保、維護費用低、經濟性強等優勢,國內外學者對太陽能噴射制系統進行了大量的研究。HUANG et al[2]建立直接集熱發生式的太陽能噴射制冷系統,并通過研究得出,當系統制冷量為10.5 kW時,給定集熱器面積為68 m2,集熱器溫度為95 ℃、冷凝溫度為32 ℃、蒸發溫度為8 ℃的工況下,系統性能系數可達0.5。SUN[3-4]將蒸汽噴射器應用于太陽能噴射制冷系統,系統綜合熱性能系數(COP)提高近50%。PRODASAWAS et al[5]以R600a為制冷工質對太陽能噴射制冷系統做了全年的仿真模擬,獲得系統年平均熱收集比為0.22,噴射制冷系統能達到的最優熱性能系數為0.48。田琦[6]就太陽光照不足的情況提出新型太陽能噴射與壓縮一體化制冷系統,從而實現了系統的全天候供冷。王建偉等[7]對太陽能直膨式噴射制冷系統進行了理論分析,表明太陽輻射量增大的同時系統制冷量也顯著提高,并且系統在連續運行工況下,可降低空調能耗,減少高品位能源的消耗。

筆者提出了一種可充分利用太陽能的噴射-壓縮復合供冷系統,并采用TRNSYS軟件和能量平衡方程對其夏季工況下的性能進行模擬和分析。

1 太陽能噴射-壓縮復合供冷系統及其計算模型

太陽能噴射-壓縮復合供冷系統由太陽能集熱系統、噴射-壓縮復合制冷系統和冷凍水系統3部分構成,如圖1所示。太陽能集熱系統主要有平板集熱器、分層蓄熱水箱、循環泵;噴射-壓縮復合制冷系統包括發生器、蒸發器、冷凝器、噴射器、工質泵、壓縮機;冷凍水系統由水泵、蓄冷水箱、冷用戶構成。

1.1 噴射-壓縮復合供冷系統模型假設

1) 噴射器內流動是一維穩態的;

2) 噴射器內壓縮和膨脹過程為等熵過程;

3) 蒸發器出口的制冷劑為飽和蒸汽;

4) 忽略蒸發器、冷凝器等各個部件內的阻力損失;

5) 噴射器內的混合過程為定壓混合;

6) 壓縮機中的壓縮過程近似為等熵過程。

圖1 太陽能噴射-壓縮復合供冷系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the solar ejector-compression cooling system

1.2 噴射-壓縮復合供冷系統性能計算模型

本文選用噴射制冷效率高的制冷劑R141b[8]為制冷工質,采用索科洛夫的一維等截面定壓混合模型[9]進行噴器的設計和噴射系數u,一次流體流量和二次流體流量的計算。

復合供冷系統壓焓圖如圖2所示。

圖2 噴射-壓縮復合供冷系統壓焓圖Fig.2 p-h diagram of the ejector-compression refrigeration system

壓縮制冷子系統的制冷量為:

(1)

壓縮機的耗功為:

(2)

噴射系數為:

(3)

太陽能噴射制冷子系統的制冷量為:

(4)

發生器輸出的熱量為:

(5)

工質泵的耗功為:

(6)

定義，綜合機械性能系數Cmo為連續典型氣象日內太陽能噴射-壓縮復合供冷系統總的制冷量與系統總耗電量之比:

(7)

定義綜合熱性能系數Cho為連續典型氣象日內系統總的制冷量與系統輸入的總熱量之比:

(8)

式中:mes為機械壓縮制冷子系統制冷劑流量,kg/s;ha為蒸發器出口焓值,kJ/kg;hb為由a點按等熵壓縮至冷凝壓力時所得的冷凝器入口焓值,kJ/kg;hc為冷凝器出口制冷劑焓值;hd為蒸發器入口焓值,kJ/kg;mg為工作蒸汽質量流量,kg/s;me為引射蒸汽質量流量,kg/s;h1為蒸發器出口制冷劑焓值,kJ/kg;h2為冷凝器入口制冷劑焓值,kJ/kg;h3為工質泵入口,kJ/kg;h4為蒸發器入口制冷劑焓值,kJ/kg;h5為發生器出口制冷劑焓值,kJ/kg;h6為發生器入口制冷劑焓值,kJ/kg;p6,p3分別為發生器、冷凝器壓力,kPa;λ為工質泵效率,取0.7;η為壓縮機等熵效率,取0.8;ρ為制冷劑密度,kg/m3;τi是壓縮制冷子系統制冷量為Qc,i時的系統運行時間;τj是噴射制冷子系統制冷量為Qe,j時的系統運行時間。

2 系統分析及仿真模擬策略

2.1 建筑模型概況及負荷分析

圖3 建筑日平均冷負荷變化圖Fig.3 Daily building average cooling load variation diagram

模擬建筑為2層小型節能辦公建筑,位于太原市,工作時間為8∶00—18∶00,面積為271.37 m2。采用TRNSYS軟件計算得到整個夏季建筑動態逐時冷負荷,見圖3。從圖中可以看出,建筑冷負荷主要集中在150～240 d,夏季最大冷負荷為22.31 kW。

2.2 系統仿真策略

太陽能集熱系統的TRNSYS仿真結構如圖4所示。

集熱發生系統的具體參數有:太陽能集熱器面積400 m2,傾角37°,方位角0°;水箱容積為22.5 m3,水箱損失系數0.4 W/(m2·℃);集熱循環泵的流量為4.51 L/s,發生循環泵的流量為3.8 L/s。

為達到模擬計算與實際運行相一致的效果,在利用TRNSYS進行模擬時,系統內設置了控制器,并對集熱循環泵、發生循環泵等設置了運行控制條件。集熱循環泵的控制采用ON/OFF 控制器,當th-tl>8 ℃(th為集熱器出口水溫,tl為集熱器側蓄熱水箱出口水溫),且時間處于9∶00—17∶00之間時,集熱循環泵開啟(ON);當th-tl<2 ℃時,集熱循環泵停止運行(OFF)。發生循環泵的運行條件為:蓄熱水箱上層水溫達到80 ℃以上且在9∶00—17∶00之間。

圖4 噴射器的工作區Fig.4 Operational modes of ejector

根據模擬結果可知,太陽能集熱系統啟動后,蓄熱水箱每日的最低水溫均能達到60 ℃以上,因此對整個夏季而言,首次啟動系統所需輔助加熱器的耗電量可以忽略。系統防過熱控制:以水箱的供水溫度為控制參數,設定集熱循環泵的切斷溫度為100 ℃。

噴射制冷子系統運行期間,多余的冷量儲存于蓄冷水箱當中。在工作時間8∶00—18∶00內,當蓄熱水箱上層水溫低于80 ℃時,首先采用蓄冷水箱釋放冷量為用戶供冷;當冷量不足時,壓縮制冷子系統運行開始運行,為用戶供冷。

3 夏季系統供冷仿真結果及分析

3.1 夏季系統性能分析

由圖5-a可知,如果蒸發溫度和發生溫度保持不變,那么當冷凝溫度低于臨界冷凝溫度時,噴射系數保持最大噴射系數不變。因此,噴射制冷子系統的運行過程中,控制蓄熱水箱對發生器的供熱量不變,同時控制蒸發溫度也不變。模擬計算中,利用噴射器性能計算模型[10],計算出最大噴射系數,再利用式(1)-式(8)可得到系統的性能模擬計算結果。

噴射制冷日平均制冷量隨時間變化如圖6所示。從圖中可以看出,135～155 d(5月15日-6月4日)的日平均噴射制冷量基本穩定且日均制冷量較大。這是因為在這個時間段內的空氣濕球溫度較低,導致噴射制冷子系統冷凝溫度低,使系統在最大噴射系數下運行的時間相對較長。并且在冷凝溫度低的工況下,噴射系數對應的發生溫度較低,蓄熱水箱的上層水溫能盡早達到噴射制冷運行所需溫度,系統可以較早達到最大噴射系數的運行工況,從而延長了運行時間,增加了系統總制冷量。同理,如圖5-b所示,夏季噴射制冷子系統日平均Cho的逐日變化趨勢與日平均制冷量的逐日變化趨勢相一致。

圖5 噴射制冷子系統日平均制冷量變化圖(a)及日平均Cho變化圖(b)Fig.5 Variations of the daily average refrigerating-capacity(a) and daliy average Cho (b) of ejector refrigeration system

3.2 系統節能分析

夏季太陽能集熱器吸收的日總有用能隨時間的變化如圖6所示。在受室外溫度和太陽輻射的雙重影響下,不同時間集熱器吸收到的日總有用能變化幅度很大,但其變化趨勢與太陽輻射日波動和室外氣溫的整體變化趨勢基本一致。

圖6 集熱器吸收的太陽能變化圖Fig.6 Variations of daily total solar energy absorbed by the collector

圖7分別為噴射制冷子系統(圖7-a)和壓縮制冷子系統(圖7-b)的日耗電量隨時間的變化圖。由于兩個子系統交替運行,故其日耗電量呈互補關系。當噴射制冷子系統在某日的耗電量較大時,壓縮制冷子系統不耗電或者耗電量很小,反之亦然。壓縮制冷子系統耗電量大的時間段為195～240 d(7月14日-8月28日),其主要原因為此時段氣溫較高但太陽輻射量小于135～180 d (5月15日-6月29日)。結合圖8可以看出,壓縮制冷子系統日耗電量最大時,集熱器吸收到的日總有用能最小,由此可知當天的太陽輻射量也最小。

圖7 噴射制冷子系統(a)和壓縮制冷子系統(b)日耗電量變化圖Fig.7 Variations of the daily total power consumption of the compression refrigeration system (a) and the ejection refrigeration system (b)

經計算,整個夏季噴射制冷子系統制冷量為7 332.2 kW·h,壓縮制冷子系統制冷量為6 061.7 kW·h,噴射制冷子系統的供冷量占總供冷量的54.74%。若單獨采用壓縮制冷系統為用戶供冷,則整個夏季的耗電量為1 354.4 kW·h。而采用太陽能噴射-壓縮復合供冷系統時的耗電量為705.8 kW·h,其中壓縮制冷子系統的壓縮機耗電量為629.6 kW·h,噴射制冷子系統的耗電量僅為76.2 kW·h。由以上數據可知,太陽能噴射-壓縮復合供冷系統在夏季的耗電主要是壓縮制冷子系統的耗電量。因此,在整個夏季采用太陽能噴射-壓縮復合供冷系統與單純采用壓縮制冷系統相比,可節約48.2%的電量。復合供冷系統綜合熱性能系數Cho為0.36,綜合機械性能系數Cmo可達到18.97。

4 結論

本文選取太原地區某辦公建筑為研究對象,采用TRNSYS軟件建立太陽能噴射-壓縮復合供冷系統的仿真模型,得到以下結論:

1) 噴射制冷子系統為用戶提供的冷量占總制冷量的50%以上。

2) 系統綜合熱性能系數Cho可達0.36,綜合機械性能系數Cmo為18.97。

3) 太陽能噴射-壓縮復合供冷系統與壓縮制冷系統相比可節約40%以上的電量,達到了很好的節能效果。

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(編輯：李文娟)

Performance Analysis on Solar Ejection-Compression Refrigeration System

CHENG Zhiwen,LI Fenglei,REN Yanling

(CollegeofEnvironmentalScienceandTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

The performance analysis on the solar ejection-compression refrigeration system was carried out using a building in Taiyuan as the cooling object, a simulating model of the combined refrigeration system was created. The performance of the system such as the power consumption, refrigerating capacity,and coefficient of performance was calculated on the basis of the thermal equilibrium by using the TRNSYS software. The results show that more than 40% of electrical energy could be saved through the solar ejection-compression refrigeration system, compared with common compression refrigeration system;more than 50% of the refrigerating capacity is provided by the ejection refrigeration sub-system; the system comprehensive thermal coefficient is 0.36 and the comprehensive mechanical coefficient is 18.97. Solar ejection-compression refrigeration system makes full use of solar energy, and balances the demands between refrigerating capacity and cooling-loading system of buildings, which has good energy-saving advantage and practicability.

solar energy;ejection refrigeration;compression refrigeration;combined system;TRNSYS;simulation

1007-9432(2016)03-0337-05

2015-03-23

國家國際科技合作-專項基金資助項目：基于噴射-壓縮制冷的太陽能光熱空調新技術(013DFA61580);山西省科技攻關基金資助項目：分級利用太陽能的噴射-壓縮復合制冷技術研究(20140313006-6)

程志雯(1989-),女,山西平定人,碩士生,主要從事空調制冷新技術研究，(E-mail)360394060@qq.com

李風雷,副教授,主要從事空調制冷新技術、熱能利用與節能技術的研究，(E-mail)fengleili@126.com

TB617

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.012