薛相美

(佛山市高級技工學(xué)校，廣東528200)

引言

我國是太陽能資源大國，可利用太陽能的國土面積占2/3以上，約600萬平方公里，全年平均日照時間在2200～3300小時之間，年總輻射量超過1670 kW·h/m2，開發(fā)利用前景十分廣闊［1］。太陽能噴射制冷是太陽能利用的一種重要形式，其具有可利用低品位能源、結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件及安裝維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊發(fā)展前景和工程應(yīng)用價值，因此受到各國研究者的關(guān)注。已有文獻(xiàn)結(jié)合太陽能輻射特性、氣候條件等來研究太陽能噴射制冷的動態(tài)性能［2－3］。但未見有文獻(xiàn)根據(jù)環(huán)境變化確定冷負(fù)荷變化以及由冷負(fù)荷變化帶來對系統(tǒng)性能的影響，因此本文將綜合考慮這些因素，通過建立對太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能分析模型，以環(huán)境友好工質(zhì)R141b為制冷劑，選擇上海這一具有代表性的城市，以研究太陽能噴射制冷在我國的可行性及應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)描述

太陽能噴射制冷系統(tǒng)如圖1所示，它由兩部分組成:一個是太陽能集熱系統(tǒng)，它是噴射制冷系統(tǒng)驅(qū)動能源來源;另外一個是噴射制冷系統(tǒng)，它為用戶提供冷量。

圖1 太陽能噴射制冷系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of solar－driven ejector cooling system

1.1 太陽能集熱系統(tǒng)

系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲熱水箱、輔助加熱器組成。輔助加熱器位于儲熱水箱和發(fā)生器之間，當(dāng)水箱溫度不足以驅(qū)動噴射制冷系統(tǒng)時，啟動輔助加熱器。

太陽能集熱器是太陽能熱利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，本文將使用平板集熱器和真空管集熱器的太陽能系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，這兩種集熱器是目前應(yīng)用最為普遍的集熱器類型。

噴射制冷系統(tǒng)由兩個子循環(huán)構(gòu)成:動力子循環(huán)，即制冷劑依次流經(jīng)發(fā)生器、噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、循環(huán)泵再回到發(fā)生器，提供噴射器工作所需要的高壓工作氣體;另一個為制冷子循環(huán)，即制冷劑依次流經(jīng)噴射器、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器，再回到噴射器的吸入口，提供所需要的制冷量。

衡量噴射制冷系統(tǒng)性能的指標(biāo)主要有噴射系數(shù)和COP。噴射系數(shù)指的是引射流體和工作流體的質(zhì)量流量之比:

噴射系數(shù)

忽略循環(huán)泵功，則噴射制冷的COPeic為制冷量和輸入熱量之比。計算公式如下:

1.2 太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能指標(biāo)

太陽能保證率SF(solarfraction)定義為提供給制冷系統(tǒng)中太陽能占制冷系統(tǒng)所需熱能的比率。太陽能保證率是太陽能噴射制冷的重要性能指標(biāo)，它表示系統(tǒng)所消耗能源中太陽能所占的份額。

可以用系統(tǒng)熱效率STR(systemthermalratio)來衡量太陽能噴射制冷性能，它定義為集熱器單位太陽能輻射量所能獲得的制冷量。

根據(jù)定義有

2 模擬計算參數(shù)及方法

太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能模擬計算可以分三大部分:空調(diào)冷負(fù)荷計算，噴射制冷系統(tǒng)計算和集熱器計算。

2.1 模擬參數(shù)

氣象數(shù)據(jù)采用典型氣象年的逐時數(shù)據(jù)來模擬，數(shù)據(jù)來源于中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫［4］。本文以上海一空調(diào)居室為研究對象，選取該地區(qū)平均氣溫最高月七月份的標(biāo)準(zhǔn)日為氣象環(huán)境條件。

如圖2為根據(jù)氣象數(shù)據(jù)庫繪制的上海地區(qū)七月份標(biāo)準(zhǔn)日氣溫、太陽能總輻射量隨時間變化值。

由于太陽能輻射量與太陽能集熱器得熱量，氣溫與噴射制冷冷凝溫度及冷負(fù)荷緊密相關(guān)，因此在分析太陽能噴射制冷隨時間變化性能有必要討論兩者與時間變化關(guān)系。從圖2中可以看出氣溫和太陽能輻射量變化趨勢均為先增大達(dá)到最高點(diǎn)然后再減少，但氣溫變化趨勢相應(yīng)比太陽能輻射量推遲一段時間，主要是因為太陽能輻射波長太短不易被空氣吸收，太陽能輻射除部分被大氣反射和少數(shù)被空氣吸收外，一般穿透大氣輻射到地面，然后再經(jīng)過地面吸收和反射，部分能量被空氣吸收，同時空氣自身會輻射，當(dāng)吸收的能量大于自身輻射，氣溫會升高;反之，亦然。由于氣溫變化過程要比太陽能輻射變化過程晚一段時間，所以氣溫變化趨勢相應(yīng)滯后于太陽能輻射量變化趨勢。

圖2 經(jīng)典日氣溫、太陽能總輻射量變化曲線Fig.2 Air temperature and total solar radiation change curves on the classic day

制冷房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況如表1所示。

表1 制冷房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸表Table 1 The structure parameters of the cooling room

人員和電器設(shè)備:

居住人數(shù):1人

照明、電視等電器設(shè)備功率:0.5kW

新風(fēng)量:30m3/h

太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì):水

噴射制冷系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì):R141b

系統(tǒng)冷凝溫度:Tc=Ta+3℃

集熱器與發(fā)生器平均溫差:Tu=Tg+6℃

集熱器進(jìn)口水溫:Ti=38℃

空調(diào)冷負(fù)荷和制冷量模擬計算:

冷負(fù)荷是指使空調(diào)房間保持所需要的溫度，須由制冷設(shè)備所產(chǎn)生的冷量消除室內(nèi)多余的熱量值。這部分余熱是通過空調(diào)設(shè)備將冷量傳給室內(nèi)空氣而消除的?？照{(diào)冷負(fù)荷主要由下列多種因素構(gòu)成:

(1)外墻和屋面溫差傳熱引起的冷負(fù)荷;

(2)外窗溫差傳熱的冷負(fù)荷;

(3)外窗太陽輻射的冷負(fù)荷;

(4)內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱冷負(fù)荷;

(5)人體散熱的冷負(fù)荷;

(6)照明散熱的冷負(fù)荷;

(7)設(shè)備散熱的冷負(fù)荷;

(8)食物散熱的冷負(fù)荷;

(9)散濕形成的潛熱的冷負(fù)荷;

(10)空氣滲透帶入室內(nèi)的冷負(fù)荷。

由于房間建筑材料的熱容量，使室外傳給建筑物的瞬時得熱量不等于由這些建筑物瞬時傳給房間內(nèi)空氣的熱量，因此傳熱過程屬于不穩(wěn)定傳熱。為保證用戶舒適度，合理地確定空調(diào)制冷量，節(jié)約投資和運(yùn)轉(zhuǎn)時能耗，應(yīng)該按照不穩(wěn)定傳熱方法計算空調(diào)冷負(fù)荷，采用諧波法計算空調(diào)冷負(fù)荷屬于其中比較精確的不穩(wěn)定傳熱方法計算空調(diào)冷負(fù)荷方法之一。

本文將采用北京鴻業(yè)同行科技有限公司開發(fā)的鴻業(yè)冷負(fù)荷計算軟件 (version2.0)計算空調(diào)冷負(fù)荷，該軟件采用諧波法可以逐時計算空調(diào)冷負(fù)荷，按照設(shè)計要求在冷負(fù)荷計算軟件中輸入相應(yīng)參數(shù)和選擇相關(guān)選項，然后點(diǎn)擊設(shè)計界面“數(shù)據(jù)中心”中“計算”按鈕，系統(tǒng)完成冷負(fù)荷計算。

一座建筑物空調(diào)系統(tǒng)的制冷量，除了要計入建筑物的計算冷負(fù)荷外，還要考慮其他因素造成的附加冷負(fù)荷，如送風(fēng)機(jī)溫升，送風(fēng)管道系統(tǒng)的溫升，水系統(tǒng)的熱損失和制冷設(shè)備的效率等引起的附加冷負(fù)荷。將上述各種因素形成的冷負(fù)荷相加，就構(gòu)成了該建筑物的制冷機(jī)總?cè)萘?，這一制冷機(jī)容量稱為“制冷量”。

上述附加冷負(fù)荷可以逐一計算，但計算繁瑣且不太準(zhǔn)確，故制冷量一般以最大制冷負(fù)荷乘以1.1～1.5系數(shù)來確定，本文取1.1，各空調(diào)房間配置的空調(diào)末端設(shè)備容量是以冷負(fù)荷為依據(jù)。

圖3 空調(diào)房間冷負(fù)荷隨時間變化關(guān)系Fig.3Theroomcooling load change under different time

圖3為上海地區(qū)七月份標(biāo)準(zhǔn)日8∶00－17∶00空調(diào)房間冷負(fù)荷逐時變化關(guān)系，從中可以看出空調(diào)負(fù)荷隨時間呈遞增趨勢，到17∶00時達(dá)到最大值。冷負(fù)荷最大值既不是出現(xiàn)在太陽能輻射值最大的12∶00左右，也不是出現(xiàn)在14∶00左右的氣溫最高時，主要是由于房間建筑材料的熱容量，建筑物瞬時傳給房間內(nèi)空氣的熱量值滯后于室外傳給建筑物的瞬時得熱量，有個時間差，滯后時長不僅跟氣溫和太陽能輻射量有關(guān)，而且跟建筑材料及建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)。

從圖中可以知道冷負(fù)荷最大值為3441W，根據(jù)選定的制冷量與冷負(fù)荷最大值換算系數(shù)，系統(tǒng)的制冷量為3785.1W。

2.2 噴射制冷數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)計算方法

噴射制冷數(shù)學(xué)模型是本文分析太陽能噴射制冷系統(tǒng)重要組成部分，本文采用文獻(xiàn) ［5］中模型。Huang等在Keenan［6］的噴射器噴射過程 “常截面等壓混合模型”基礎(chǔ)上，提出了“氣動噴管”概念，假定了從噴嘴出來的工作流體向前扇出并在混合截面前與引射流體互不混合，并為引射流誘導(dǎo)出漸縮管，這個漸縮管起漸縮噴嘴作用，并在混合截面處將引射流體加速到聲速，并與工作流體等壓混合，并得到了實(shí)驗驗證。本文參照文獻(xiàn) ［19］的熱力學(xué)模型編制程序，并分析噴射制冷系統(tǒng)性能。為準(zhǔn)確計算制冷工質(zhì)在噴射器工作過程中實(shí)際熱力學(xué)參數(shù)的變化，本文制冷劑參數(shù)以NIST開發(fā)的REFPROP(Version8.0)物性軟件為依據(jù)。該程序可以根據(jù)條件設(shè)定工況算出噴射制冷系統(tǒng)的噴射系數(shù)和COP，并與文獻(xiàn)huang等人實(shí)驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)模型計算誤差在10%以內(nèi)，說明該程序可以作為進(jìn)一步分析太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能的子程序。

2.3 太陽能集熱器計算公式

集熱器是太陽能集熱系統(tǒng)重要部件，主要是通過集熱器吸熱體內(nèi)的流體與太陽輻射熱進(jìn)行能量交換，從而獲得有用的能量收益。集熱器的有用能量收益可表示為:)

其中η為集熱器效率，其定義為集熱器任何時段有用能量收益與同時段太陽能在集熱器上輻射量的比值。

本文將討論的太陽能集熱器有平板集熱器和真空管集熱器兩種，其性能可以用以下公式表示:

平板集熱器，

真空管集熱器，

2.4 太陽能噴射制冷系統(tǒng)計算模型步驟

前面已經(jīng)提到太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能模擬分析計算涉及空調(diào)冷負(fù)荷計算，噴射制冷系統(tǒng)計算和集熱器計算，太陽能保證率SF、系統(tǒng)熱效率STR等均是衡量太陽能噴射制冷性能的重要參數(shù)，分別可由式 (3)和 (4)計算得到。具體流程如圖4所示。

3 模擬結(jié)果分析

由于太陽能噴射制冷系統(tǒng)要受太陽能輻射強(qiáng)度、氣溫、冷負(fù)荷等因素影響，而這些因素受氣候條件影響，在一天中并不是固定不變，有時候甚至變化很大。在實(shí)際使用過程中也必然要考慮這些因素影響，因此研究太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能時有必要結(jié)合氣候條件。

本文根據(jù)上海的氣候特點(diǎn)，在氣象數(shù)據(jù)庫中選取七月份標(biāo)準(zhǔn)日作為空調(diào)使用日，并在該標(biāo)準(zhǔn)日8∶00－17∶00時段，逐時研究分析太陽能噴射制冷系統(tǒng)在該地區(qū)經(jīng)典日的性能運(yùn)行情況。太陽能噴射制冷系統(tǒng)在一天中運(yùn)行性能可以通過COPejc，系統(tǒng)熱效率、太陽能保證率等性能參數(shù)來衡量。

圖4 太陽能噴射制冷系統(tǒng)計算模型流程圖Fig.4 Flow diagram for the computational procedure

圖5 COPejc在一天中隨時間變化趨勢Fig.5 The COPejc changes with time in the day

圖5為采用真空管集熱器太陽能噴射制冷系統(tǒng)的COPejc在一天中8∶00－17∶00時段逐時變化情況，可以看出COPejc在15∶00前逐漸減少，然后增大，然后又減少?？梢越Y(jié)合氣候條件解釋這一變化，由圖2所示，在氣溫中午14∶00前呈逐漸增大趨勢，并在14∶00左右達(dá)到最大值，然后呈逐漸減少趨勢。而噴射制冷系統(tǒng)效率受冷凝溫度、發(fā)生溫度等影響，較發(fā)生溫度冷凝溫度影響更大，當(dāng)冷凝溫度超過一定值時系統(tǒng)甚至不制冷［7］。本文選取冷凝器為風(fēng)冷冷凝器，因此冷凝溫度與氣溫緊密相關(guān)，并且相差不大。COPejc在15∶00時前減少主要是噴射制冷系統(tǒng)的冷凝溫度增加較快，雖然發(fā)生溫度在某一時段會因為太陽能輻射量增大有所增高，但受氣溫影響的冷凝溫度是主導(dǎo)。同樣原因，隨后的COPejc會因為氣溫下降而又增大，但之后太陽能輻射量急劇減少并成為影響噴射制冷系統(tǒng)性能的主導(dǎo)因素，因此其后COPejc隨之減少。以上是上海地區(qū)COPejc一天中隨時間變化趨勢，具有一定代表性。但由于各地氣候會差異較大，因此COPejc在各地隨時間變化趨勢并不完全一樣。

圖6為兩種不同類型集熱器的太陽能噴射制冷系統(tǒng)熱效率在一天中隨時間變化趨勢。從式 (5)可知STR為η與COPejc之積。因此也可以說STR是集熱器效率和噴射系統(tǒng)效率的復(fù)疊。數(shù)據(jù)計算表明真空管集熱器在各計算點(diǎn)的數(shù)值為0.517到0.709平穩(wěn)變化，因此可以對比圖5與6發(fā)現(xiàn)，采用真空管集熱器的太陽能噴射制冷系統(tǒng)其熱效率隨時間變化趨勢與COPejc類似。而采用平板集熱器的系統(tǒng)，由于在太陽能輻射值較低時，其效率急劇下降，因此其STR在16時急劇下降。

圖6 系統(tǒng)熱效率在一天中隨時間變化趨勢Fig.6 The STR change with time in the day

太陽能保證率可以說明太陽能噴射制冷在其使用時，太陽能在其所消耗總能量所占的比例。如果太陽能保證率太小，則太陽能噴射制冷在經(jīng)濟(jì)性角度并不具有競爭優(yōu)勢，因此當(dāng)系統(tǒng)需要大量輔熱時并不介意安裝效率低的集熱器。然而，當(dāng)有大量廉價的熱可以獲得時，可以考慮使用效率低的集熱器，比如工廠廢熱。考慮到圖7為上海地區(qū)一空調(diào)居室，分別采用面積為25m2真空管和平板集熱器時，太陽能噴射制冷系統(tǒng)的太陽能保證率隨時間變化趨勢，兩種型式的系統(tǒng)其太陽能保證率隨時間變化趨勢類似，均是先增大后減少，并都在10時達(dá)到最大。大部分時間里采用真空管集熱器的系統(tǒng)性能優(yōu)于采用平板集熱器的系統(tǒng)性能，說明采真空管集熱器的系統(tǒng)性能更優(yōu)，但真空管集熱器價格比平板貴，使用時要考慮經(jīng)濟(jì)性因素。

圖7 太陽能保證率在一天中隨時間變化情況Fig.7 The solar fraction change with time in the day

4 結(jié)論

太陽能噴射制冷系統(tǒng)的性能受天氣等條件影響較大，然而由于自然因素，天氣條件在一天中不斷變化，太陽能噴射系統(tǒng)性能必然受其影響。因此本章結(jié)合某一地區(qū)氣候等因素對太陽能噴射制冷系統(tǒng)逐時進(jìn)行分析，以分析一天中太陽能噴射制冷系統(tǒng)受天氣影響的變化情況，為其應(yīng)用及性能優(yōu)化提供參考。

符號表:

A—面積，m2

COP—性能系數(shù)

Cp—體積比熱容，kJ/(kg·K)

G—太陽能輻射強(qiáng)度，W/m2

h—比焓，kJ/kg

Q—熱量，kJ

SF—太陽能保證率，%

STR—系統(tǒng)熱效率

T—溫度，℃

η—太陽能集熱器效率

ω—噴射系數(shù)

下標(biāo):

a—環(huán)境

AUX—輔助熱源

c—冷凝器

e—發(fā)生器

ejc—噴射系統(tǒng)

g—蒸發(fā)器

i—集熱器進(jìn)口

o—集熱器出口

in—進(jìn)口

out—出口

p—工作流體

sc—集熱器采光板

solar—太陽能

u—集熱器

［1]潘垣，辜承林.太陽能熱氣流發(fā)電及其對我國能源與環(huán)境的深遠(yuǎn)影響 ［J］.世界科技研究與發(fā)展，2003，25(4):7－12

［2]Wimolsiri Pridasawas，Per Lundqvist.A year－ round dynamic simulationof a solar－driven ejector refrigeration system with iso － butane as a refrigerant［J］.International Journal of Refrigeration，2007，30(5):840 －850

［3]Humberto Vidal，Sergio Colle，Guilherme dos Santos Pereira.Medelling and hourly simulation of a solar ejector cooling system ［J].Applied Thermal Engineering，2006，26(7):663－672

［4]張晴原.中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005

［5]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

［6]Keenan H，Neumann EP，Lustwerk F.An investigation of ejector design by analysis and experiment［J］.Energy，1995，68:65 －79

［7]Y －M.Chen，C －Y.Sun.Experimental study of the performance characteristics of a steam－ejector refrigeration system［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，1997，(15):384 －394