一種新型太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統的熱力性能及經濟性分析

羅 遲，孫培杰，章 愷，呂小靜，翁一武

(1.上海交通大學 中英國際低碳學院，上海 200240; 2.上海宇航系統工程研究所，上海 201109； 3.上海交通大學 機械與動力工程學院，動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240)

太陽能利用方式主要有太陽能光伏和太陽能光熱2種方式，國內外相關學者開展了大量光熱轉換及光電技術方面的研究[1]。太陽能熱除了用于太陽能干燥[2]、太陽熱能儲存[3]外，還可用在冷熱電聯產系統(CCHP)中加熱工質[4]。太陽能噴射式制冷技術可將包含太陽能在內的低品位熱能作為驅動能源，節(jié)能環(huán)保，實現了能量的梯級利用。在噴射式制冷系統中，噴射器無動力學部件，且結構簡單、性能可靠[5]。鄭彬等[6-7]針對低溫熱源的特點及陸用分布式供能系統的要求，研究了一種太陽能有機工質噴射式電冷系統，建立了相應的熱力學模型，選取R245fa為循環(huán)工質，對系統進行了仿真計算。

筆者在太陽能噴射式電冷系統的基礎上，研究了一種新型太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統，該系統采用冬季電熱聯供、夏季電冷聯供。這種分布式發(fā)電供熱制冷方式既降低了傳統能源的消耗，又減少了環(huán)境污染。首先，給出了電熱(冷)聯供系統的拓撲結構圖，在Matlab軟件平臺上建立系統的熱力學模型及經濟性評價模型；其次，以西北地區(qū)某地太陽輻照強度和典型用戶電冷熱的需求，對該系統進行了夏季和冬季給定工況下的仿真計算，驗證系統的可行性；最后，對系統的經濟效益進行評估和分析。這為太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統的設計和應用提供了理論和數據支撐，對促進太陽能熱利用和低碳生活具有一定的參考價值。

1 太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統

太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統的拓撲結構如圖1所示。該系統由太陽能集熱器、補燃裝置、蒸發(fā)器、膨脹機、發(fā)電機、蓄電裝置、噴射器、冷凝器、工質泵、儲液罐、節(jié)流閥和制冷蒸發(fā)器組成，當太陽能不足時可以利用燃氣補燃。系統在工作過程中，利用來自太陽能集熱器的熱量加熱其內部的導熱油，導熱油流經蒸發(fā)器后使液態(tài)有機工質吸熱汽化為飽和或過熱狀態(tài)的氣體，氣體進入膨脹機后做功，帶動發(fā)電機向外輸出電功。發(fā)電機生產的電能通過AC/DC/AC裝置為用戶供電，額外的電能儲存在蓄電池中。

圖1 太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統拓撲結構圖Fig.1 Topological structure diagram of solar jet co-supply system for heating or cooling and power

該系統可通過調節(jié)閥門來切換不同季節(jié)下的運行模式。在夏季，閥門2打開，閥門1關閉，系統為電冷聯供系統。膨脹機排出的氣體作為壓力相對較高的工質流體進入噴射器，在噴射器的噴嘴中減壓增速，制冷蒸發(fā)器內工質壓力降低、有機工質蒸發(fā)，出口側的氣流引射至噴射器中與工質流體混合，然后擴壓進入冷凝器中冷凝。冷凝器出口的液態(tài)工質進入儲液罐。儲液罐內的工質在出口分為2路，一路經工質泵升壓后進入蒸發(fā)器，另一路經過節(jié)流閥降壓進入制冷蒸發(fā)器換熱完成制冷循環(huán)。

在冬季，閥門1打開，閥門2關閉，系統為電熱聯供系統。膨脹機排出的氣體直接進入冷凝器冷凝換熱從而制熱。冷凝器出口的液態(tài)工質進入儲液罐進行存儲。儲液罐出口的液態(tài)工質經工質泵升壓后進入蒸發(fā)器。

太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統由3個子循環(huán)組成：太陽能熱轉換循環(huán)、有機工質朗肯循環(huán)及噴射式制冷循環(huán)。其中，有機工質朗肯循環(huán)和噴射式制冷循環(huán)通過噴射器相連接，有機工質朗肯循環(huán)中的膨脹機出口壓力高于傳統的朗肯循環(huán)，該能量作為制冷子循環(huán)的動力源進行利用。在噴射式制冷循環(huán)中，噴射器取代了壓縮機，使得系統結構簡化、維護操作簡單且性能穩(wěn)定可靠。在本文的研究中，工質應滿足如下要求：(1) 較好的熱力學性能；(2) 對環(huán)境友好，即對臭氧層無破壞、溫室效應低；(3) 安全性好；(4) 價格低廉。綜合考慮工質各方面特性后，選取標準沸點為14.9 ℃、臨界溫度為154.05 ℃的R245fa作為工質[8]。

為方便計算，進行以下假設：(1) 系統穩(wěn)定運行；(2) 忽略系統各部件及管道連接處的摩擦阻力和壓力損失；(3) 蒸發(fā)器出口處的工質為飽和蒸汽；(4) 除各部件與環(huán)境的能量交換外，忽略熱量損失；(5) 節(jié)流閥內降壓過程為等焓過程。

系統部分設計參數參考文獻[9]，以電加熱器作為熱源，通過選取不同的電加熱器輸入功率來模擬不同太陽的輻照強度，從而實現2 kW的電功率輸出。系統設計參數見表1。

表1 太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統設計參數Tab.1 Design parameters of solar jet co-supply system for heating or cooling and power

2 系統熱力學模型

針對3個子系統各部件建立熱力學模型，并進行系統性能的仿真計算。

2.1 太陽能熱轉換子系統

根據能量守恒定律，單位時間內太陽能集熱器收集到的有效熱流量Qu等于太陽能集熱器吸收的太陽輻射能量減去其損失的能量：

Qu=AscFR[G(τα)e-UL(Ti-Ta)]

(1)

太陽能集熱器的瞬時效率ηsc為：

(2)

式中：Asc為太陽能集熱器有效面積，m2；G(τα)e為太陽輻照強度，W/m2；τα為太陽能集熱器中透明蓋板的有效透過率與吸收板對太陽輻射的吸收率的乘積；UL為太陽能集熱器總熱損失系數，W/(m2·K)；Ti為傳熱流體入口處溫度，℃；FR(τα)e為太陽能集熱器吸收系數；FR為太陽能集熱器熱轉移因子。

2.2 朗肯循環(huán)發(fā)電子系統和噴射式制冷子系統

2.2.1 蒸發(fā)器

太陽能集熱器收集的熱能通過傳熱介質經蒸發(fā)器傳輸給朗肯循環(huán)發(fā)電子系統，計算公式如下：

Qg=qm,g(h3-h2)

(3)

式中：qm,g為蒸發(fā)器中工質質量流量，kg/s；Qg為太陽能集熱器傳輸給朗肯循環(huán)發(fā)電子系統的熱流量，kJ/s；h2、h3分別為工質在蒸發(fā)器入口和出口處的比焓，kJ/kg。

2.2.2 膨脹機

系統選用輸出功率較小的渦旋式膨脹機，轉速低且膨脹比大，膨脹比為3。工質在膨脹機中膨脹做功推動發(fā)電機進行發(fā)電，其焓變?yōu)椋?/p>

We=qm,g(h3-h4)

(4)

式中：We為工質焓變，kJ/s；h4為工質在膨脹機出口處的比焓，kJ/kg。

2.2.3 噴射器

噴射系數u為噴射器中引射流體的質量流量與蒸發(fā)器中工質質量流量之比：

u=qm,e/qm,g

(5)

能量平衡方程為：

qm,gh4+qm,eh7=qm,ch5

(6)

連續(xù)性方程為：

qm,g+qm,e=qm,c

(7)

式中：qm,e為噴射器中引射流體的質量流量，kg/s；h5和h7分別為噴射器出口處和制冷蒸發(fā)器出口處的比焓，kJ/kg；qm,c為通過冷凝器的工質質量流量，kg/s。

2.2.4 冷凝器

Qc為系統向外界排放的熱量，即工質在冷凝器中的焓變，計算公式如下：

Qc=qm,c(h5-h1)

(8)

式中:h1為工質在工質泵入口處的比焓，kJ/kg。

2.2.5 制冷蒸發(fā)器

Qe為系統的制冷功率，即工質在制冷蒸發(fā)器中的焓變，計算公式如下：

Qe=qm,e(h7-h6)

(9)

式中：h6為工質在制冷蒸發(fā)器入口處的比焓，kJ/kg。

2.2.6 工質泵

工質泵消耗功Wp為：

Wp=qm,g(h2-h1)

(10)

3 系統經濟學模型

系統經濟學模型中成本計算涉及到投資、運營、管理和維護等方面費用。系統投資總成本包含設備購買成本和系統的運營及管理成本[10]。參照文獻[11]選取系統后期運維成本與土地租借成本(占系統投資總成本的2%)、耗材(占系統投資總成本的0.3%)以及管理和安全措施的費用(占系統投資總成本的0.7%)。

設備購買成本為CB,t，包含太陽能集熱器成本(CB,col)、蒸發(fā)器成本(CB,eva)、透平成本(CB,tur)、冷凝器成本(CB,con)、噴射器成本(CB,jet)、工質泵成本(CB,pum)和蓄電裝置成本(CB,sto)。

CB,t=CB,col+CB,eva+CB,tur+CB,con+

CB,jet+CB,pum+CB,sto

(11)

系統各部件的成本CB[12]為：

CB=CP×FB

(12)

式中：CP為系統部件基礎成本；FB為修正因子。

其中，CP計算公式[13]如下：

lgCP=K1+K2×lgSx+K3×(lgSx)2

(13)

式中：K1、K2、K3為與設備成本相關的常數；Sx為透平和工質泵的輸出功或消耗功，也可以為蒸發(fā)器或冷凝器的換熱面積。

修正因子為：

FB=B1+B2FMFp

(14)

lgFp=C1+C2lgp+C3(lgp)2

(15)

式中：FM和Fp分別為材料修正系數和壓力修正系數；p為各部件壓力，Pa；C1、C2、C3、B1、B2均為常數。

上述公式中各系數的具體數值見表2。

化工成本指數(CEPCI)b可表征將原始設備成本修正到當前的價格水平，b1996=381.7,b2017=623.5?？紤]到意外偶發(fā)事故，系統投資總成本Ctot為設備購買成本的1.18倍，計算公式[14]如下：

(16) 表2 各部件投資費用系數Tab.2 Investment cost coefficient of each component

以電力生產成本(LEC)QLEC作為指標，通過計算每生產1 kW·h電量所需的成本費用，對系統進行經濟性評估。QLEC的計算公式[15]如下：

(17)

(18)

式中：Top為該系統年運行時長，設定為7 000 h；QCOM為運維成本，包含人工管理、土地租借和系統安裝等其他成本，設定為系統投資總成本的3%；tCRF為系統投資回收周期；r為銀行利率，取5%；tLT為系統運行年限，設定為20 a。

4 案例仿真結果分析

在上述建立的系統熱力學模型的基礎上，采用Matlab軟件對系統進行仿真，選取西北地區(qū)某建筑物7月份和1月份某一天作為案例，分別進行夏季和冬季2種情況的研究，建筑物占地約80 m2，常駐人口為3人。充分考慮氣候條件，計算并分析了系統在該應用場景的運行特性和經濟性能。計算所用的太陽輻照強度數據取自國家青藏高原科學數據中心[16]。

4.1 熱力性能分析

分別從系統供給側和用戶需求側的角度考慮，計算了不同季節(jié)不同時段下系統發(fā)電量和制熱(冷)量的變化，并與用戶的用電、用熱(冷)需求量進行對比，從而檢驗該系統是否能滿足用戶需求。

在用戶需求側，主要電負荷如表3所示，電負荷隨時間的變化如圖2所示，據此可以分配系統的電量。在用戶熱(冷)需求側，一年中僅有6月份～9月份需要冷量進行制冷，且11月份～次年2月份需要熱量進行供暖，主要熱量和冷量需求見表4。圖3給出了該地區(qū)1月份和7月份某一天平均太陽輻照強度隨時間的變化。由圖3可以看出，在1月份，從8：00至18：00均有太陽輻照強度，且13：00達到最大平均輻照強度(752.94 W/m2)。在7月份，從6：00至19:00均有太陽輻照強度，且12：00達到最大平均太陽輻照強度(1 305.88 W/m2)。

表3 建筑物主要電負荷Tab.3 Main electrical load of a building

圖2 電負荷隨時間的變化Fig.2 Variation of electrical load with time

表4 建筑物熱量和冷量需求Tab.4 Heating and cooling requirements for a building kW·h

圖3 1月份和7月份太陽輻照強度變化Fig.3 Variation of solar radiation intensity in January and July

根據圖3，對1月份和7月份某天內不同時間段的系統發(fā)電功率及制熱(冷)功率進行計算，結果如表5所示。在保持其他參數不變的情況下，在同等太陽能集熱器面積下，系統的熱力學效率隨太陽輻照強度的增大提高緩慢，但系統發(fā)電功率和制冷功率隨太陽輻照強度增大而增加，主要是由于太陽能集熱器獲得的輻射能增加。仿真計算結果與依托上海交通大學有機工質朗肯循環(huán)試驗裝置所得試驗結果一致。

表5 1月份和7月份系統發(fā)電功率及制熱(冷)功率Tab.5 Capacity of power generation and heating or cooling supply of the system in January and July

圖4給出了1月份和7月份系統發(fā)電功率隨時間的變化。由圖4可以看出，在1月份，13：00時系統有最大發(fā)電功率2.74 kW和最大制熱功率2.96 kW，在7月份，12：00時系統有最大發(fā)電功率5.42 kW和最大制冷功率7.26 kW。

圖4 1月份和7月份系統發(fā)電功率變化Fig.4 Variation of power generation of the system in January and July

根據圖4，系統在夏季的發(fā)電功率遠大于冬季，故系統只要在冬季能滿足用戶用電需求，在夏季同樣可滿足用戶用電需求。圖5給出了1月份系統發(fā)電功率與電負荷的對比。由圖5可以看出，從6：00至17：00，系統發(fā)電功率均高于對應時段的最大電負荷，可滿足該建筑物的用電需求；17：00至次日6：00則需要蓄電裝置進行供電。

圖5 1月份系統發(fā)電功率與電負荷對比Fig.5 Comparison of power generation of the system and electrical load in January

將白天系統過剩的發(fā)電量儲存到蓄電裝置中，在無光照的工況下為建筑物持續(xù)供電。經計算分析，6：00至17：00能儲存額外電量11.658 kW·h，17:00至次日6:00則需使用蓄電裝置進行額外供電，所需電量為4.529 kW·h。由于當前蓄電設備電能轉化率為60%，系統白天的額外發(fā)電量通過蓄電裝置可以滿足該建筑物夜間的用電需求。

在此基礎上，參照西北某地區(qū)12個月份的太陽輻照強度進行系統發(fā)電量和制冷量的計算，每月平均的日發(fā)電總量和日制熱(冷)總量如表6所示。其中11月份～次年2月份對應日制熱總量，6月份～9月份對應日制冷總量。根據表3，該建筑物每日用電需求總量約為13.03 kW·h。故可知該系統全年均可滿足該建筑物的用電、用熱(冷)需求。

表6 日發(fā)電總量和日制熱(冷)總量Tab.6 Total capacity of daily power generation and heating or cooling supply kW·h

4.2 經濟性分析

根據經濟學模型進行計算，得出該系統的LEC為0.755元/(kW·h)。根據表7，太陽能燃氣聯合循環(huán)(ISCC)系統的LEC為0.799元/(kW·h)，太陽能輔助燃煤發(fā)電系統[17]的LEC為1.090元/(kW·h)，柴油發(fā)電機輔助燃煤發(fā)電系統[18]的LEC為3.0元/(kW·h)。以上系統中太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統的LEC最低，且在發(fā)電基礎上還可以供熱(制冷)。

表7 不同發(fā)電系統的經濟性對比Tab.7 Economic comparison of different power generation systems

5 結 論

(1) 太陽能噴射式電熱(冷)聯供系統在正常工作的情況下能滿足該建筑物各時段的用電需求，且在11月份～次年2月份可滿足用戶的供熱需求，在6月份～9月份可滿足用戶的制冷需求。

(2) 在7月份的太陽輻照強度條件下，該系統能滿足建筑物的日常用電和制冷需求，有最大發(fā)電功率5.42 kW和最大制冷功率7.26 kW；在1月份的太陽輻照強度條件下，該系統能滿足建筑物的日常用電和制熱需求，有最大發(fā)電功率2.74 kW和最大制熱功率2.96 kW。

(3) 在考慮系統初投資及運維成本的條件下，該系統的LEC為0.755元/(kW·h)，其能源供給方式和經濟性均優(yōu)于現有其他方案，且在可供熱(制冷)等方面更具優(yōu)勢。