一種太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

胡志鵬 劉華凱 郝占棟

一種太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

胡志鵬1劉華凱1郝占棟2

（1.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 濟(jì)南 250102；2.山東奇威特太陽能科技有限公司 德州 253022）

為了利用“太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱項(xiàng)目夏季產(chǎn)生的熱量，設(shè)計(jì)增加了一套可提供工業(yè)用低壓蒸汽的系統(tǒng)和一套太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)夏季制冷和生產(chǎn)蒸汽；監(jiān)測了四個(gè)典型天氣條件下太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)；提出了太陽能貢獻(xiàn)率、節(jié)煤量、CO2減排量的計(jì)算方法。

太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)；“太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱；能源階梯利用

0 引言

為有效促進(jìn)能源節(jié)約、實(shí)現(xiàn)新舊動能轉(zhuǎn)換，2012年起山東省開展實(shí)施《山東省“工業(yè)綠動力”計(jì)劃》，鼓勵(lì)在屠宰、紡織、印染、造紙、食品加工等行業(yè)建設(shè)“太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱項(xiàng)目，解決企業(yè)生產(chǎn)加工用熱問題，尤其是冬季采暖問題。然而，到了夏季，由于基礎(chǔ)水溫較高，并且無采暖需求，生產(chǎn)用熱水負(fù)荷相對較低，天氣晴朗時(shí)，較高太陽輻照下太陽能集熱系統(tǒng)可能會出現(xiàn)過熱狀態(tài)，加速設(shè)備老化，影響設(shè)備使用壽命。采用一定的技術(shù)手段，研究能夠充分利用太陽能集熱系統(tǒng)夏季多余的熱能，并將其轉(zhuǎn)換成可以解決夏季工業(yè)生產(chǎn)車間普遍存在的悶熱潮濕問題的制冷裝置，對企業(yè)改善生產(chǎn)加工車間環(huán)境，提高太陽能系統(tǒng)利用率都是非常有必要的。

以太陽能熱為驅(qū)動力的制冷技術(shù)具有節(jié)能減排等重要意義，已然成為制冷空調(diào)研究的熱點(diǎn)[1-5]。太陽能熱輔助驅(qū)動式制冷可分為太陽能吸收式空調(diào)（溴化鋰-水吸收式空調(diào)系統(tǒng)、氨-水吸收式制冷系統(tǒng)）、太陽能吸附式制冷空調(diào)（活性炭-甲醇吸附式制冷系統(tǒng)、活性炭-氨吸附式制冷系統(tǒng)、氯化鋰-氨吸附式制冷系、硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)、分子篩-水吸附式寬調(diào)系統(tǒng)）、太陽能驅(qū)動除濕空調(diào)[6]。本文針對××面粉有限公司的“太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱項(xiàng)目夏季熱量過剩問題，設(shè)計(jì)了增加了一套槽式太陽能集熱系統(tǒng)驅(qū)動的雙能源溴化鋰吸收式空調(diào)系統(tǒng)（以下簡稱：太陽能空調(diào)系統(tǒng)）及一條可提供工業(yè)用低壓蒸汽的管路，可用原供熱項(xiàng)目集熱器的預(yù)先加熱工業(yè)用低壓蒸汽的管路中的水，然后使用太陽能空調(diào)系統(tǒng)的高溫導(dǎo)熱油加熱產(chǎn)生蒸汽；描述了太陽能空調(diào)系統(tǒng)的組成及工作原理，選取了四個(gè)典型天氣條件對太陽能空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行了監(jiān)測。

1 “太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱項(xiàng)目

“太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱項(xiàng)目（以下稱采暖系統(tǒng)）是將太陽能作為清潔供熱的重要能源，并與空氣能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、電能、天然氣等能源相結(jié)合，不使用煤炭等傳統(tǒng)能源，實(shí)現(xiàn)清潔供熱。該項(xiàng)目位于××面粉有限公司，采用太陽能+燃?xì)忮仩t多能互補(bǔ)采暖模式。太陽能集熱系統(tǒng)采用252套真空管型集熱器連接而成，總集熱面積1915m2，集熱器安裝傾角15°；每臺真空管型集熱器由50支長度1800mm、直徑58mm的真空集熱管組成，真空集熱管悶曬輻照量參數(shù)：4.1MJ/m2；蓄熱水箱容量150噸，采暖面積5300m2。部分設(shè)備（集熱器、蓄熱水箱、輔助燃?xì)忮仩t）如圖1所示。

圖1 “太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱項(xiàng)目

2 設(shè)計(jì)增加的工業(yè)用熱系統(tǒng)和太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)

2.1 工業(yè)用熱系統(tǒng)

圖2 耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

為了解決夏季較高太陽輻照下太陽能集熱系統(tǒng)可能會出現(xiàn)過熱狀態(tài)，特設(shè)計(jì)安裝了工業(yè)用熱系統(tǒng)，將低溫水通過換熱器1與“太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱系統(tǒng)中的真空管型太陽能集熱系統(tǒng)中的熱水換熱，可產(chǎn)生大約50℃～60℃的熱水，如圖2；然后通過換熱器2與太陽能空調(diào)系統(tǒng)中的槽式太陽能集熱系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油換熱，再次提溫，可產(chǎn)生高溫?zé)崴虻蛪赫羝?，供工業(yè)生產(chǎn)用。

2.2 太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)增加一套太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)（以下簡稱太陽能空調(diào)系統(tǒng)），一則夏季可以為車間或辦公樓提供制冷；二則可以產(chǎn)生工業(yè)生產(chǎn)用的高溫?zé)崴虻蛪赫羝?。太陽能空調(diào)系統(tǒng)主要由拋物面槽式太陽能集熱系統(tǒng)，主油泵，蓄能器，高低位槽，油氣分離器，溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，控制系統(tǒng)，冷卻塔等組成，其中槽式集熱系統(tǒng)集熱面積360m2，聚光比為60，東西方向追日，溴化鋰吸收式制冷機(jī)組額定制冷功率233kW，輔助能源為天然氣，系統(tǒng)末端采用風(fēng)機(jī)盤管。系統(tǒng)部分設(shè)備（槽式太陽能集熱器、溴化鋰吸收式制冷機(jī)組）如圖3所示。

圖3 槽式太陽能集熱系統(tǒng)和溴化鋰吸收式制冷機(jī)組

3 太陽能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行原理和運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測

3.1 太陽能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行原理

槽式太陽能集熱器根據(jù)當(dāng)天太陽輻照情況自動運(yùn)行，收集太陽能，用來加熱導(dǎo)熱油，使用高溫導(dǎo)熱油（通常150℃～180℃）將熱量傳遞到溴化鋰吸收式制冷機(jī)組。在制冷機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)溴化鋰水溶液在發(fā)生器內(nèi)受到高溫導(dǎo)熱油加熱/火焰加熱后，溶液中的水不斷汽化；水蒸氣進(jìn)入冷凝器，被冷卻水降溫后凝結(jié)；隨著水的不斷汽化，發(fā)生器內(nèi)的溶液濃度不斷升高，進(jìn)入吸收器；當(dāng)冷凝器內(nèi)的水通過節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收蒸發(fā)器內(nèi)冷媒水的熱量，從而達(dá)到降溫制冷的目的；在此過程中，低溫水蒸氣進(jìn)入吸收器，被吸收器內(nèi)的濃溴化鋰溶液吸收，溶液濃度逐步降低，由溶液泵送回發(fā)生器，完成整個(gè)循環(huán)，如圖4。

圖4 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組運(yùn)行示意圖

3.2 太陽能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和結(jié)果分析

選取了四個(gè)典型天氣條件，太陽總輻照量分別為5.55MJ/m2、8.93MJ/m2、15.51MJ/m2及20.37MJ/m2，對太陽能空調(diào)系統(tǒng)的集熱器日平均進(jìn)油溫度、日平均出油溫度、空調(diào)末端日平均進(jìn)水溫度、日平均出水溫度、天然氣消耗量及氣象條件等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 四個(gè)典型天氣條件下太陽能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

太陽能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間（8:30～16:00），導(dǎo)熱油循環(huán)泵流量為18m3/h，導(dǎo)熱油密度為1008kg/m3，比熱容為2.4kJ/（kg·℃）；水路循環(huán)流量為36m3/h，密度為998kg/m3，比熱容為4.2kJ/（kg·℃）；天然氣平均低位發(fā)熱值38.931MJ/kg，密度0.7174kg/Nm3；計(jì)算了太陽能空調(diào)系統(tǒng)集熱器集熱量、消耗天然氣產(chǎn)熱量、集熱器集熱效率、太陽能貢獻(xiàn)率、制冷機(jī)組制冷量及制冷效率的參數(shù)，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表2 太陽能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

通過表2的數(shù)據(jù)可以得出：當(dāng)太陽總輻照量為20.37MJ/m2時(shí)，集熱器集熱效率最大，為81.50%；太陽總輻照量為5.55MJ/m2、8.93MJ/m2、15.51MJ/m2時(shí)，集熱器集熱效率分別為62.11%、64.00%、59.08%，相差不大。當(dāng)太陽總輻照量為15.51MJ/m2時(shí)，溴化鋰制冷機(jī)組制冷效率最大，為80.49%；當(dāng)太陽總輻照量為8.93MJ/m2和20.37MJ/m2時(shí)，溴化鋰制冷機(jī)組制冷效率分別為65.20%、68.67%；當(dāng)太陽總輻照量為5.55MJ/m2時(shí)，溴化鋰制冷機(jī)組制冷效率最小，為39.73%。

4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保性評價(jià)

一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了考慮技術(shù)可行性，還應(yīng)對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，同時(shí)要衡量其對環(huán)境是否有利[7]，本文提出了太陽能貢獻(xiàn)率[8]、節(jié)煤量、CO2減排量的計(jì)算方法。

4.1 太陽能貢獻(xiàn)率

式中：為太陽能貢獻(xiàn)率，%；1為采暖期或制冷期當(dāng)?shù)厝仗栞椪樟啃∮?MJ/m2時(shí)測得的太陽能貢獻(xiàn)率，%；2為采暖期或制冷期當(dāng)?shù)厝仗栞椪樟看笥诘扔?MJ/m2且小于12MJ/m2時(shí)測得的太陽能貢獻(xiàn)率，%；3為采暖期或制冷期當(dāng)?shù)厝仗栞椪樟看笥诘扔?2MJ/m2且小于16MJ/m2時(shí)測得的太陽能貢獻(xiàn)率，%；4為采暖期或制冷期當(dāng)?shù)厝仗栞椪樟看笥诘扔?6MJ/m2時(shí)測得的太陽能貢獻(xiàn)率，%；1為采暖期或制冷期當(dāng)?shù)厝仗栞椪樟啃∮?MJ/m2的天數(shù)；2為采暖期或制冷期當(dāng)?shù)厝仗栞椪樟看笥诘扔?MJ/m2且小于12MJ/m2的天數(shù)；3為采暖期或制冷期當(dāng)?shù)厝仗栞椪樟看笥诘扔?2MJ/m2且小于16MJ/m2的天數(shù)；4為采暖期或制冷期當(dāng)?shù)厝仗栞椪樟看笥诘扔?6MJ/m2的天數(shù)。

4.2 節(jié)煤量

式中：M為節(jié)省標(biāo)煤的量，kg；Q為采暖系統(tǒng)中太陽能貢獻(xiàn)的熱量，kJ；Q為太陽能空調(diào)系統(tǒng)中太陽能貢獻(xiàn)的熱量，kJ；Q為標(biāo)煤的低位熱值，kJ/kg。

4.3 CO2減排量

式中：M為CO2減排量，kg；M為節(jié)省標(biāo)煤的量，kg；F為標(biāo)煤的CO2排放因子，kg CO2/kgce。

5 結(jié)論

（1）在原“太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱項(xiàng)目的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)增加了一套可提供工業(yè)用低壓蒸汽的系統(tǒng)和一套太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)，蒸汽系統(tǒng)入口的低溫水首先吸收“太陽能+”多能互補(bǔ)清潔供熱項(xiàng)目夏季產(chǎn)生熱量，初步升溫，再吸收太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)中太陽能集熱系統(tǒng)的熱量，形成蒸汽；同時(shí)太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)可用于夏季制冷。

（2）監(jiān)測了四個(gè)典型天氣條件下太陽能熱輔助溴化鋰吸收式制冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)太陽總輻照量為20.37MJ/m2時(shí)，集熱器集熱效率最大，為81.50%；當(dāng)太陽總輻照量為15.51MJ/m2時(shí)，溴化鋰制冷機(jī)組制冷效率最大，為80.49%。

（3）提出了太陽能貢獻(xiàn)率、節(jié)煤量、CO2減排量的計(jì)算方法，可對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保性進(jìn)行分析評價(jià)。

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Application Study on an Air Conditioning System of Solar Thermally Assisted Lithium Bromide Absorption Refrigeration Unit

Hu Zhipeng1Liu Huakai1Hao Zhandong2

( 1.Shandong Institute for Product Quality Inspection, Jinan, 250102; 2.Vicot Solar Technology Co., Ltd, Dezhou, 253022 )

In order to make use of the heat generated in the summer by the "solar +" multi-energy complementary clean heating project, a set of low-pressure steam system for industrial use and a set of air conditioning system of solar thermal auxiliary lithium bromide absorption refrigeration unit were designed, which can realize the summer cooling and steam production at the same time. The operation data of the air conditioning system of four typical weather conditions were monitored. The calculation methods of solar contribution rate, coal saving and CO2emission reduction were put forward.

Solar thermal auxiliary lithium bromide absorption refrigeration unit air conditioning system; "Solar +" multi- energy complementary clean heating; Energy ladder utilization

TU832.2

A

1671-6612（2020）04-477-04

太陽能光熱發(fā)電及熱利用關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

胡志鵬（1981.8-），男，碩士，工程師，E-mail：huzhipeng@sdqi.com.cn

2020-05-10