蓄熱型太陽能噴射制冷系統供冷性能分析及優(yōu)化

張峰峰， 田琦， 李風雷， 白慧峰

(1. 太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 晉中 030600；2. 山西中綠環(huán)保集團有限公司， 山西 太原 030032)

蓄熱型太陽能噴射制冷系統供冷性能分析及優(yōu)化

張峰峰1， 田琦1， 李風雷1， 白慧峰2

(1. 太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 晉中 030600；2. 山西中綠環(huán)保集團有限公司， 山西 太原 030032)

為提高蓄熱型太陽能噴射制冷系統的供冷性能，利用TRNSYS軟件，建立蓄熱型太陽能噴射制冷系統瞬態(tài)仿真模型.結合太原市某公共建筑的逐時冷負荷，分析集熱側循環(huán)水流量和蓄熱水箱容積對系統供冷特性的影響.結果表明：隨集熱側水流量、水箱容積的增大，系統在連續(xù)5 d中的平均輸出冷量均呈現先增后減的趨勢；集熱側水流量和蓄熱水箱容積與集熱器總面積的最佳比例分別為0.005 kg·(h·m2)-1和0.02 m3·m-2.

噴射制冷； 供冷品質； 逐時輸出冷量； 集熱側水流量； 蓄熱水箱容積

太陽能噴射式制冷因結構簡單、運動部件少、不存在潤滑問題、運行維護費用低等優(yōu)點被認為是最有效的空調制冷方法之一[1].Huang等[2]和Alexis 等[3]對太陽能單級噴射制冷系統性能進行了實驗研究.Wolpert等[4]編寫了單級噴射制冷系統計算機程序，研究了運行參數對系統性能的影響.田琦等[5]提出了一種新型的太陽能噴射和電壓縮聯合制冷系統，并對該系統與傳統聯合制冷系統進行了熱力學對比分析.王菲等[6]提出了雙噴射制冷系統，利用數學模型，研究了發(fā)生溫度和冷凝溫度對噴射器噴射系數的影響.Vidal等[7]和Wimolsiri等[8]利用TRNSRS軟件，建立太陽能噴制冷系統瞬時仿真模型，研究了集熱器類型、面積以及蓄熱水箱容積對系統性能的影響.李風雷等[9]通過太陽能集熱系統TRNSYS模型，研究了環(huán)境參數對系統性能的影響.綜上所述，太陽能噴射制冷系統的研究大多是在設定工況下進行的，對系統在運行期間逐時性能的研究較少.本文建立蓄熱型太陽能噴射制冷系統瞬態(tài)仿真模型，探討集熱側水流量和蓄熱水箱容積的最佳取值.

1 系統工作原理

系統結構圖，如圖1所示.圖1中：1為太陽能集熱器；2為蓄熱水箱；3為集熱側熱水循環(huán)泵；4為發(fā)生器；5為發(fā)生側熱水循環(huán)泵；6為噴射器；7為冷凝器；8為工質泵；9為節(jié)流閥；10為蒸發(fā)器.

系統壓焓圖，如圖2所示.圖2中：p為壓力；H為焓.圖2中：1為高速低壓蒸氣；2為擴壓段；3為液體；4為蒸發(fā)器；5為發(fā)生器；6為高溫高壓蒸氣.

由圖2可知：熱媒水在太陽能集熱器內吸熱升溫，經過蓄熱水箱和發(fā)生器，最終將熱量傳遞給液態(tài)工質.液態(tài)工質在發(fā)生器內，吸熱變成高溫高壓蒸氣后，進入噴射器噴嘴進行絕熱膨脹，變成高速低壓蒸氣.該蒸氣與被其抽吸于蒸發(fā)器的低溫低壓氣態(tài)制冷劑，在混合室混合，在擴壓段升壓，進入冷凝器中，放熱變成液體.一部分冷凝液經節(jié)流閥進入蒸發(fā)器再次制冷，另一部分經工質泵進入發(fā)生器再次吸熱，從而實現制冷循環(huán).

圖1 系統結構圖 圖2 系統壓焓圖Fig.1 Diagram of system′s structure block Fig.2 Figure of pressure over enthalpy of system

2 系統數學模型

2.1 集熱器數學模型

系統集熱器為熱管式真空管集熱器，其集熱效率[10-11]為

(1)

式(1)中：θi為集熱器進口水溫，℃；θen為環(huán)境溫度，℃；I為太陽輻射照度，W·m-2.

2.2 蓄熱水箱數學模型

蓄熱水箱的數學模型采用多節(jié)點模型[9]，水箱第i層的能量平衡式為

(2)

式(2)中：M為水箱節(jié)點的容量，kg；θ為水溫，℃；Cw為熱水的定壓比熱容，kJ·(kg·K)-1；α為集熱器出水流量的控制因子，其值為1或0；m為水流量，kg·s-1；β為自來水上水流量的控制因子，其值為1或0；μ為加熱元件給予水箱某層熱量的控制因子，對最頂層和最底層，μ=1，對其余層，μ=0；U為傳熱系數，W·(m2·K)-1；A為面積，m2；λ，φ為水箱層間質量轉移相關換熱的控制因子，其值為1或0；γ為水箱某層接受集熱器供水量與自來水補水量之差的絕對值；下標i為水箱第i層參數；下標h為集熱器出水參數；下標en為環(huán)境參數；下標L為自來水上水參數.

2.3 發(fā)生器數學模型

系統所用發(fā)生器為滿液式換熱器，管側流體為熱媒水，殼側流體是工質R141b.系統工作時，熱水放出的熱量為

(3)

式中：Gw為發(fā)生器中熱水流量，kg·s-1；ΔTw為發(fā)生器中熱水的溫度降，K.同時，工質吸收的熱量為

(4)

式(4)中：Gr為發(fā)生器中工質的流量，kg·s-1；h5,h6分別為發(fā)生器進口、出口制冷劑焓值，kJ·kg-1.

2.4 噴射器數學模型

噴射器的性能利用噴射系數評價，噴射系數為

(5)

式(5)中：GP為系統一次流量，kg·s-1；Gs為系統2次流量，kg·s-1.

系統噴射器為單相噴射器.系統運行時，通過噴嘴的流量即系統一次流量[12]，即

(6)

式(6)中：kP為氣體絕熱指數；ΠP*為工質臨界壓力和滯止壓力之比；PP為發(fā)生壓力，Pa；αP*為臨界速度，m·s-1；At為噴嘴喉部面積，m2；φs為絕熱膨脹系數.

2.5 蒸發(fā)器數學模型

系統運行時，蒸發(fā)器內制冷劑的循環(huán)流量即系統2次流量為

(7)

2.6 噴射制冷系統數學模型

在穩(wěn)態(tài)條件下，通過能量守恒定律，可以得到系統制冷量計算公式，即

(8)

式(8)中：H1,H4為蒸發(fā)器出口、進口制冷劑焓值，kJ·kg-1.系統耗熱量即發(fā)生器換熱量，與發(fā)生器內制冷劑吸熱量和熱媒水放熱量均相等，即

(9)

忽略工質泵和水泵的功耗，蓄熱型太陽能噴射制冷系統性能系數為

(10)

式(10)中：Qco為入射到集熱器表面總熱量，kW.

圖3 系統瞬態(tài)仿真模型Fig.3 Transient emulation of system

3 系統仿真模型

系統瞬態(tài)仿真模型，如圖3所示.圖3中：蓄熱型太陽能噴射制冷系統的TRNSYS模型包含氣象參數、集熱器、集熱側熱水循環(huán)泵及其控制、發(fā)生器、發(fā)生側循環(huán)水泵、噴射器、蒸發(fā)器、結果輸出9個模塊.各模塊的設計參數如下：集熱器的集熱面積為74 m2；蓄熱水箱體積為3.7 m3；發(fā)生器的單位溫差下的換熱量為2 000 W·K-1；集熱側熱水循環(huán)泵流量為 2 600 kg·h-1；發(fā)生側熱水循環(huán)泵流量為1 980 kg·h-1；噴射器設計制冷量為2.5 kW，設計發(fā)生溫度為85 ℃，設計蒸發(fā)溫度為8 ℃，設計冷凝溫度為35 ℃，設計噴射系數為0.4，喉部直徑為5.74 mm.

為方便建立模型，作如下3點假設.1) 系統運行過程中，各換熱器出入口和噴嘴入口的制冷劑均處于飽和狀態(tài).2) 發(fā)生側熱水流量為定值.3) 系統運行過程中，各換熱器不產生向外界的能量耗散.

集熱側熱水循環(huán)泵的啟停受溫差和時間的聯合控制，當集熱器出口水溫高于其入口水溫8 ℃時，自動開啟循環(huán)水泵；當二者之差小于2 ℃時，水泵關閉，水泵僅在8:00～20:00之間處于開啟狀態(tài).

圖4 環(huán)境參數和發(fā)生溫度隨時間的變化Fig.4 Variation of environmental parameters and generating temperature over time

4 模擬結果與分析

利用系統TRNSYS模型，模擬了系統運行期間，其發(fā)生溫度和性能的變化規(guī)律；結合太原市某公共建筑的冷負荷，研究系統的供冷特性，探討集熱側水流量和蓄熱水箱容積對系統供冷性能的影響．

4.1 系統發(fā)生溫度的變化規(guī)律

典型氣象日里，系統發(fā)生溫度的變化規(guī)律,如圖4所示.圖4中：t為時間；I為太陽輻射照度；θ為溫度.由圖4可知：系統發(fā)生溫度隨時間先增后減，在17:00達到最大,峰值滯后于太陽輻射照度，與冷凝溫度基本同步．這是因為在14:00之前，太陽輻射照度單調遞增，集熱器輸入給蓄熱水箱的熱量隨之增大.因此，發(fā)生溫度在這段時間內持續(xù)增大.但是由于蓄熱水箱具有一定容量，水箱內水溫上升需要較長時間;在14:00之后，當太陽輻射照度開始下降時，發(fā)生溫度并沒有隨之立刻下降，而是先升后降.另外，冷凝溫度升高，發(fā)生器殼側工質吸熱量降低，工質吸熱量減小又會促使發(fā)生溫度升高；反之，冷凝溫度降低，發(fā)生溫度降低．

圖5 系統各性能指標隨時間的變化Fig.5 Variation of system′s performance indexes over time

4.2 系統性能的變化規(guī)律

系統各性能指標隨時間的變化，如圖5所示.圖5中：Qe為制冷量.由圖5可知：11:00時，系統開始運行；噴射系數隨發(fā)生溫度的減小而增大，其最大值約為0.578；系統制冷量波動較小，基本維持在3.5～4.0 kW；14:00前，系統COP略有持續(xù)下降，14:00后，系統COP明顯持續(xù)上升，最大值出現在運行期末端，約為0.27.

11:00前，太陽輻射照度持續(xù)升高，但是，分層蓄熱水箱導致水溫上升較慢，不足以驅動系統運行.噴射器的設計冷凝溫度為35 ℃，噴射器始終運行在臨界狀態(tài).因此，系統發(fā)生溫度越大，噴射系數越小[8].系統一次流量與發(fā)生溫度同增減，而噴射系數隨發(fā)生溫度的變化規(guī)律相反.因此，系統二次流量變化幅度較小，這就導致系統制冷量波動較小.14:00前，太陽輻射照度不斷上升，而系統制冷量波動較小，系統COP不斷減?。?4:00后，太陽輻射照度開始下降，系統COP增大.

圖6 冷負荷以及逐時氣象參數 Fig.6 Cooling load of room andmeteorological parameter

4.3 系統供冷特性

系統逐時輸出冷量、房間逐時冷負荷以及逐時氣象參數，如圖6所示.圖6中：Q為冷量.由圖6可知：兩個氣象日中，環(huán)境溫度均先增后減，且在15:00左右達到最大值,房間冷負荷同樣呈現先增后減的趨勢,系統供冷量的產生和結束均滯后于房間冷負荷.兩者同時存在的時段內，系統供冷量比用戶的冷負荷需求多,環(huán)境溫度是房間冷負荷大小最大的影響因素，所以2者的變化趨勢較一致.

模型中噴射制冷系統運行所需最小發(fā)生溫度為65 ℃，因此，系統在太陽輻射照度達到較高水平后才能運行.同時，蓄熱水箱具有一定容量，導致系統供冷量的產生滯后于房間冷負荷,系統停止運行的時刻晚于房間冷負荷消失的時刻.噴射器的設計工況一般為用戶最大冷負荷對應時刻的環(huán)境參數，即系統設計發(fā)生溫度偏高，因此,系統能夠持續(xù)輸出較大的冷量.

4.4 集熱側水流量對系統供冷品質的影響

集熱側設計水流量與集熱器總面積之比(r)的研究范圍是0.001～0.085 m3·(h·m2)-1.不同r值下，系統在連續(xù)5個工作日中的平均輸出冷量，如圖7(a)所示.

由圖7(a)可知：隨集熱側水流量的增大，系統平均輸出冷量先增后減.這是因為流量太小的水無法及時帶走集熱器導熱塊向連集管水的導熱量，導致熱管冷凝溫度升高，集熱器總體得到的熱量減小，發(fā)生溫度降低，系統未能啟動；水流量逐漸增大，系統發(fā)生溫度升高，系統運行并產生冷量.水流量太大時，蓄熱水箱的水在很短的時間內便循環(huán)一次，這又使得流過集熱器的平均水溫升高，導致了集熱效率的下降，發(fā)生溫度降低，系統無法啟動.

由圖7(a)還可知：當r值為0.005 kg·(h·m2)-1時，系統平均輸出冷量和用戶側的平均負荷較為接近，且水泵設計流量較小.為進一步考察該流量下，系統輸出冷量與用戶冷負荷需求的匹配程度，模擬了系統在連續(xù)5個工作日中的逐時輸出冷量，結果如圖7(b)所示.

由圖7(b)可知：系統的逐時輸出冷量與房間冷負荷能較好匹配.因此，0.005 kg·(h·m2)-1的設計r值可以使系統兼具較佳的供冷性能和經濟性.

(a) 不同r值 (b) r=0.005圖7 系統輸出冷量Fig.7 Variation of average cooling

4.5 蓄熱水箱容積對系統供冷品質的影響

房間平均冷負荷與系統平均輸出冷量，如圖8所示.

(a) 不同k值 (b) k=0.02圖8 房間平均冷負荷與系統平均輸出冷量Fig.8 Hourly cooling load of room and refrigerating capacity of system

蓄熱水箱容積與集熱器總面積之比(k)值范圍是0.02～0.30 m3·m-2.模擬了不同k值下, 系統在連續(xù)5個工作日中的平均輸出冷量，結果如圖8(a)所示.

由圖8(a)可知：隨水箱容積的增大，系統平均輸出冷量先增大后減小.水箱容積太小，水箱和集熱器內平均水溫均較高，導致集熱器熱管的冷凝溫度較高，集熱器總得熱量減小，集熱系統穩(wěn)定后，發(fā)生溫度較低，不足以驅動系統運行.此時，系統運行不穩(wěn)定[8].水箱容積增大，集熱器內平均水溫減小，系統集熱效率提高，總的熱量增大，系統開始運行.水箱容積增大到一定值后，水箱內的水溫上升所需時間較長.系統運行時段縮短，系統輸出冷量減小.

由圖8(a)還可知：當k值為0.02 m3·m-2時，系統平均輸出冷量和用戶側的平均負荷較為接近，且水箱容積較小.為進一步考察該容積的水箱下，系統輸出冷量與用戶冷負荷需求的匹配程度，模擬系統在連續(xù)5個工作日中的逐時輸出冷量，結果如圖8(b)所示.由圖8(b)可知：當蓄熱水箱容積與集熱器總面積的比例為0.02 m3·m-2時，系統的逐時輸出冷量與房間冷負荷能較好匹配.因此，k值設計為0.02 m3·m-2,可使系統兼具較佳的供冷能力和經濟性.

5 結論

1) 噴射器的設計冷凝溫度高于系統冷凝溫度時，噴射系數隨發(fā)生溫度的減小而增大，最大值約為0.578；太原典型氣象日，系統運行期間，其制冷量波動比較小，基本維持在3.5～4.0 kW之間；系統COP先減后增，最大值出現在系統運行期末端，約為0.27.

2) 太原典型氣象日，其他參數不變時，系統平均輸出冷量隨集熱側水流量的增大，先增后減.當水流量與集熱器總面積的比例為0.005 kg·(h·m2)-1時，系統逐時輸出冷量和用戶側負荷的匹配性及系統經濟性均較好.

3) 太原典型氣象日，其他參數不變時，系統平均輸出冷量隨蓄熱水箱容積的增大，先增后減.當水箱容積與集熱器總面積的比例為0.02 m3·m-2時，系統逐時輸出冷量和用戶側負荷的匹配性及系統經濟性均較好.

[1] 王倩，田琦，張于峰，等.新型太陽能噴射與電壓縮式聯合制冷系統的研究[J].太陽能學報，2007,28(1)：12-17.

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

[3] ALEXIS G K,KARAYIANNIS E K.A solar ejector cooling system using refrigerant R134a in the Athens area[J].Renew Energy,2005,30(9):1457-1469.

[4] WOLPERT J L,RIFFAT S B,REDSHAW S.Prototype for a novel solar powered ejector air conditioning system in Mazunte, Mexico[R].Goteborg:ISES Solar World Congress,2003:5-19.

[5] 田琦，張于峰，張覺榮，等.新型太陽能噴射與電壓縮聯合制冷系統研究[J].太陽能學報,2006,26(6):842-846.

[6] 王菲，沈勝強.新型太陽能雙噴射制冷系統中噴射泵的性能分析[J].太陽能學報，2010,31(5)：598-603.

[7] VIDAL H,COLLE S,PEREIRA G D S.Modelling and hourly simulation of a solar ejector cooling system[J].Applied Thermal Engineering,2006,26(7):663-672.

[8] WIMOLSIRI P,PER L.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.

[9] 李風雷，任艷玲.典型氣象日蓄熱型太陽能噴射制冷系統性能研究[J].華僑大學學報(自然科學版),2014,35(2):185-190.

[10] 田琦.集熱器對太陽能噴射制冷系統性能的影響[J].太原理工大學學報，2007,38(3):250-252.

[11] 韓俊峰，田瑞，閻素英.兩種太陽能集熱器的瞬時效率對比分析[J].能源工程,2009(2):25-27.

[12] HUANG B J,CHANG J M,WANG C P,etal.A 1-D analysis of ejector performance[J]. International Journal of Refrigeration,1999,22(5):354-364.

(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 劉源崗)

Analysis and Optimization on Cooling Performance of Solar Ejector Refrigeration System With Heat Storage

ZHANG Fengfeng1， TIAN Qi1， LI Fenglei1， BAI Huifeng2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Jinzhong 030600, China；2. Shanxi Sinogreen Enviro Protection Group, Taiyuan 030032, China)

In order to improve the cooling performance of solar ejector refrigeration system with heat storage, the transient emulation model of solar ejector refrigeration system with heat storage was established by TRNSYS software. In combination with hourly cooling load of one public building in Taiyuan, the effects of water flow rate at solar collecting side and volume of thermal storage tank on cooling characteristics of the system were analyzed. Results show that along with the increase of water flow rate and water tank volume, the system′s refrigerating capacity on average in five consecutive days tends to increase firstly and then decreases. The best ratios of water flow rate at solar collecting side and total area of the collector, volume of thermal storage and total area of the collector are 0.005 kg·(h·m2)-1and 0.02 m3·m-2, respectively.

solar ejector refrigeration; cooling quality; hourly cooling capacity; water flow rate at heat collecting side; volume of storage water tank

10.11830/ISSN.1000-5013.201704015

2016-05-20

田琦(1966-)，男，教授，博士，主要從事暖通空調新技術、新能源利用的研究.E-mail:tqfyj@sohu.com.

國家國際科技合作項目(2013DFA61580)

TK 519

A

1000-5013(2017)04-0525-06