不同地區太陽能制冷海水淡化系統運行性能比較

張小曼 沈沁 朱詩君

摘 要：針對三個沿海地區，選取同一別墅作為模擬研究對象，建立了全玻璃真空管集熱器的太陽能吸收式制冷與低溫雙效海水淡化聯合系統數學模型，利用MATLAB語言編制程序進行求解，并進行了性能分析。結果表明：上海地區冷負荷最大，所需集熱器的面積最大，設置的水箱容積也最大，深圳其次，大連最小；一天中， 8時前水箱水溫只發生微降，8時后先隨時間迅速升溫然后再降低，14時刻達到最大值；產水速率在一天中隨時間先變小后增大再變小，5時最小，16時最大。

關鍵詞：真空管集熱；太陽能吸收式制冷；海水淡化

太陽能吸收式制冷作為一種無需常規能源驅動、對環境無污染的綠色環保型技術，研究開發力量越來越強。但太陽能吸收式制冷系統仍然有大量冷凝熱直接排入環境，造成能源浪費，因此冷凝熱回收技術已受到國內外學者的重視，制冷與海水淡化聯合裝置，作為一門交叉研究領域，已開始被注意，但是研究報道并不多[1-4]。本文提出了一種真空管集熱的太陽能吸收式制冷與低溫多效海水淡化聯合系統，并闡述了該聯合系統的工作過程，該聯合系統通過回收冷凝熱，可同時實現制冷和生產淡水兩種功能，極大的提高了能源利用率。

1.聯合系統物理模型

如圖1所示：真空管集熱器收集輻射熱加熱循環工質水，進入儲熱水箱放出熱量后再流回集熱器；儲熱水箱的熱水作為吸收式制冷機驅動熱源達到發生器，在發生器放出熱量后溫度降低流回儲熱水箱；由于太陽輻射的間歇性，為保證系統穩定運行，制冷機驅動熱水進水溫度設置為95℃，如果熱水溫度高于設計值，則開啟冷卻器將水溫降至設計值，如果熱水溫度低于設計值95℃，則開啟輔助熱源將水溫升至設計值。發生器中的吸收劑稀溶液吸收驅動熱水的熱量后，在發生器中放出冷劑蒸汽，作為加熱蒸汽引入海水淡化裝置的第一效蒸發器，并在其中與供給海水換熱；供給海水在海水淡化裝置中經雙效蒸發成為淡水（海水淡化裝置工作原理見文獻[5]）；加熱蒸汽在海水淡化裝置凝結放熱后，變成凝結水，經節流閥節流流至蒸發器；吸收器中吸收劑稀溶液經過溶液泵升壓之后進入溶液熱交換器，在其中吸收來自發生器中吸收劑濃溶液的熱量，進入發生器；蒸發器內設置有冷凍水管路，吸收器內設置有冷卻海水管路。

2.聯合系統數學模型

吸收式制冷熱力計算數學模型、海水淡化熱力計算數學模型采用文獻[5]的算法，現只介紹集熱器和儲熱水箱數學模型：

（1）單位集熱面積有效集熱量：

（1）

式中FR為集熱器熱轉移因子；UL為集熱器熱損失系數，w/（m2*℃）；Ieff為集熱管單位時間單位面積吸收的熱量[6]，w/m2；Tf為為集熱器流體進出口平均溫度，℃；Ta為環境溫度，℃。

（2）集熱器面積

（2）

式中QE（t）為空調某時刻t的逐時冷負荷，kJ/h；Qd為太陽能集熱器日總有效集熱量，J/（m2*d）； 為制冷系統性能系數。

（3）儲熱水箱

采用水作為儲熱介質，儲熱水箱容量根據集熱器的面積確定[8]，取80L/m2。水箱能量平衡方程式為：

（3）

式中，t為時刻，h；Ts為水箱內熱水在的溫度，℃；（MCp）s為水箱內水的質量與其定壓比熱之積，J/℃；Qs為集熱器收集到的并儲存在儲熱水箱中的熱量，J/（ m2*h）；Mg為進入發生器的熱水流量，kg/s；Tsz為進入發生器的設置熱水溫度，℃； （UF）s為水箱熱損失系數與水箱表面積乘積，W/℃；Tw為水箱壁面溫度，℃。

3.數學模型求解

利用MATLAB語言編制了程序對聯合系統數學模型進行了求解，其中溴化鋰吸收式制冷模塊程序、低溫多效海水淡化模塊程序以及真空管集熱器模塊程序見文獻[5-6]的，聯合系統主程序見圖2。

4.結論與分析

本文以大連、上海、深圳三個沿海城市為例，選取一棟空調面積為170m2、坐北朝南的兩層別墅建筑作為模擬研究對象。采用文獻[7]的方法計算這棟別墅建筑的夏季設計日逐時空調冷負荷，并計算得到了三個城市所需集熱器面積和儲熱水箱容積，結果如表1和圖3所示。由圖3可知：三地夏季冷負荷最大時刻都在16時，而圖4顯示了三地區每小時有效集熱量都在12時；還可知上海地區冷負荷最大，集熱器收集的有效集熱量最大，所需集熱器的面積最大，設置的水箱容積也最大，深圳其次，大連最小。

發生微降，8點后，水箱水溫先隨時間迅速升溫然后再降低，14時刻達到最大值，15點后，水箱水溫下降迅速；比較這三個地區，水箱水溫相差不明顯。引起上述變化的原因如下：

（1）在0到8時刻，由于沒有太陽輻射，水溫低于吸收式制冷機熱水進水溫度設計值95℃，系統開啟了輔助熱源，只對進入發生器的熱水進行加熱，故水溫只發生微降。

（2）8點后，由于集熱器吸收了太陽輻射，水箱水溫先隨著集熱量的逐漸增大而迅速升高，后隨著集熱量減小而降低。當水溫高于吸收式制冷機熱水進水溫度設計值95℃，系統開啟了冷卻系統，只對進入發生器的熱水進行冷卻，故水箱中的水溫上升得快。

（3）15點后，由于沒有太陽輻射，水箱水溫由于需要繼續提供更大的逐時冷負荷，所以下降迅速。

（4）三地區的水箱容積是根據集熱面積進行匹配，集熱量大，水箱容積也大，故水箱水溫相差不明顯。

圖6給出了產水速率隨時間變化情況，由圖6可知：在一天中，產水速率隨時間先變小后增大再變小，5時最小，16時最大。比較三地區，上海地區的系統產水速率最大，深圳其次，大連最小。引起上述變化的原因如下：

（1）冷凝熱回收量隨冷負荷的變化成正比，5時冷負荷最小，需要的驅動熱源就少，故產水速率慢，16時冷負荷最大，需要的驅動熱源就大，故產水速率快

（2）上海地區的冷負荷最大，深圳其次，大連最小，因此上海地區的產水速率最大，深圳其次，大連最小。

參考文獻：

[1] 李輝群，空調-海水淡化復合裝置研究[D].西北工業大學碩士論文，2003.

[2] 沈超. 溴化鋰吸收式制冷機與海水淡化聯合運行裝置[J]. 西北工業大學，2005，34（5）：39-41

[3] 胡松濤，熱泵空調與海水淡化系統聯合運行方式探討[J].暖通空調，2006，，36（4）：30-33

[4] 李冰瑜，分布式冷熱電聯產和海水淡化耦合系統研究[D]，中國科學院研究生院碩士論文，2007年5月.

[5] 張小曼.熱水電聯產系統的性能分析與優化研究[D].大連理工大學，2008，24-27.

[6] 陳文博.真空管集熱的太陽能海水淡化系統性能研究[D].大連理工大學，2011，21-30.

[7] 曾海平.夏熱冬冷地區太陽能吸收式空調系統的模擬研究[D].武漢科技大學，2011，20-28.

[8] 顧曉燕.太陽能制冷及供暖綜合系統研究[D].南京理工大學，2005，23.

作者簡介：

張小曼（1983—），女，熱能工程專業碩士，主要從事制冷空調與海水淡化研究.

湖南省教育廳科研項目，《沿海地區太陽能驅動的吸收式空調與海水淡化耦合系統數值模擬研究》，16C1043.