小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

王建輝　劉自強(qiáng)　周泉　劉偉

摘要：文章介紹了小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能作為主要驅(qū)動(dòng)能源、采用溴化鋰等環(huán)保材料作為工質(zhì)的太陽(yáng)能吸收式制冷，測(cè)試了運(yùn)行工作時(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的COP以及其他各種參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)具有良好的使用性能，節(jié)能效果十分顯著。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；溴化鋰；吸收式制冷系統(tǒng)；光熱利用；制冷機(jī)制 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TK51 文章編號(hào)：1009-2374（2016）03-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.007

研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能空調(diào)的應(yīng)用極具優(yōu)勢(shì)：夏季太陽(yáng)能輻射越強(qiáng)、天氣越熱，建筑負(fù)荷越大，太陽(yáng)能空調(diào)的制冷效果越好。而采用太陽(yáng)能作為主要驅(qū)動(dòng)能源、采用溴化鋰等環(huán)保材料作為工質(zhì)的太陽(yáng)能制冷技術(shù)符合節(jié)能和環(huán)保要求。因此，采用高效合理的太陽(yáng)能集熱器提供熱源，將太陽(yáng)能光熱利用技術(shù)與小型太陽(yáng)能空調(diào)制冷機(jī)制冷結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)研制一套小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，既可以節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境，又可以解決農(nóng)村住宅夏季空調(diào)制冷需求，有效提高農(nóng)村居民的生活品質(zhì)。

1 小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷工作原理

太陽(yáng)能溴化鋰吸收制冷系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)將水加熱，為溴化鋰吸收式制冷機(jī)的發(fā)生器提供所需的熱媒水，從而使吸收式制冷機(jī)正常運(yùn)行，達(dá)到制冷的目的。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、小型溴化鋰機(jī)組、蓄熱水箱、冷卻塔、用戶(hù)風(fēng)機(jī)盤(pán)管、水泵、控制系統(tǒng)等部件組成。小型溴化鋰機(jī)組是利用溶液濃度的變化來(lái)獲取冷量的裝置，工作介質(zhì)中溴化鋰為吸收劑，水為制冷劑，二者組成工質(zhì)對(duì)。太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)夏季制冷、全年提供生活熱水等多項(xiàng)功能。系統(tǒng)的制冷工作原理為：利用太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能把蓄熱水箱里的水加熱，為溴化鋰機(jī)組的發(fā)生器提供其所需要的熱媒水。在發(fā)生器中制冷工質(zhì)對(duì)被熱媒水加熱，解吸出制冷劑蒸汽。制冷劑蒸汽在冷凝器中被冷卻凝結(jié)成液體，然后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。蒸發(fā)產(chǎn)生的制冷劑蒸汽進(jìn)入吸收器，被來(lái)自發(fā)生器的濃溶液吸收，再由溶液泵加壓送入發(fā)生器，如此循環(huán)不息地制取冷量。為提高機(jī)組的熱效率設(shè)有溶液熱交換器，為增強(qiáng)蒸發(fā)器的傳熱效果設(shè)有冷劑泵。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

石家莊市處于太陽(yáng)能資源較為豐富的地帶，年日照時(shí)數(shù)達(dá)到2563～2852小時(shí)，年累計(jì)太陽(yáng)能輻照量達(dá)到5000～6700MJ/m2。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選在河北省石家莊市元氏縣的一戶(hù)農(nóng)村新民居建筑，該建筑為新建居民住宅，建筑面積150m2，外墻為370mm黏土空心磚，外墻面采用60mm厚聚苯保溫。供暖末端采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，供冷末端為風(fēng)機(jī)盤(pán)管。節(jié)能建筑采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為50W/m2，冷負(fù)荷為70W/m2。我們制作的小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、溴化鋰吸收式制冷機(jī)、蓄熱水箱、生活熱水箱、循環(huán)泵、冷卻塔、風(fēng)機(jī)盤(pán)管和自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成，其系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，為150m2住宅提供夏季制冷和生活用熱水。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)由16組800根Φ58×1800真空集熱管組成，集熱系統(tǒng)集熱面積為75m2。

小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組由山東創(chuàng)爾沃熱泵技術(shù)股份有限公司定制，其具體參數(shù)為：機(jī)組制冷量7kW，冷水進(jìn)出口溫度14℃～19℃，蒸發(fā)溫度12℃，蒸發(fā)壓力1400Pa，吸收壓力1350Pa，吸收器出口稀溶液溫度40℃，濃度54%；冷凝壓力8250Pa，冷凝溫度42℃；發(fā)生器出口溶液溫度76℃，濃度56%，稀溶液回溫度68℃，濃度54%；溶液熱交換器稀溶液進(jìn)口溫度40℃，濃度54%，稀溶液出口溫度68℃；交換器濃溶液進(jìn)口溫度76℃，濃度56%，出口濃液溫度49℃；發(fā)生器負(fù)荷9kW，冷凝器負(fù)荷7.5kW，吸收器負(fù)荷8.8kW，蒸發(fā)器負(fù)荷7kW，熱交換器負(fù)荷3.9kW。冷水泵流量1.8m3/h，冷卻水泵流量2.5m3/h，熱水泵流量2.5m3/h。利用DELPHI編程語(yǔ)言，制作了太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)軟件，軟件可以實(shí)時(shí)采集顯示太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)的溫度、進(jìn)出口溫差、流量、電量等各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、輸出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，我們于2015年8月份對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了夏季空調(diào)制冷性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)太陽(yáng)能輻射值、累積太陽(yáng)能輻射量、水箱溫度、房間溫度、室外環(huán)境溫度、溴化鋰制冷機(jī)進(jìn)出口溫度、流量等各種參數(shù)。圖2顯示了2015年8月28日一天內(nèi)太陽(yáng)輻射隨時(shí)間的變化情況，當(dāng)天太陽(yáng)輻射良好，數(shù)據(jù)顯示圖形基本上成拋物線(xiàn)形狀，太陽(yáng)能輻射最高可達(dá)870W/m2左右。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)天累積太陽(yáng)輻射量為23.4MJ/m2。

當(dāng)天太陽(yáng)投射到太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的全部累積太陽(yáng)能輻射量為23.4×75=1755MJ。當(dāng)天太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的得熱量為831.6MJ，根據(jù)定義，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的平均日效率是白天一定時(shí)間范圍內(nèi)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的累積得熱量與同一時(shí)間范圍內(nèi)投射在集熱系統(tǒng)上累積太陽(yáng)輻射量之比。利用上述數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出該天太陽(yáng)能集熱器的平均日效率是47.38%。圖3顯示了同一天系統(tǒng)中蓄熱水箱的溫度變化，可以看出隨著時(shí)間的變化，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)不斷對(duì)蓄熱水箱里的水加溫，水箱里的溫度很快上升，蓄熱水箱上層水溫從上午9∶00時(shí)的50℃左右，到上午11∶55時(shí)就能達(dá)到100℃，下層水溫從上午9∶00時(shí)的30℃左右，到13∶15時(shí)達(dá)到了95℃以上，小型溴化鋰制冷機(jī)開(kāi)始工作，一直連續(xù)工作到15∶40。

圖4顯示了當(dāng)天小型溴化鋰制冷機(jī)工作時(shí)進(jìn)出口水溫，可以看出在制冷機(jī)工作時(shí)進(jìn)口水溫在16℃～18℃，經(jīng)過(guò)溴化鋰制冷機(jī)的制冷，出口水溫在14℃～15℃，進(jìn)出口水溫能夠保持在2℃左右的溫差，顯示出了良好的制冷效果。

圖5顯示了當(dāng)天太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)在工作時(shí)的COP變化情況。根據(jù)定義，制冷系統(tǒng)的COP是指單位功耗所能獲得的冷量，也就是溴化鋰制冷機(jī)單位時(shí)間內(nèi)輸出的冷量與制冷系統(tǒng)中的循環(huán)泵等部件消耗的電能之比。利用測(cè)量的溴化鋰制冷機(jī)進(jìn)出口溫度、流量和系統(tǒng)用電量等數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的COP。從圖5中可以看出，該系統(tǒng)的空調(diào)制冷系數(shù)COP達(dá)到了1.8以上，最高可以達(dá)到1.9，系統(tǒng)平均COP為1.85。

圖6為當(dāng)天室內(nèi)外溫度，從圖中可以看出在室外環(huán)境溫度達(dá)到30℃的情況下，當(dāng)溴化鋰制冷機(jī)開(kāi)始工作后，室內(nèi)溫度由25℃降到了20℃左右，達(dá)到了空調(diào)制冷的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用太陽(yáng)能真空管集熱系統(tǒng)與溴化鋰吸收式制冷機(jī)相結(jié)合的太陽(yáng)能空調(diào)技術(shù)方案是成功的，小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)顯示了良好的制冷效果，它為太陽(yáng)能熱利用技術(shù)開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)：（1）夏季太陽(yáng)能輻射越強(qiáng)、天氣越熱，建筑負(fù)荷越大，太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的制冷效果越好；（2）系統(tǒng)采用太陽(yáng)能作為主要驅(qū)動(dòng)能源、采用溴化鋰等環(huán)保材料作為工質(zhì)，符合節(jié)能和環(huán)保要求；（3）太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)可以將夏季制冷、冬季采暖和提供熱水結(jié)合起來(lái)，顯著地提高了太陽(yáng)能系統(tǒng)的利用率和經(jīng)濟(jì)性。但是，太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)在推廣應(yīng)用過(guò)程中也存在著一些問(wèn)題：（1）該系統(tǒng)的初期投資比較大，只適用于有限的富裕用戶(hù)，還很難在廣大農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用；（2）由于存在著太陽(yáng)能的不連續(xù)性以及自然條件下太陽(yáng)能輻射密度不高，小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)要做到連續(xù)運(yùn)行，必須增加燃?xì)饣蛱烊粴獾容o助熱源，勢(shì)必提高了系統(tǒng)的投資，降低了系統(tǒng)制冷性能系數(shù)（COP）?？傊?，小型太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)在有效降低成本，提高系統(tǒng)集熱效率的條件下，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：王建輝（1977-），男，河北省科學(xué)院能源研究所工程師。

（責(zé)任編輯：周 瓊）