太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)性能分析

程志雯,李風(fēng)雷,任艷玲

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

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太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)性能分析

程志雯,李風(fēng)雷,任艷玲

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

對(duì)太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析計(jì)算。以太原地區(qū)某建筑為供冷對(duì)象,構(gòu)建了復(fù)合供冷系統(tǒng)的模擬平臺(tái)；以熱平衡方程為基礎(chǔ)，結(jié)合TRNSYS軟件,對(duì)系統(tǒng)的耗電量、供冷量、綜合性能系數(shù)等進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明,復(fù)合供冷系統(tǒng)與純壓縮制冷系統(tǒng)相比可節(jié)約40%以上的電量;噴射制冷子系統(tǒng)可為用戶提供50%以上的冷量;系統(tǒng)綜合熱性能系數(shù)為0.36,綜合機(jī)械性能系數(shù)為18.97。太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)不僅可以充分利用太陽能,還能夠平衡系統(tǒng)制冷量與建筑冷負(fù)荷的需求,具有很好的節(jié)能優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性。

太陽能;噴射制冷;壓縮制冷;復(fù)合系統(tǒng);TRNSYS;仿真模擬

隨著科技的進(jìn)步和人們對(duì)生活環(huán)境舒適性要求的提高,空調(diào)制冷能耗占建筑總能耗的比重逐年上升。為減少空調(diào)制冷系統(tǒng)的一次能耗,越來越多的學(xué)者致力于太陽能制冷技術(shù)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(fù)合式制冷等。

太陽能噴射制冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽能噴射制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。HUANG et al[2]建立直接集熱發(fā)生式的太陽能噴射制冷系統(tǒng),并通過研究得出,當(dāng)系統(tǒng)制冷量為10.5 kW時(shí),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(fā)溫度為8 ℃的工況下,系統(tǒng)性能系數(shù)可達(dá)0.5。SUN[3-4]將蒸汽噴射器應(yīng)用于太陽能噴射制冷系統(tǒng),系統(tǒng)綜合熱性能系數(shù)(COP)提高近50%。PRODASAWAS et al[5]以R600a為制冷工質(zhì)對(duì)太陽能噴射制冷系統(tǒng)做了全年的仿真模擬,獲得系統(tǒng)年平均熱收集比為0.22,噴射制冷系統(tǒng)能達(dá)到的最優(yōu)熱性能系數(shù)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(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全天候供冷。王建偉等[7]對(duì)太陽能直膨式噴射制冷系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析,表明太陽輻射量增大的同時(shí)系統(tǒng)制冷量也顯著提高,并且系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行工況下,可降低空調(diào)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(fù)合供冷系統(tǒng),并采用TRNSYS軟件和能量平衡方程對(duì)其夏季工況下的性能進(jìn)行模擬和分析。

1 太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)及其計(jì)算模型

太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)、噴射-壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)3部分構(gòu)成,如圖1所示。太陽能集熱系統(tǒng)主要有平板集熱器、分層蓄熱水箱、循環(huán)泵;噴射-壓縮復(fù)合制冷系統(tǒng)包括發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器、噴射器、工質(zhì)泵、壓縮機(jī);冷凍水系統(tǒng)由水泵、蓄冷水箱、冷用戶構(gòu)成。

1.1 噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)模型假設(shè)

1) 噴射器內(nèi)流動(dòng)是一維穩(wěn)態(tài)的;

2) 噴射器內(nèi)壓縮和膨脹過程為等熵過程;

3) 蒸發(fā)器出口的制冷劑為飽和蒸汽;

4) 忽略蒸發(fā)器、冷凝器等各個(gè)部件內(nèi)的阻力損失;

5) 噴射器內(nèi)的混合過程為定壓混合;

6) 壓縮機(jī)中的壓縮過程近似為等熵過程。

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

1.2 噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)性能計(jì)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(zhì),采用索科洛夫的一維等截面定壓混合模型[9]進(jìn)行噴器的設(shè)計(jì)和噴射系數(shù)u,一次流體流量和二次流體流量的計(jì)算。

復(fù)合供冷系統(tǒng)壓焓圖如圖2所示。

圖2 噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)壓焓圖Fig.2 p-h diagram of the ejector-compression refrigeration system

壓縮制冷子系統(tǒng)的制冷量為:

(1)

壓縮機(jī)的耗功為:

(2)

噴射系數(shù)為:

(3)

太陽能噴射制冷子系統(tǒng)的制冷量為:

(4)

發(fā)生器輸出的熱量為:

(5)

工質(zhì)泵的耗功為:

(6)

定義，綜合機(jī)械性能系數(shù)Cmo為連續(xù)典型氣象日內(nèi)太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)總的制冷量與系統(tǒng)總耗電量之比:

(7)

定義綜合熱性能系數(shù)Cho為連續(xù)典型氣象日內(nèi)系統(tǒng)總的制冷量與系統(tǒng)輸入的總熱量之比:

(8)

式中:mes為機(jī)械壓縮制冷子系統(tǒng)制冷劑流量,kg/s;ha為蒸發(fā)器出口焓值,kJ/kg;hb為由a點(diǎn)按等熵壓縮至冷凝壓力時(shí)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(fā)器入口焓值,kJ/kg;mg為工作蒸汽質(zhì)量流量,kg/s;me為引射蒸汽質(zhì)量流量,kg/s;h1為蒸發(fā)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(zhì)泵入口,kJ/kg;h4為蒸發(fā)器入口制冷劑焓值,kJ/kg;h5為發(fā)生器出口制冷劑焓值,kJ/kg;h6為發(fā)生器入口制冷劑焓值,kJ/kg;p6,p3分別為發(fā)生器、冷凝器壓力,kPa;λ為工質(zhì)泵效率,取0.7;η為壓縮機(jī)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(tǒng)制冷量為Qc,i時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間;τj是噴射制冷子系統(tǒng)制冷量為Qe,j時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

2 系統(tǒng)分析及仿真模擬策略

2.1 建筑模型概況及負(fù)荷分析

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

模擬建筑為2層小型節(jié)能辦公建筑,位于太原市,工作時(shí)間為8∶00—18∶00,面積為271.37 m2。采用TRNSYS軟件計(jì)算得到整個(gè)夏季建筑動(dòng)態(tài)逐時(shí)冷負(fù)荷,見圖3。從圖中可以看出,建筑冷負(fù)荷主要集中在150～240 d,夏季最大冷負(fù)荷為22.31 kW。

2.2 系統(tǒng)仿真策略

太陽能集熱系統(tǒng)的TRNSYS仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

集熱發(fā)生系統(tǒng)的具體參數(shù)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(shù)0.4 W/(m2·℃);集熱循環(huán)泵的流量為4.51 L/s,發(fā)生循環(huán)泵的流量為3.8 L/s。

為達(dá)到模擬計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行相一致的效果,在利用TRNSYS進(jìn)行模擬時(shí),系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了控制器,并對(duì)集熱循環(huán)泵、發(fā)生循環(huán)泵等設(shè)置了運(yùn)行控制條件。集熱循環(huán)泵的控制采用ON/OFF 控制器,當(dāng)th-tl>8 ℃(th為集熱器出口水溫,tl為集熱器側(cè)蓄熱水箱出口水溫),且時(shí)間處于9∶00—17∶00之間時(shí),集熱循環(huán)泵開啟(ON);當(dāng)th-tl<2 ℃時(shí),集熱循環(huán)泵停止運(yùn)行(OFF)。發(fā)生循環(huán)泵的運(yùn)行條件為:蓄熱水箱上層水溫達(dá)到80 ℃以上且在9∶00—17∶00之間。

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

根據(jù)模擬結(jié)果可知,太陽能集熱系統(tǒng)啟動(dòng)后,蓄熱水箱每日的最低水溫均能達(dá)到60 ℃以上,因此對(duì)整個(gè)夏季而言,首次啟動(dòng)系統(tǒng)所需輔助加熱器的耗電量可以忽略。系統(tǒng)防過熱控制:以水箱的供水溫度為控制參數(shù),設(shè)定集熱循環(huán)泵的切斷溫度為100 ℃。

噴射制冷子系統(tǒng)運(yùn)行期間,多余的冷量?jī)?chǔ)存于蓄冷水箱當(dāng)中。在工作時(shí)間8∶00—18∶00內(nèi),當(dāng)蓄熱水箱上層水溫低于80 ℃時(shí),首先采用蓄冷水箱釋放冷量為用戶供冷;當(dāng)冷量不足時(shí),壓縮制冷子系統(tǒng)運(yùn)行開始運(yùn)行,為用戶供冷。

3 夏季系統(tǒng)供冷仿真結(jié)果及分析

3.1 夏季系統(tǒng)性能分析

由圖5-a可知,如果蒸發(fā)溫度和發(fā)生溫度保持不變,那么當(dāng)冷凝溫度低于臨界冷凝溫度時(shí),噴射系數(shù)保持最大噴射系數(shù)不變。因此,噴射制冷子系統(tǒng)的運(yùn)行過程中,控制蓄熱水箱對(duì)發(fā)生器的供熱量不變,同時(shí)控制蒸發(fā)溫度也不變。模擬計(jì)算中,利用噴射器性能計(jì)算模型[10],計(jì)算出最大噴射系數(shù),再利用式(1)-式(8)可得到系統(tǒng)的性能模擬計(jì)算結(jié)果。

噴射制冷日平均制冷量隨時(shí)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(wěn)定且日均制冷量較大。這是因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)間段內(nèi)的空氣濕球溫度較低,導(dǎo)致噴射制冷子系統(tǒng)冷凝溫度低,使系統(tǒng)在最大噴射系數(shù)下運(yùn)行的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。并且在冷凝溫度低的工況下,噴射系數(shù)對(duì)應(yīng)的發(fā)生溫度較低,蓄熱水箱的上層水溫能盡早達(dá)到噴射制冷運(yùn)行所需溫度,系統(tǒng)可以較早達(dá)到最大噴射系數(shù)的運(yùn)行工況,從而延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間,增加了系統(tǒng)總制冷量。同理,如圖5-b所示,夏季噴射制冷子系統(tǒng)日平均Cho的逐日變化趨勢(shì)與日平均制冷量的逐日變化趨勢(shì)相一致。

圖5 噴射制冷子系統(tǒng)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(tǒng)節(jié)能分析

夏季太陽能集熱器吸收的日總有用能隨時(shí)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(shí)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(shì)與太陽輻射日波動(dòng)和室外氣溫的整體變化趨勢(shì)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(tǒng)(圖7-a)和壓縮制冷子系統(tǒng)(圖7-b)的日耗電量隨時(shí)間的變化圖。由于兩個(gè)子系統(tǒng)交替運(yùn)行,故其日耗電量呈互補(bǔ)關(guān)系。當(dāng)噴射制冷子系統(tǒng)在某日的耗電量較大時(shí),壓縮制冷子系統(tǒng)不耗電或者耗電量很小,反之亦然。壓縮制冷子系統(tǒng)耗電量大的時(shí)間段為195～240 d(7月14日-8月28日),其主要原因?yàn)榇藭r(shí)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(jié)合圖8可以看出,壓縮制冷子系統(tǒng)日耗電量最大時(shí),集熱器吸收到的日總有用能最小,由此可知當(dāng)天的太陽輻射量也最小。

圖7 噴射制冷子系統(tǒng)(a)和壓縮制冷子系統(tǒng)(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(jīng)計(jì)算,整個(gè)夏季噴射制冷子系統(tǒng)制冷量為7 332.2 kW·h,壓縮制冷子系統(tǒng)制冷量為6 061.7 kW·h,噴射制冷子系統(tǒng)的供冷量占總供冷量的54.74%。若單獨(dú)采用壓縮制冷系統(tǒng)為用戶供冷,則整個(gè)夏季的耗電量為1 354.4 kW·h。而采用太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)時(shí)的耗電量為705.8 kW·h,其中壓縮制冷子系統(tǒng)的壓縮機(jī)耗電量為629.6 kW·h,噴射制冷子系統(tǒng)的耗電量?jī)H為76.2 kW·h。由以上數(shù)據(jù)可知,太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)在夏季的耗電主要是壓縮制冷子系統(tǒng)的耗電量。因此,在整個(gè)夏季采用太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)與單純采用壓縮制冷系統(tǒng)相比,可節(jié)約48.2%的電量。復(fù)合供冷系統(tǒng)綜合熱性能系數(shù)Cho為0.36,綜合機(jī)械性能系數(shù)Cmo可達(dá)到18.97。

4 結(jié)論

本文選取太原地區(qū)某辦公建筑為研究對(duì)象,采用TRNSYS軟件建立太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)的仿真模型,得到以下結(jié)論:

1) 噴射制冷子系統(tǒng)為用戶提供的冷量占總制冷量的50%以上。

2) 系統(tǒng)綜合熱性能系數(shù)Cho可達(dá)0.36,綜合機(jī)械性能系數(shù)Cmo為18.97。

3) 太陽能噴射-壓縮復(fù)合供冷系統(tǒng)與壓縮制冷系統(tǒng)相比可節(jié)約40%以上的電量,達(dá)到了很好的節(jié)能效果。

[1] 鄭宏飛,李正良,何開巖,等.光導(dǎo)聚能高溫相變儲(chǔ)熱小型太陽能吸附式制冷系統(tǒng)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào),2008,33(3):261-265.

[2] HUANG B J,CHANG J M,CHANG V A,et al.A solar ejector cooling system using refrigerant R141b[J].Solar Energy,1998,64(4/5/6):223-226.

[3] SUN D W.Experimental investigation of the performance characteristics of a steam jet refrigeration system[J].Energy Sources,1997,19(4):349-367.

[4] SUN D W.Comparative study of the performance of an ejector refrigeration cycle operating with various refrigerants[J].Energy Conwersion & Management,1999,40(8):873-884.

[5] PRIDASAWAS W,LUNDQVIST P.A year-round dynamic simulation of a solar-driven ejector refrigeration system with iso-butane as a refrigerant[J].International Journal of Refrigeration,2007,30(5):840-850.

[6] 田琦.太陽能噴射與壓縮一體化制冷系統(tǒng)的研究[D]. 天津:天津大學(xué),2005.

[7] 王建偉,楊文磊,陳景華,等.太陽能直膨式噴射制冷系統(tǒng)性能分析[J].流體機(jī)械,2014,42(8):84-86.

[8] 王菲,沈勝?gòu)?qiáng).不同制冷劑噴射制冷性能計(jì)算分析[J].化工學(xué)報(bào),2010,16(2):275-280.

[9] EAMES I W,APHORNRATANA S,HAIDER H.A theoretical and experimental study of a small scale steam jet refrigeration[J].Journal of Refrigeration,2001,(2):378-386.

[10] 李風(fēng)雷,曹波,程志雯,等.基于一維模型的噴射制冷系統(tǒng)性能計(jì)算分析[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,44(2):142-146.

(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(guó)家國(guó)際科技合作-專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目：基于噴射-壓縮制冷的太陽能光熱空調(diào)新技術(shù)(013DFA61580);山西省科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目：分級(jí)利用太陽能的噴射-壓縮復(fù)合制冷技術(shù)研究(20140313006-6)

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

李風(fēng)雷,副教授,主要從事空調(diào)制冷新技術(shù)、熱能利用與節(jié)能技術(shù)的研究，(E-mail)fengleili@126.com

TB617

A

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