羅斌， 李明

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南 昆明 650092)

0 引 言

太陽能溴化鋰吸收式制冷是目前最成熟的太陽能制冷技術(shù)，現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)用化示范階段.國內(nèi)目前在山東乳山建成一座100 kW太陽能單效溴化鋰吸收式空調(diào)系統(tǒng)，選用540 m2太陽能熱管式真空管集熱器，其測試結(jié)果表明，系統(tǒng)制冷效率的變化范圍為0.5～0.71[1].在廣東江門建成并投入使用的另一座太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)采用500 m2高效太陽能平板集熱器和100 kW兩級溴化鋰吸收式制冷機(jī)，系統(tǒng)的熱源驅(qū)動溫度范圍為65～75 ℃，系統(tǒng)的熱源可利用溫差范圍達(dá)到12～17 ℃，更加有利于提高集熱器的效率和系統(tǒng)的制冷效率，但系統(tǒng)的制冷效率通常低于0.4[2].Ibrallim等[3]采用R22-DMETEG工質(zhì)對，設(shè)計(jì)了一套額定制冷量為4 000 kCal/h的太陽能單效吸收式制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)的制冷效率達(dá)到0.45～0.6.Arif Ileri[4]同樣采用R22-DMETEG工質(zhì)對，選用400 m2高效集熱器，設(shè)計(jì)了一套制冷量為100 kW的太陽能單效吸收式空調(diào)系統(tǒng)，并對其進(jìn)行年運(yùn)行性能分析，結(jié)果表明：與常規(guī)的電空調(diào)和鍋爐加熱系統(tǒng)相比，該太陽能系統(tǒng)冬季采暖與夏季制冷耗能分別減少38%、91%，平均年運(yùn)行成本節(jié)省約50%.

目前，太陽能聚焦集熱器主要包括拋物槽式聚光集熱器(PTC)[5，6]、復(fù)合拋物面聚光集熱器(CPC)[7]、菲涅爾透鏡聚光集熱器和蝶式聚光集熱器等.拋物槽式聚光集熱器與聚光集熱器、平板集熱器、真空管集熱器、真空管熱管集熱器相比，具有聚焦比高、反應(yīng)靈敏、工作流體出口溫度高、集熱效率高等優(yōu)點(diǎn)[8].本文采用以鋁合金腔體為吸收器的槽式聚光集熱系統(tǒng)，相比以金屬直通管為吸收器的槽式聚光系統(tǒng)降低了成本，在50～100 ℃范圍內(nèi)與其效率相當(dāng)，是太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的最佳選擇，在太陽能中溫利用領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于采暖、制冷、發(fā)電、海水淡化等生活和生產(chǎn)領(lǐng)域.太陽能驅(qū)動的單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)是目前比較成熟、研究廣泛的吸收式制冷系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對驅(qū)動熱源的溫度要求相對較低；同時與太陽能雙效吸收式制冷系統(tǒng)相比，單效吸收式制冷系統(tǒng)成本更有利于商業(yè)化.

1 太陽能空調(diào)系統(tǒng)

太陽能空調(diào)是利用太陽集熱器加熱熱媒水來驅(qū)動吸收式制冷機(jī)組的.太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要由吸收式制冷機(jī)組和太陽集熱兩大主要部件構(gòu)成.本文所建立的太陽能吸收式空調(diào)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要由太陽能槽式聚光集熱器、熱水箱、單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組、冷卻塔、風(fēng)機(jī)盤管等部件組成.其中槽式聚光集熱器與制冷機(jī)組的性能對整個系統(tǒng)的制冷效率具有直接的影響.圖1為本文的太陽能單效吸收式制冷系統(tǒng)示意圖.

圖1 太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 會議室能耗分析

該建筑為某企業(yè)主辦公樓四樓會議室，面積為100 m2；建筑外立面有約為20 m2單層透明玻璃窗戶，外立窗戶面朝向?yàn)闁|偏北30°，部分窗戶可開啟；會議室空調(diào)系統(tǒng)為兩管制風(fēng)機(jī)盤管.會議室平面幾何圖如圖2所示.

圖2 會議室平面幾何示意圖

其維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)從模擬軟件的材料庫中選取，見表1.

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

確定建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)后，即可利用面積指標(biāo)方法對冷負(fù)荷設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算：

Q=q·F

(1)

式中：Q—建筑物冷負(fù)荷或熱負(fù)荷，W；q—建筑物冷負(fù)荷或熱負(fù)荷設(shè)計(jì)指標(biāo)，W/m2；F—建筑面積，m2.

利用昆明典型年氣象數(shù)據(jù)并結(jié)合會議室圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及房間使用功能進(jìn)行模擬計(jì)算，得到夏季冷負(fù)荷為75 W/m2，冬季熱負(fù)荷為50 W/m2.

2.2 溴化鋰吸收式制冷機(jī)

單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、循環(huán)泵等幾部件組成.本實(shí)驗(yàn)所采用的熱水型單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組工作過程可分為以下兩部分，其循環(huán)示意圖如圖3所示.

圖3 吸收式制冷循環(huán)示意圖

(1)制冷劑循環(huán)(制冷循環(huán))

槽式聚光集熱器所產(chǎn)生的熱水在發(fā)生器內(nèi)加熱溴化鋰溶液析出低壓水蒸氣，水蒸氣進(jìn)入冷凝器由冷卻水冷凝成液態(tài)水，通過節(jié)流閥產(chǎn)生低溫高壓的蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器，在低壓下蒸發(fā)，從而產(chǎn)生制冷效應(yīng).這個過程與蒸汽壓縮式制冷循環(huán)相同.

(2)溶液循環(huán)

發(fā)生器中流出的高濃度溴化鋰溶液降壓后進(jìn)入吸收器，吸收蒸發(fā)器內(nèi)所產(chǎn)生的蒸汽，變成稀溶液，再由溶液泵送回發(fā)生器重新加熱.這個過程相當(dāng)于蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中的壓縮機(jī)功能.

太陽能空調(diào)系統(tǒng)制熱過程則由太陽能槽式集熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱水直接通過熱交換器與發(fā)生器內(nèi)的冷媒水換熱，達(dá)到對房間制熱的目的.表2給出了兩個的溴化鋰吸收式制冷機(jī)的具體參數(shù).

表2 小型熱水型吸收式制冷機(jī)組參數(shù)

利用表2中的溴化鋰吸收式制冷機(jī)的具體參數(shù)，即可對其夏季熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算：

PR=∑PRNTR

(2)

式中：PR—制冷機(jī)夏季耗電量或燃料消耗量， kWh/a或Nm3/a；PRN—制冷機(jī)額定功率， kW或Nm3/h；TR—制冷機(jī)累計(jì)運(yùn)行時間，h，按夏季運(yùn)行4個月，每月運(yùn)行21 d，每天運(yùn)行9 h計(jì)算；

由以上計(jì)算所得該會議室最大負(fù)荷值為7.5 kW，TX-11即可滿足房間要求，由表2可知，TX-11與TX-23制冷功率分別為11.5 kW、23 kW，但價格相同，根據(jù)其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，本系統(tǒng)確定采用TX-23型號機(jī)組.

根據(jù)《民用建筑采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)措施》[9]中推薦的此類公建空調(diào)設(shè)計(jì)面積指標(biāo)為85～100 W/m2.因此，該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的建筑冷熱負(fù)荷值均符合國家要求.

2.3 太陽能槽式聚光集熱裝置

拋物面槽式聚光裝置是應(yīng)用前景最廣闊的低倍聚光裝置之一，其最大的優(yōu)勢在于能夠穩(wěn)定提供較高溫度熱源.拋物面槽式聚光裝置主要由拋物面反射板和腔體集熱管組成.拋物面反射鏡為高反射率鋼化玻璃，腔體集熱管為鋁合金V型腔體(如圖4)，其軸線置于拋物柱面的焦線上.直通式真空管主要由玻璃外管和金屬吸熱管兩部分組成.吸熱管表面有高溫選擇性涂層；傳熱介質(zhì)(水)由吸熱管的一端流入，經(jīng)太陽輻射加熱后，從另一端流出進(jìn)入溴化鋰吸收式制冷機(jī)驅(qū)動其制冷或制熱.根據(jù)本課題組對以鋁合金腔體為接收器的拋物槽式聚光集熱器在50～100 ℃范圍內(nèi)的研究，其集熱效率為0.5～0.6[10]，與金屬直通真空管接收器效率相當(dāng)，其裝置示意圖如圖5所示.

表3 拋物反射鏡參數(shù)

圖4 鋁合金腔體吸收器

圖5 拋物槽式聚光集熱示意圖

3 經(jīng)濟(jì)適用性分析

相對于直燃型機(jī)組、電制冷機(jī)組，太陽能吸收式機(jī)組價格偏高主要原因在于集熱器投資較高.由圖6可知，以太陽能集熱制冷方式總投資最高，并且隨著制冷面積增大，太陽能集熱制冷方式與其他兩種制冷方式的初投資差距越大.表4為該項(xiàng)目的初投資工程造價表，由于該系統(tǒng)為小型熱水型機(jī)組，其性價比相對較低.

表4 太陽能空調(diào)系統(tǒng)工程造價表

圖6 機(jī)組總投資

3.1 經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益分析

(3)

計(jì)算得該系統(tǒng)全年輻照量為3.18×105MJ，原煤的熱值q=29 MJ/kg，則將太陽能換算成原煤的質(zhì)量為：

m=H/q

(4)

計(jì)算所得原煤質(zhì)量為10 695 kg，槽式聚光集熱系統(tǒng)投資與鍋爐投資相差約為12.4萬元，則槽式聚光集熱系統(tǒng)回收期大約為11.3年.

雖然槽式聚光集熱系統(tǒng)初期投資較大，但是降低了化石能源與電能的消耗，減少了碳、硫、氮、煙塵等排放量，對改善生活環(huán)境起到了良好的促進(jìn)作用.同時太陽能吸收式制冷空調(diào)與季節(jié)的高度匹配性，能夠有效地改善夏季用電緊張的局勢，產(chǎn)生良好的社會環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益.

4 結(jié) 論

通過分析建筑能耗與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，有效地將太陽能槽式聚光集熱裝置與吸收式制冷機(jī)相匹配，實(shí)現(xiàn)夏季制冷、冬季采暖和其他季節(jié)提供熱水三種功能結(jié)合起來，達(dá)到一機(jī)多用、四季常用的目的，從而可以顯著地提高太陽能系統(tǒng)的利用率和經(jīng)濟(jì)性.通過對該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，得出以下結(jié)論：

對該會議室進(jìn)行模擬能耗分析，得到夏季冷負(fù)荷約為75 W/m2，冬季熱負(fù)荷約為50 W/m2.現(xiàn)預(yù)裝60 m2槽式聚光集熱器以及23 kW單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)完全能夠滿足房間要求，并符合國家公共建筑要求規(guī)范.

采用槽式聚光集熱驅(qū)動單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的系統(tǒng)，產(chǎn)品回收期約為11.3年.雖然太陽能吸收式中央空調(diào)初期投資較大，但有利于環(huán)境保護(hù)，同時太陽能空調(diào)與季節(jié)的良好匹配性，有利于節(jié)約能源，對小型中央空調(diào)的商業(yè)化起到積極的推動作用.

參 考 文 獻(xiàn):

[1] 何梓年，朱寧，劉芳，等．太陽能吸收式空調(diào)及供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能[J]．太陽能學(xué)報，2001，22(1)：6-11．

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