不同地區(qū)太陽(yáng)能制冷海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行性能比較

張小曼 沈沁 朱詩(shī)君

摘 要：針對(duì)三個(gè)沿海地區(qū)，選取同一別墅作為模擬研究對(duì)象，建立了全玻璃真空管集熱器的太陽(yáng)能吸收式制冷與低溫雙效海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB語(yǔ)言編制程序進(jìn)行求解，并進(jìn)行了性能分析。結(jié)果表明：上海地區(qū)冷負(fù)荷最大，所需集熱器的面積最大，設(shè)置的水箱容積也最大，深圳其次，大連最??；一天中， 8時(shí)前水箱水溫只發(fā)生微降，8時(shí)后先隨時(shí)間迅速升溫然后再降低，14時(shí)刻達(dá)到最大值；產(chǎn)水速率在一天中隨時(shí)間先變小后增大再變小，5時(shí)最小，16時(shí)最大。

關(guān)鍵詞：真空管集熱；太陽(yáng)能吸收式制冷；海水淡化

太陽(yáng)能吸收式制冷作為一種無(wú)需常規(guī)能源驅(qū)動(dòng)、對(duì)環(huán)境無(wú)污染的綠色環(huán)保型技術(shù)，研究開發(fā)力量越來(lái)越強(qiáng)。但太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)仍然有大量冷凝熱直接排入環(huán)境，造成能源浪費(fèi)，因此冷凝熱回收技術(shù)已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，制冷與海水淡化聯(lián)合裝置，作為一門交叉研究領(lǐng)域，已開始被注意，但是研究報(bào)道并不多[1-4]。本文提出了一種真空管集熱的太陽(yáng)能吸收式制冷與低溫多效海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)，并闡述了該聯(lián)合系統(tǒng)的工作過(guò)程，該聯(lián)合系統(tǒng)通過(guò)回收冷凝熱，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和生產(chǎn)淡水兩種功能，極大的提高了能源利用率。

1.聯(lián)合系統(tǒng)物理模型

如圖1所示：真空管集熱器收集輻射熱加熱循環(huán)工質(zhì)水，進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱放出熱量后再流回集熱器；儲(chǔ)熱水箱的熱水作為吸收式制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)熱源達(dá)到發(fā)生器，在發(fā)生器放出熱量后溫度降低流回儲(chǔ)熱水箱；由于太陽(yáng)輻射的間歇性，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)水溫度設(shè)置為95℃，如果熱水溫度高于設(shè)計(jì)值，則開啟冷卻器將水溫降至設(shè)計(jì)值，如果熱水溫度低于設(shè)計(jì)值95℃，則開啟輔助熱源將水溫升至設(shè)計(jì)值。發(fā)生器中的吸收劑稀溶液吸收驅(qū)動(dòng)熱水的熱量后，在發(fā)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(fā)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(jīng)雙效蒸發(fā)成為淡水（海水淡化裝置工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)[5]）；加熱蒸汽在海水淡化裝置凝結(jié)放熱后，變成凝結(jié)水，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流流至蒸發(fā)器；吸收器中吸收劑稀溶液經(jīng)過(guò)溶液泵升壓之后進(jìn)入溶液熱交換器，在其中吸收來(lái)自發(fā)生器中吸收劑濃溶液的熱量，進(jìn)入發(fā)生器；蒸發(fā)器內(nèi)設(shè)置有冷凍水管路，吸收器內(nèi)設(shè)置有冷卻海水管路。

2.聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

吸收式制冷熱力計(jì)算數(shù)學(xué)模型、海水淡化熱力計(jì)算數(shù)學(xué)模型采用文獻(xiàn)[5]的算法，現(xiàn)只介紹集熱器和儲(chǔ)熱水箱數(shù)學(xué)模型：

（1）單位集熱面積有效集熱量：

（1）

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

（2）集熱器面積

（2）

式中QE（t）為空調(diào)某時(shí)刻t的逐時(shí)冷負(fù)荷，kJ/h；Qd為太陽(yáng)能集熱器日總有效集熱量，J/（m2*d）； 為制冷系統(tǒng)性能系數(shù)。

（3）儲(chǔ)熱水箱

采用水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，儲(chǔ)熱水箱容量根據(jù)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(shí)刻，h；Ts為水箱內(nèi)熱水在的溫度，℃；（MCp）s為水箱內(nèi)水的質(zhì)量與其定壓比熱之積，J/℃；Qs為集熱器收集到的并儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中的熱量，J/（ m2*h）；Mg為進(jìn)入發(fā)生器的熱水流量，kg/s；Tsz為進(jìn)入發(fā)生器的設(shè)置熱水溫度，℃； （UF）s為水箱熱損失系數(shù)與水箱表面積乘積，W/℃；Tw為水箱壁面溫度，℃。

3.數(shù)學(xué)模型求解

利用MATLAB語(yǔ)言編制了程序?qū)β?lián)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(jiàn)文獻(xiàn)[5-6]的，聯(lián)合系統(tǒng)主程序見(jiàn)圖2。

4.結(jié)論與分析

本文以大連、上海、深圳三個(gè)沿海城市為例，選取一棟空調(diào)面積為170m2、坐北朝南的兩層別墅建筑作為模擬研究對(duì)象。采用文獻(xiàn)[7]的方法計(jì)算這棟別墅建筑的夏季設(shè)計(jì)日逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷，并計(jì)算得到了三個(gè)城市所需集熱器面積和儲(chǔ)熱水箱容積，結(jié)果如表1和圖3所示。由圖3可知：三地夏季冷負(fù)荷最大時(shí)刻都在16時(shí)，而圖4顯示了三地區(qū)每小時(shí)有效集熱量都在12時(shí)；還可知上海地區(qū)冷負(fù)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(shè)置的水箱容積也最大，深圳其次，大連最小。

發(fā)生微降，8點(diǎn)后，水箱水溫先隨時(shí)間迅速升溫然后再降低，14時(shí)刻達(dá)到最大值，15點(diǎn)后，水箱水溫下降迅速；比較這三個(gè)地區(qū)，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(shí)刻，由于沒(méi)有太陽(yáng)輻射，水溫低于吸收式制冷機(jī)熱水進(jìn)水溫度設(shè)計(jì)值95℃，系統(tǒng)開啟了輔助熱源，只對(duì)進(jìn)入發(fā)生器的熱水進(jìn)行加熱，故水溫只發(fā)生微降。

（2）8點(diǎn)后，由于集熱器吸收了太陽(yáng)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(dāng)水溫高于吸收式制冷機(jī)熱水進(jìn)水溫度設(shè)計(jì)值95℃，系統(tǒng)開啟了冷卻系統(tǒng)，只對(duì)進(jìn)入發(fā)生器的熱水進(jìn)行冷卻，故水箱中的水溫上升得快。

（3）15點(diǎn)后，由于沒(méi)有太陽(yáng)輻射，水箱水溫由于需要繼續(xù)提供更大的逐時(shí)冷負(fù)荷，所以下降迅速。

（4）三地區(qū)的水箱容積是根據(jù)集熱面積進(jìn)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(chǎn)水速率隨時(shí)間變化情況，由圖6可知：在一天中，產(chǎn)水速率隨時(shí)間先變小后增大再變小，5時(shí)最小，16時(shí)最大。比較三地區(qū)，上海地區(qū)的系統(tǒng)產(chǎn)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(fù)荷的變化成正比，5時(shí)冷負(fù)荷最小，需要的驅(qū)動(dòng)熱源就少，故產(chǎn)水速率慢，16時(shí)冷負(fù)荷最大，需要的驅(qū)動(dòng)熱源就大，故產(chǎn)水速率快

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

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

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

湖南省教育廳科研項(xiàng)目，《沿海地區(qū)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的吸收式空調(diào)與海水淡化耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬研究》，16C1043.