太陽能制冷與露點蒸發冷卻耦合的空調系統

方凱樂,強天偉,宣永梅

(1.西安工程大學 城市規劃與市政工程學院,陜西 西安 710048;2. 浙江大學 寧波理工學院 機電與能源工程學院,浙江 寧波 315100)

0 引 言

近年來,一次性能源消費比例居高不下，能源消費者致力于向清潔能源轉型。2010—2018年,全球清潔能源在一次性能源總量的占比僅提升約2%[1]。為降低能源消耗過快對環境的負面影響,選擇可再生或低品位能源驅動的制冷空調系統是暖通空調領域未來發展方向之一。

噴射制冷是一種利用余熱、廢熱或者太陽能作為驅動的技術,無需直接消耗電能,但存在效率較低、難以制取低溫的問題[2-4]。機械壓縮制冷雖然可以制取低溫,但高品位電能消耗過多[5]。蒸發冷卻是一種利用可再生的清潔能源——干空氣能作為驅動,結構簡單、造價低、節能環保的技術,其缺點是降溫效果受氣候條件限制[6-8]。

為彌補單一制冷技術的不足,復合式制冷系統應運而生。噴射/壓縮復合制冷系統不但可以彌補噴射制冷難以獲得較低溫度的劣勢,還能夠提高系統性能,節約能耗[9]。噴射/吸收式循環系統用一個噴射器取代吸收式循環中的溶液膨脹閥,以恢復吸收器的壓力。結果表明,溫度較低時,組合式循環系統比單一循環系統具有更好的性能[10]。太陽能噴射與間接蒸發耦合制冷系統將間接蒸發冷卻器用作噴射制冷子系統的冷凝器,更適宜在蘭州地區運行,耦合系統綜合性能系數(COP)最大可達13.69[11]。

諸多學者的研究表明,不同技術結合的復合系統可以相互配合改善系統性能[12-13]。因此,本文提出一種低品位能源(太陽能)驅動的新型復合制冷空調系統——太陽能制冷與露點蒸發冷卻耦合空調系統。對該系統進行設計計算,并與其他空調系統相比較,評價其節能性及經濟性。

1 系統工作原理與空氣處理方案

復合制冷空調系統由2部分組成:露點蒸發冷卻子系統和太陽能噴射制冷子系統。露點蒸發冷卻子系統中的設備包括露點蒸發冷卻器和風機,以水泵提供噴淋水作為動力來源。太陽能噴射制冷子系統中設備有噴射器、冷凝器、儲液罐、循環泵和發生器等。

1.1 系統工作原理

新型太陽能制冷與露點蒸發冷卻耦合空調系統工作原理圖如圖1所示。

圖 1 耦合空調系統工作原理

露點蒸發冷卻子系統中最重要的設備是露點蒸發冷卻器,其結構形式選擇叉流式。室外待處理空氣進入露點蒸發冷卻器中的干通道內,經濕通道內原有的二次空氣冷卻等濕降溫后,一部分空氣從干通道下側的小孔排出,進入濕通道內,與原有的二次空氣混合,降低了二次空氣溫度,進一步增大干濕通道間的換熱溫差,繼續冷卻干通道的一次空氣,持續降溫,直到低于濕球溫度以下且接近露點溫度。二次空氣與濕通道內的噴淋水進行熱濕交換,使干濕通道間壁面上的水膜溫度降低,冷卻干通道內的空氣[14-15]。將被冷卻后的一次空氣送入噴射制冷子系統中的蒸發器內,與低溫低壓的制冷劑進行對流換熱,再次降溫,處理到送風狀態點O時,送入空調區域。二次空氣排風與室內回風混合,通向風冷冷凝器,帶走部分冷凝熱。

依據對環境的友好程度(消耗臭氧潛能值(ODP)、全球變暖潛能值(GWP))、制冷劑本身的熱物理性質(沸點、汽化潛熱、黏度等),選取R245fa為新復合系統中噴射制冷子系統的循環工質[16]。

發生器的驅動熱源為太陽能,太陽輻射照度強時,太陽能集熱器中的水或油吸熱升溫進入蓄熱水箱中,蓄熱水箱中的水或油溫度達到一定程度后,進入發生器中加熱制冷劑以產生高溫高壓的工作流體,這部分流體進入噴射器的噴嘴部分,引射來自蒸發器的低溫低壓流體。2股流體在噴射器內混合室部分充分混合后,形成中壓中溫的流體,再由噴射器出口進入冷凝器中進行冷凝。冷凝器分為2級冷凝,先經過風冷冷凝器,由露點蒸發冷卻器的二次側排風和室內回風帶走噴射制冷循環的部分冷凝熱,再配以水冷冷凝器進一步冷凝。被冷凝的制冷劑儲存在儲液罐中,從儲液罐中出來后制冷劑分成2路:一路經過節流閥節流降壓進入蒸發器中;另一路制冷劑由制冷劑循環泵送回到發生器中,實現再次循環。制冷劑在系統內各個部件的狀態變化壓焓圖如圖2所示。

圖 2 噴射制冷子系統制冷劑循環圖

1.2 空氣處理方案

該復合系統將露點蒸發冷卻作為第1級冷卻,待處理空氣W先送入露點蒸發冷卻子系統內被冷卻到W1,此過程溫度降低,濕度不變,是等濕冷卻過程。然后送入噴射制冷子系統中的蒸發器內,進行第2級冷卻,冷卻至送風狀態點O,再送至空調區域,帶走房間熱負荷,將室內空氣降溫減濕至N點。室內回風N和露點蒸發冷卻二次側排風W2混合到狀態點M,送入風冷冷凝器內,風冷冷凝器出口空氣狀態點為M1。該新型復合系統空氣處理過程焓濕圖如圖3所示。

圖 3 空氣處理過程焓濕圖

2 系統設計計算

以全熱負荷為4 kW的南京某實驗室為例,進行該新型復合空調系統的詳細設計計算。根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》,得到南京市夏季空調設計參數，如表1所示。

表 1 南京市室外設計氣象參數

2.1 露點蒸發冷卻子系統

該系統為全新風空調系統,室內熱負荷由新風全部承擔,通過能量守恒可得以下基本方程:

室內全熱負荷Q0:

Q0=Ms(hN-hO)

(1)

式中：hN,hO分別為夏季室內設計狀態點N、送風狀態點O的焓值,kJ/kg;Ms為送風風量,kg/s。

露點蒸發冷卻器的濕球效率E=1.1[12]，根據式(2)可得一次空氣出口溫度tdb2:

(2)

式中:tdb1,tdb2分別為一次空氣入口、出口的干球溫度,℃;twb1為一次空氣入口的濕球溫度,℃。

取一、二次風量比為1∶1,則有

M1=M2=M3

(3)

式中:M1,M2分別為一次、 二次空氣流量,kg/s。

設定夏季室內溫度為 26 ℃, 相對濕度 60%, 送風溫差取 Δt=8 ℃, 送風狀態點O溫度為 18 ℃, 相對濕度90%, 露點蒸發冷卻器的濕球效率E=1.1, 計算得到整個處理過程的各狀態點參數, 如表2所示。

表 2 蒸發冷卻各點狀態參數

假設風冷冷凝器絕熱良好,全部的熱量均用來冷卻制冷劑，則風冷冷凝熱Qcon1為

Qcon1=(M1+M2)(hM1-hM)

(4)

式中:hM1為風冷冷凝器出口空氣的焓值,kJ/kg;hM為室內回風和二次側排風混合后空氣的焓值,kJ/kg。

2.2 太陽能噴射制冷子系統

待處理空氣先被露點間接蒸發冷卻器預冷,則太陽能噴射制冷子系統中蒸發器制冷量Qeva為

Qeva=M1(hW1-hO)

(5)

式中:hO為南京市夏季空調室內送風狀態點的焓值,kJ/kg;hW1為一次空氣出口的焓值,kJ/kg。

假設:①系統運行穩定;②運行工質在管道內流動時忽略壓降、熱損;③蒸發器、發生器等換熱器絕熱良好;④工質經節流閥前后焓值不變,壓力降低。

根據蒸發器制冷量Qeva求得引射流體質量流量msf：

Qeva=msf(h6-h7)

(6)

式中:msf為引射流體質量流量,kg/s;h6、h7分別為蒸發器出口、入口制冷劑的焓值,kJ/kg。

制冷劑流動過程中遵循的相關質量、能量守恒方程:

mmf=mpf+msf

(7)

式中:mmf、mpf分別為混合流體、工作流體質量流量,kg/s。

mmfh2=msfh6+mpfh1

(8)

式中:h1、h2分別為發生器出口、噴射器出口制冷劑的焓值,kJ/kg。

發生器熱負荷Qgen:

Qgen=mpf(h1-h5)

(9)

式中:h5為工質泵出口(發生器入口)制冷劑的焓值,kJ/kg。

冷凝熱Qcon:

Qcon=mmf(h2-h3)

(10)

式中:h3為水冷冷凝器出口制冷劑的焓值,kJ/kg。

水冷冷凝熱Qcon2:

Qcon2=Qcon-Qcon1

(11)

循環泵耗功量Wpump:

(12)

式中:ηpump為循環泵效率,ηpump=0.9;h4為循環泵入口(儲液罐出口)制冷劑的焓值,kJ/kg。

噴射器是太陽能噴射制冷子系統中重要的設備,其噴嘴喉部、噴嘴出口、混合室和擴壓室出口等處的尺寸以及工作流體、引射流體狀態參數決定噴射器的引射系數和工作性能。建立噴射器的數學模型時,采用一維等壓混合理論分析噴射器性能[17-19]。分析時做如下假定:①噴射器內流動是一維流動過程;②噴射器內流體變化過程為準靜態過程;③噴射器內的混合過程為等壓過程;④噴射器進出口的動能可以忽略不計。根據以上假設以及相關質量、能量和動量守恒方程,可得理論引射系數μ[19]:

μ=[ηnηmηd(hpf,n1-hpf,n2,s)/

(hmf,d,s-hmf,m)]1/2-1

(13)

式中:ηn為噴嘴效率,ηn=0.85;ηm為混合效率,ηm=0.95;ηd擴壓效率,ηd=0.85；hpf,n1為噴嘴入口處工作流體的焓值,kJ/kg;hpf,n2,s為工作流體經等熵過程在噴嘴出口處的焓值,kJ/kg;hmf，d,s為混合流體經等熵過程在擴壓段出口處的焓值,kJ/kg;hmf,m為混合流體在混合段出口處的焓值,kJ/kg。

引射流體質量流量msf:

msf=μmpf

(14)

假定蒸發溫度15 ℃,冷凝溫度35 ℃,發生溫度110 ℃,根據式(5)～(14)以及噴射制冷循環中制冷劑的變化過程,計算得到系統各處運行參數，如表3所示。

表 3 系統運行參數表

3 系統性能及適用性

3.1 太陽能噴射制冷子系統性能

太陽能噴射制冷子系統的發生溫度為 100 、110 ℃和120 ℃冷凝溫度35 ℃時，分析蒸發溫度(0～20 ℃)對噴射制冷子系統的引射系數μ及系統性能參數Pcop的影響， 如圖4所示。圖4中，黑色曲線和藍色曲線分別為噴射制冷子系統的引射系數μ及系統性能參數Pcop隨蒸發溫度的變化規律。

圖 4 引射系數和系統性能參數隨蒸發溫度的變化

從圖4可以看出,隨著蒸發溫度的增加,太陽能噴射制冷子系統的引射系數μ及系統性能參數Pcop隨之增加。這是因為噴射器在工作狀態下,蒸發溫度升高時,蒸發壓力升高,使得噴射器的膨脹比和壓縮比均減小,因此噴射器的效率和性能系數隨之增大。但蒸發溫度也受實際情況的限制,不能無限制的增大。該系統中,選用的R245fa制冷劑沸點為14.9 ℃,因此設定蒸發溫度為15 ℃。

當太陽能噴射制冷子系統的發生溫度為100 ℃、110 ℃和120 ℃，蒸發溫度15 ℃，分析冷凝溫度(30～55 ℃)對噴射制冷子系統的引射系數μ及系統性能參數Pcop的影響，如圖5所示。圖5中，黑色曲線和藍色曲線分別為噴射制冷子系統的引射系數μ及系統性能參數Pcop隨冷凝溫度的變化規律。

圖 5 引射系數和系統性能參數隨冷凝溫度的變化

從圖5可以看出,隨著冷凝溫度的增加,太陽能噴射制冷子系統的引射系數μ及系統性能參數Pcop均逐漸減小。這是因為冷凝溫度增大時,冷凝壓力和噴射器出口壓力均增加,壓縮比增大,引射系數和系統性能降低。該系統的冷凝器分為風冷和水冷2級冷凝，冷凝溫度的選擇需考慮風冷冷凝器處二次側排風溫度,以及保證一定的換熱溫差。系統設定冷凝溫度為35 ℃。

當太陽能噴射制冷子系統的蒸發溫度為15 ℃,冷凝溫度35 ℃的情況下,分析噴射制冷子系統的引射系數μ及系統性能參數Pcop隨發生溫度的變化規律,結果如圖6所示。

圖 6 引射系數及系統性能參數隨發生溫度的變化

從圖6可以看出,隨著發生溫度的增加,太陽能噴射制冷子系統的引射系數μ及系統性能參數Pcop均逐漸增大。這是因為發生溫度增加,工作流體的能量增加,噴射器的引射能力提高,即引射系數增大,系統性能系數亦增加,但并不能無限制增大。隨著發生溫度的升高使得噴射器達到極限狀態時,噴射器會出現阻塞現象,此時引射系數減小,系統性能也不再增加。由此可知,對該系統而言,適當提高發生溫度對系統是有利的,但對于太陽能噴射而言,太陽能強度有一定的上限。增加發生溫度需要不斷增大太陽能集熱器面積,對初投資不利。綜合考慮來看,該系統設定發生溫度為110 ℃。

3.2 復合系統性能

復合系統的性能系數ηcop為制冷量與耗電量的比值。該復合系統中,發生器的換熱量是由余熱、廢熱驅動的,視為無償所得,不作為耗電量，所以,復合系統的ηcop為

(15)

式中:QM-cyc為露點間接蒸發冷卻器制冷量,kW;Ns，Np分別為送風、排風風機耗電量,kW·h;NM-cyc，Ncon分別為噴淋、冷卻水泵耗電量,kW·h。

復合系統與其他系統的性能對比如表4所示。

表 4 系統性能對比

3.3 復合系統適用性及經濟性

該系統中發生器的驅動熱源為太陽能,即太陽能輻射量的多少會影響噴射制冷子系統的性能。我國是太陽能總輻射資源豐富的國家之一。即使在太陽能資源一般豐富的江浙地區,也已有實驗表明，當夏季太陽輻射照度強時,集熱器水溫升高至80 ℃起,噴射器開始工作,并隨著系統運行,噴射器進入最佳工況。同時,該系統為太陽能噴射與露點蒸發冷卻耦合的空調系統,蒸發冷卻與太陽能噴射共同承擔室內冷負荷。

系統的初投資主要由設備費、材料費、安裝費等組成，系統的運行費用與耗電量有關。由表4可知,相同制冷量下,3種系統的耗電量分別為1.67、1、0.94 kW·h。假設供冷季運行3個月,每天運行12 h,根據南京市電費收取標準0.53元/(kW·h),計算得到運行費用，見表5。太陽能制冷與露點間接蒸發冷卻空調系統和傳統機械壓縮空調系統壽命分別以15、10 a計算,經計算得到年費用，見表5。

表 5 系統經濟性對比

由表5可得,新型復合系統的初投資較大,但年費用比傳統空調形式節省476.5元。同時，新型復合系統適應節能減排的發展理念,是值得大力推廣的空調系統。

投資回收期是在不考慮能源費用增長和銀行貸款利率浮動的情況下,系統初投資增加值與年費用節約值之比。計算可得,該復合系統投資回收期約為6 a。

4 結 論

1) 新型復合系統采用2級冷卻達到空調送風溫度。先將空氣通過露點蒸發冷卻器預冷,再送入蒸發器內進一步冷卻,提升了單一噴射制冷的系統性能,擴寬了單一蒸發冷卻的降溫范圍。與其他的蒸發冷卻器相比,露點蒸發冷卻器降溫效果更佳。

2) 噴射制冷的驅動熱源為太陽能低品位能源,露點蒸發冷卻利用干空氣能。與傳統的機械式壓縮制冷空調系統相比,系統性能提升超過70%,節約電能約44%;與間接蒸發冷卻和噴射制冷空調系統相比,Pcop提升6.38%,節約電能約6%。

3) 充分利用露點蒸發冷卻器二次排風的冷量,實現能量梯級利用。該新型系統將較低溫度的二次排風和室內回風混合,一起通向風冷冷凝器,可承擔16.27%的冷凝熱。若采用間接蒸發冷卻和噴射制冷空調系統,二次排風僅能承擔小于5%的冷凝熱。

4) 該復合系統送風為全新風,不與回風混合,避免回風污染,送風品質高,室內空氣品質也隨之提高。對復合系統進行經濟效益分析,可知該系統每年可節約476.5元,投資回收期約為6 a。