光熱光電噴射-直接蒸發復合制冷系統性能

李風雷， 韓瑞春， 程志雯， 馬軍偉

(1. 太原理工大學 環境科學與工程學院， 山西 太原 030024;2. 山西省地震局， 山西 太原 030024;3. 山西錦興能源有限公司， 山西 呂梁 033600)

光熱光電噴射-直接蒸發復合制冷系統性能

李風雷1， 韓瑞春1， 程志雯2， 馬軍偉3

(1. 太原理工大學 環境科學與工程學院， 山西 太原 030024;2. 山西省地震局， 山西 太原 030024;3. 山西錦興能源有限公司， 山西 呂梁 033600)

提出一種以R134a為制冷劑的光熱光電噴射-直接蒸發復合制冷系統，以新疆喀什地區的氣象參數為輸入，結合Trnsys軟件進行建筑模擬和系統仿真計算，分析夏季連續典型氣象日內系統的運行情況及其性能.結果表明：直接蒸發冷卻系統系數COPm值最大可以達到15.05；COPm平均值達到12.33；太陽能噴射制冷系統機械COPm最大為4.97；復合系統的綜合機械性能系數COPm達到8.52；整個夏季完全用機械壓縮制冷系統耗電量為162.6 kW·h；完全用光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統耗電量為65.4 kW·h. 關鍵詞： 制冷系統； 噴射； 蒸發； 太陽能； 光熱光電

太陽能是一種取之不盡的可再生能源，在我國西北偏遠山區、沙漠、邊疆、海島有豐富的太陽能資源.由于缺乏電力資源，給生活、工作、科學考察等帶來不便，國內外許多專家對太陽能驅動制冷系統進行了探究[1-9].Selvaraju等[3]以R134a為制冷劑，研究分析了6種不同結構尺寸太陽能噴射制冷系統.Sokolov等[7]提出增強型噴射制冷系統，通過增大噴射器的引射壓力提高該系統的性能.田琦[8]提出一種太陽能噴射與變速壓縮一體化制冷系統，對太陽能噴射與機械聯合制冷系統進行了研究.張利賀等[9]提出一種太陽能噴射-壓縮復合蓄冷系統，并對其進行了熱力學性能分析.然而，由于太陽輻射強度的不確定性，受環境氣候條件等諸多因素影響，單一的太陽能噴射制冷難以滿足空調冷負荷的需求,而單一直接蒸發制冷又存在降溫有限、無法除濕的缺陷.雖然太陽能噴射與變速壓縮一體化制冷系統、太陽能噴射-壓縮復合蓄冷系統主要驅動能源是太陽能，但都需要電能驅動工質泵等用電裝置.為了更加充分利用太陽能資源,并滿足建筑冷負荷的需求，本文提出一種新型“低能耗”的光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統,研究分析在典型連續氣象日系統的性能.

1 系統及供冷建筑概述

1.1 光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統

光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統以R134a作為制冷工質，以新疆喀什地區氣象參數作為輸入，如圖1所示.光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統由光電系統、光熱系統、噴射制冷系統、蒸發冷卻系統4部分組成.系統工作過程如下：將太陽能噴射制冷與直接蒸發制冷進行復合，在上午時段，利用直接蒸發式冷卻系統為房間提供所需冷量；中午時段，太陽輻射照度達到噴射制冷要求，啟動太陽能噴射制冷系統為房間供冷.

圖1 光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統圖Fig.1 Solar photovoltaic and solar energy ejector refrigeration system coupled with direct evaporation refrigeration

采用溫差控制器和時間控制器聯合控制發生循環水泵.1) 太陽能集熱器出水水溫高于集熱側循環水泵出水溫度8 ℃時，自動開啟循環水泵，當兩者的溫差小于2 ℃時，循環水泵關閉.2) 當蓄熱水箱上層溫度達到80 ℃以上，水泵在13：00～18：00之間運行.只有同時滿足以上2個條件時，發生循環水泵才會開啟.

1.2 供冷建筑

模擬建筑以新疆喀什地區戶外科研用建筑為研究對象，喀什年日照時間為3 000 h左右，具有良好的太陽能資源.該建筑共一層，層高2 m，建筑面積5 m2，外墻采用300 mm厚加氣混凝土砌塊，外露梁柱部分采用70 mm厚鋼絲網架聚苯板保溫，屋面采用50 mm厚擠塑聚苯板保溫，外門采用30 mm保溫材料保溫門，東面外窗面積1 m2，采用6 mm空氣層中空玻璃塑鋼窗.建筑圍護結構外墻、外門、外窗、地面、屋面傳熱系數分別為0.55，1.70，2.45，0.43，0.53 W·(m2·K)-1.

建筑物負荷模擬采用Trnsys軟件中的建筑模塊(type56a)，用戶可以導入建筑的實際數據和模擬地點的氣象參數.

2 系統計算控制方程

2.1 光電系統計算控制方程

光電子系統由太陽能電池板、逆變器、蓄電池及控制裝置等組成.太陽能電池板的放置形式和角度直接影響接收到的太陽輻射,以及供電系統的發電能力[10].

1) 太陽輻照量的計算.根據Hay[11]提出的天空散射輻射各向異性的模型表達式，可計算出朝向赤道不同傾斜角度的光伏陣列上接收到的太陽輻射量，即

(1)

式(1)中：Ht,Hb,Hd分別為水平面上的太陽輻照量總量、直接輻照量和散射輻照量；Rb為傾斜面與水平面直接輻射量的比值；H0為大氣層外水平輻照量；β為太陽能電池板傾角；ρ為地面反射率.太陽能電池板吸收的太陽輻射能為

(2)

式(2)中：Hcell為太陽能電池板吸收的太陽輻射能;τn為光伏電池板的太陽能透過率；αn為光伏電池板的太陽能吸收率；rc為單位面積與開孔面積比；ηPV為光伏電池的工作效率，即

(3)

式(3)中：qe為輸出電能.

光伏電池的工作效率隨電池板表面溫度升高而線性降低，即

(4)

式(4)中：ηref為標準測試條件下太陽能電池板的參考效率值；βr為標準測試條件下(H=1 000W·m-2，θref=25 ℃)的溫度系數，K-1.

2) 光伏電池U-I 特性模型.光伏電池的輸出電流(I)和輸出電壓(U)可表示為

(5)

式(5)中：Iph,Id分別表示光電流和二極管反向飽和電流；Rs，Rp分別表示太陽能電池串聯阻抗和并聯阻抗；q為電子電量；A為完整性因子；K為玻爾茲曼常數(1.381×10-23J·K-1)；θ為電池表面溫度.

最大輸出功率為

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中：α=0.002 5 ℃；β=0.5；γ=0.002 88 ℃；m為電池板組件的串聯個數；n為電池板組件的并聯個數；ImUm為光伏電池廠家在標準溫度為θSTC=25 ℃，日照強度為SSTC=1 000W·m-2的特定條件下給定的值.

3) 蓄電池容量計算.蓄電池容量是電池充足電后放出電能大小的數值，即

(9)

式(9)中：C為蓄電池容量，A·h；I為蓄電池放電流，A；t為蓄電池放電時間，h.

2.2 光熱子系統計算控制方程

光熱子系統由太陽能集熱器、循環管路、循環水泵、蓄熱水箱等組成.其中，太陽能集熱器是光熱子系統能量轉化的關鍵部件.穩態與準穩態條件下，單位時間內太陽能集熱器吸收到的有用能為

(10)

式(10)中：Qc為集熱器吸收到的太陽能輻射能量，W；Ql為集熱器向周圍環境散失的能量，W；I為集熱器表面太陽輻射照度，W·m-2；Ap為集熱器吸熱板面積，m-2；τ,α分別為太陽透射率和太陽吸收率；Ui為總熱損失系數，W·(m2·℃)-1；θp為集熱器吸熱板平均溫度，℃；θa為環境溫度，℃.

根據集熱器效率定義(集熱器得到的有用功與投射到集熱器表面的太陽輻射量的比值)，有

(11)

引入熱轉移因子FR，并用集熱器內流體出口水溫θi代替集熱器吸熱板平均溫度θp.考慮到太陽入射角的變化影響凈入射效率，引入入射角修正因子Kτ，α(θl,θt)，得到新的太陽能集熱器效率方程，即

(12)

2.3 噴射制冷子系統計算控制方程

噴射制冷子系統由發生器、噴射器、冷凝器、節流閥、蒸發器、工質泵等組成.為了簡化分析，忽略管路及設備與周圍環境的熱量交換.噴射制冷循環的壓焓圖，如圖2所示.

圖2 噴射制冷子系統壓焓圖Fig.2 Diagram of ejector refrigeration system

對噴射制冷循環過程應用能量守恒定律，結合壓焓圖得出各部件的控制方程.發生器，蒸發器，冷凝器熱力學計算分別為

(13)

(14)

(15)

制冷系統的熱性能系數為

(16)

式(16)中：Wmec為循環所需的機械能.由于Wmec與Qg相比可以忽略不計，所以噴射制冷系統COPh可以近似表示為

(17)

機械制冷性能系數COPm為

(18)

噴射系數可以表示為

(19)

式(13)～(19)中:Qg為工作流體在發生器中的吸熱量，kW；Qy為引射流體在蒸發器中的換熱量，kW；Qh為混合流體在冷凝器中的放熱量，kW；qm,g,qm,y,qm,h分別為工作流體、引射流體、混合流體的質量流量，kg·s-1；h1～h6為狀態點1～6的焓值，kJ·kg-1.

3 仿真結果與分析

3.1 蒸發冷卻系統的計算分析

蒸發冷卻空調的使用條件取決于室內設計參數，室內設計溫度為26 ℃，相對濕度不超過65%，蒸發冷卻空調允許的最大濕球溫度為21.4 ℃[12]，喀什地區7，8，9共3個月濕球溫度(θ)變化，如圖3所示.圖3中：t為時間.

由圖3可知：超過最大濕球溫度，蒸發冷卻空調將不能滿足舒適性空調標準，而且隨著室外干球和濕球溫度溫差減小，蒸發冷卻空調冷卻效率不斷降低.因此，從濕度和效率兩方面考慮，直接蒸發式系統的運行時間不宜過長.在8：00～13：00時間段內，用直接蒸發式空調器對房間供冷，在13：00～17：00時間段內，需要啟用太陽能噴射制冷子系統為房間提供冷量.

3.2 建筑冷負荷和制冷量對比

通過TRNSYS模擬得到的建筑在典型連續氣象日(7月30日，7月31日，8月1日)冷負荷與光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統制冷量的對比圖，如圖4所示.

由圖4可知：單獨直接蒸發不能滿足用戶全天冷負荷需求.在上午時段，建筑冷負荷小，直接蒸發冷卻通過風量調節可以滿足冷負荷需求，而且可以看出直接蒸發冷卻供冷隨著時間變化效率逐漸降低；而在中午時段，制冷量也逐漸減少，隨著濕度增大，難以滿足舒適性空調標準，太陽能噴射制冷系統運行階段產生的制冷量要大于冷負荷需求.

通過光熱光電噴射制冷系統和光電直接蒸發冷卻系統配合使用，可以滿足用戶全天冷負荷需求，不僅解決了太陽能噴射、直接蒸發冷卻由于環境因素導致的使用時段的限制.而且，通過二者配合使用，充分利用了太陽能，節省了電能，減少了初投資，滿足用戶冷負荷的情況下，達到了較大限度的節能.

圖3 新疆喀什地區7～9月濕球溫度變化 圖4 建筑冷負荷和系統制冷量對比圖Fig.3 Variation of bulb temperature from July Fig.4 Comparison chart of building cooling load to September in Kashgar Area,Xinjiang and system refrigerating capacity

3.3 光電系統性能分析

利用TRNSYS模擬了(7月30日，7月31日，8月1日)的太陽能光電系統，模擬光照強度為 1 000 W·m-2，環境溫度為25 ℃，太陽能光伏日平均發電量為4.084 kW·h.根據各個時間段設備所需電量，單獨用噴射制冷日用電量為1.65 kW·h，單獨用直接蒸發日用電量為1.04 kW·h，光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統日用電量為1.35 kW·h.除去電力傳輸效率損失，3 m2的電池板可以為系統的運行提供足夠的電量.根據設計需要，系統滿足在沒有日照的情況下連續工作3 d，選擇放電深度為65%，衰減率為0.95，容量為420 A·h的蓄電池.

3.4 系統COPm變化情況

圖5 系統COPm變化情況Fig.5 Hourly variation of COPm

光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統供冷過程中，系統的COPm變化情況，如圖5所示.由圖5可知：上午8：00～13：00時段，太陽輻射強度較弱，水箱水溫難以驅動太陽能噴射制冷系統工作，由直接蒸發冷卻系統為房間提供冷量.通過調節進風量滿足各時段冷負荷需求，直接蒸發冷卻系統一直保持著較高的制冷性能系數值，但是，隨著外界干球、濕球溫度變化，COPm也逐漸降低；第3天，由于外界濕球溫度偏低，使得直接蒸發冷卻系統有了較高的COPm值，下午13：00～18：00時段，太陽能噴射制冷達到工作條件，開始為房間供冷，但是由于太陽輻射強度變化，引起發生溫度、噴射制冷系統噴射系數的變化.

由圖5還可知：在第1天中，發生循環的泵啟動溫度為80 ℃，在這一時段噴射制冷系統COPm達到相對穩定的較高值;而在第2,3天中，噴射制冷系統COPm值都有不同程度的升降變化.這主要是因為集熱水箱上層水溫隨太陽輻射變化，導致發生器發生溫度超過了噴射制冷最佳發生溫度，噴射系數降低，蒸發器內二次流量減少，制冷量減少，噴射制冷系統COPm值也隨之變化;直接蒸發冷卻COP值最大可以達到15.05，COPm平均值可以達到12.33，太陽能噴射制冷系統機械COP最大為4.97.

3.5 綜合性能分析

由圖4，5可知：在夏季連續典型氣象日內，直接蒸發冷卻系統可以為建筑提供約40%的冷量，光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統綜合性能系數COPm可以達到8.52.如在夏季(7，8月)冷負荷相同的情況下，整個夏季完全用機械壓縮制冷系統耗電量為162.6 kW·h，完全用光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統耗電量為65.4 kW·h,光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統耗電僅為機械壓縮制冷系統的40.2%，且全部來自于轉化的太陽能.

4 結論

1) 通過光熱光電噴射制冷系統和光電直接蒸發冷卻系統配合使用，可以滿足用戶全天冷負荷需求，不僅解決了太陽能噴射、直接蒸發冷卻由于環境因素導致的使用時段的限制，而且達到了較大限度的節能.

2) 光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統COPm受外界環境影響，直接蒸發冷卻COPm值最大可以達到15.05，COPm平均值可以達到12.33，太陽能噴射制冷系統COPm最大為4.97.

3) 光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統綜合性能系數COPm達到8.52，在夏季(7，8月)冷負荷相同的情況下，整個夏季完全用機械壓縮制冷系統耗電量為162.6 kW·h，而完全用光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統耗電量為65.4 kW·h.因此，光熱光電噴射-蒸發復合制冷系統耗電僅為機械壓縮制冷系統的40.2%，且耗電全部來自于轉化的太陽能.

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(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 劉源崗)

Performance of Solar Ejector and Direct Evaporation Combined Refrigeration System Poweredby Photovoltaic Solar Energy

LI Fenglei1， HAN Ruichun1， CHENG Zhiwen2, MA Junwei3

(1. College of Environmental Science and Engineer, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. Shanxi Earthquake Administration， Taiyuan 030024, China;3. Shanxi Jinxing Energy Limited Company， Lüliang 033600, China)

This paper proposed a solar ejector and direct evaporation combined refrigeration system powered by photovoltaic solar energy. This system used R134a as refrigerant, input meteorological parameters in Kashgar Area, Xinjiang, and combined Trnsys simulation software for building simulation and simulation computation of the system, then conducted a comprehensive analysis of operation and thermal performance of the system during consecutive typical meteorological days in summer. The result shows that the maximum COPmof the direct evaporation refrigeration system can reach 15.05 with the average COPm12.33. The maximum mechanical COPmof the ejector refrigeration is 4.97， and the comprehensive COPmis 8.52. Morever, power consumption of the mechanical compression refrigeration system is 162.6 kW·h, and the power consumption of the combined system is 65.4 kW·h in summer. Keywords： refrigeration system; injection; evaporation; solar energy; photo thermal photovoltaic

10.11830/ISSN.1000-5013.201702011

2016-07-17

李風雷(1967-)，男，副教授，博士，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.

山西省科技攻關項目(20140313006-6); 國家國際科技合作項目(2013DFA61580); 山西省回國留學人員科研基金資助項目(2016-032)

TK 519

A

1000-5013(2017)02-0189-06