李風雷， 韓瑞春， 程志雯， 馬軍偉

(1. 太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 太原 030024;2. 山西省地震局， 山西 太原 030024;3. 山西錦興能源有限公司， 山西 呂梁 033600)

光熱光電噴射-直接蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)性能

李風雷1， 韓瑞春1， 程志雯2， 馬軍偉3

(1. 太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 太原 030024;2. 山西省地震局， 山西 太原 030024;3. 山西錦興能源有限公司， 山西 呂梁 033600)

提出一種以R134a為制冷劑的光熱光電噴射-直接蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)，以新疆喀什地區(qū)的氣象參數(shù)為輸入，結(jié)合Trnsys軟件進行建筑模擬和系統(tǒng)仿真計算，分析夏季連續(xù)典型氣象日內(nèi)系統(tǒng)的運行情況及其性能.結(jié)果表明：直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)系數(shù)COPm值最大可以達到15.05；COPm平均值達到12.33；太陽能噴射制冷系統(tǒng)機械COPm最大為4.97；復(fù)合系統(tǒng)的綜合機械性能系數(shù)COPm達到8.52；整個夏季完全用機械壓縮制冷系統(tǒng)耗電量為162.6 kW·h；完全用光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)耗電量為65.4 kW·h. 關(guān)鍵詞： 制冷系統(tǒng)； 噴射； 蒸發(fā)； 太陽能； 光熱光電

太陽能是一種取之不盡的可再生能源，在我國西北偏遠山區(qū)、沙漠、邊疆、海島有豐富的太陽能資源.由于缺乏電力資源，給生活、工作、科學考察等帶來不便，國內(nèi)外許多專家對太陽能驅(qū)動制冷系統(tǒng)進行了探究[1-9].Selvaraju等[3]以R134a為制冷劑，研究分析了6種不同結(jié)構(gòu)尺寸太陽能噴射制冷系統(tǒng).Sokolov等[7]提出增強型噴射制冷系統(tǒng)，通過增大噴射器的引射壓力提高該系統(tǒng)的性能.田琦[8]提出一種太陽能噴射與變速壓縮一體化制冷系統(tǒng)，對太陽能噴射與機械聯(lián)合制冷系統(tǒng)進行了研究.張利賀等[9]提出一種太陽能噴射-壓縮復(fù)合蓄冷系統(tǒng)，并對其進行了熱力學性能分析.然而，由于太陽輻射強度的不確定性，受環(huán)境氣候條件等諸多因素影響，單一的太陽能噴射制冷難以滿足空調(diào)冷負荷的需求,而單一直接蒸發(fā)制冷又存在降溫有限、無法除濕的缺陷.雖然太陽能噴射與變速壓縮一體化制冷系統(tǒng)、太陽能噴射-壓縮復(fù)合蓄冷系統(tǒng)主要驅(qū)動能源是太陽能，但都需要電能驅(qū)動工質(zhì)泵等用電裝置.為了更加充分利用太陽能資源,并滿足建筑冷負荷的需求，本文提出一種新型“低能耗”的光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng),研究分析在典型連續(xù)氣象日系統(tǒng)的性能.

1 系統(tǒng)及供冷建筑概述

1.1 光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)

光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)以R134a作為制冷工質(zhì)，以新疆喀什地區(qū)氣象參數(shù)作為輸入，如圖1所示.光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)由光電系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)、噴射制冷系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)4部分組成.系統(tǒng)工作過程如下：將太陽能噴射制冷與直接蒸發(fā)制冷進行復(fù)合，在上午時段，利用直接蒸發(fā)式冷卻系統(tǒng)為房間提供所需冷量；中午時段，太陽輻射照度達到噴射制冷要求，啟動太陽能噴射制冷系統(tǒng)為房間供冷.

圖1 光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)圖Fig.1 Solar photovoltaic and solar energy ejector refrigeration system coupled with direct evaporation refrigeration

采用溫差控制器和時間控制器聯(lián)合控制發(fā)生循環(huán)水泵.1) 太陽能集熱器出水水溫高于集熱側(cè)循環(huán)水泵出水溫度8 ℃時，自動開啟循環(huán)水泵，當兩者的溫差小于2 ℃時，循環(huán)水泵關(guān)閉.2) 當蓄熱水箱上層溫度達到80 ℃以上，水泵在13：00～18：00之間運行.只有同時滿足以上2個條件時，發(fā)生循環(huán)水泵才會開啟.

1.2 供冷建筑

模擬建筑以新疆喀什地區(qū)戶外科研用建筑為研究對象，喀什年日照時間為3 000 h左右，具有良好的太陽能資源.該建筑共一層，層高2 m，建筑面積5 m2，外墻采用300 mm厚加氣混凝土砌塊，外露梁柱部分采用70 mm厚鋼絲網(wǎng)架聚苯板保溫，屋面采用50 mm厚擠塑聚苯板保溫，外門采用30 mm保溫材料保溫門，東面外窗面積1 m2，采用6 mm空氣層中空玻璃塑鋼窗.建筑圍護結(jié)構(gòu)外墻、外門、外窗、地面、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為0.55，1.70，2.45，0.43，0.53 W·(m2·K)-1.

建筑物負荷模擬采用Trnsys軟件中的建筑模塊(type56a)，用戶可以導(dǎo)入建筑的實際數(shù)據(jù)和模擬地點的氣象參數(shù).

2 系統(tǒng)計算控制方程

2.1 光電系統(tǒng)計算控制方程

光電子系統(tǒng)由太陽能電池板、逆變器、蓄電池及控制裝置等組成.太陽能電池板的放置形式和角度直接影響接收到的太陽輻射,以及供電系統(tǒng)的發(fā)電能力[10].

1) 太陽輻照量的計算.根據(jù)Hay[11]提出的天空散射輻射各向異性的模型表達式，可計算出朝向赤道不同傾斜角度的光伏陣列上接收到的太陽輻射量，即

(1)

式(1)中：Ht,Hb,Hd分別為水平面上的太陽輻照量總量、直接輻照量和散射輻照量；Rb為傾斜面與水平面直接輻射量的比值；H0為大氣層外水平輻照量；β為太陽能電池板傾角；ρ為地面反射率.太陽能電池板吸收的太陽輻射能為

(2)

式(2)中：Hcell為太陽能電池板吸收的太陽輻射能;τn為光伏電池板的太陽能透過率；αn為光伏電池板的太陽能吸收率；rc為單位面積與開孔面積比；ηPV為光伏電池的工作效率，即

(3)

式(3)中：qe為輸出電能.

光伏電池的工作效率隨電池板表面溫度升高而線性降低，即

(4)

式(4)中：ηref為標準測試條件下太陽能電池板的參考效率值；βr為標準測試條件下(H=1 000W·m-2，θref=25 ℃)的溫度系數(shù)，K-1.

2) 光伏電池U-I 特性模型.光伏電池的輸出電流(I)和輸出電壓(U)可表示為

(5)

式(5)中：Iph,Id分別表示光電流和二極管反向飽和電流；Rs，Rp分別表示太陽能電池串聯(lián)阻抗和并聯(lián)阻抗；q為電子電量；A為完整性因子；K為玻爾茲曼常數(shù)(1.381×10-23J·K-1)；θ為電池表面溫度.

最大輸出功率為

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中：α=0.002 5 ℃；β=0.5；γ=0.002 88 ℃；m為電池板組件的串聯(lián)個數(shù)；n為電池板組件的并聯(lián)個數(shù)；ImUm為光伏電池廠家在標準溫度為θSTC=25 ℃，日照強度為SSTC=1 000W·m-2的特定條件下給定的值.

3) 蓄電池容量計算.蓄電池容量是電池充足電后放出電能大小的數(shù)值，即

(9)

式(9)中：C為蓄電池容量，A·h；I為蓄電池放電流，A；t為蓄電池放電時間，h.

2.2 光熱子系統(tǒng)計算控制方程

光熱子系統(tǒng)由太陽能集熱器、循環(huán)管路、循環(huán)水泵、蓄熱水箱等組成.其中，太陽能集熱器是光熱子系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件.穩(wěn)態(tài)與準穩(wěn)態(tài)條件下，單位時間內(nèi)太陽能集熱器吸收到的有用能為

(10)

式(10)中：Qc為集熱器吸收到的太陽能輻射能量，W；Ql為集熱器向周圍環(huán)境散失的能量，W；I為集熱器表面太陽輻射照度，W·m-2；Ap為集熱器吸熱板面積，m-2；τ,α分別為太陽透射率和太陽吸收率；Ui為總熱損失系數(shù)，W·(m2·℃)-1；θp為集熱器吸熱板平均溫度，℃；θa為環(huán)境溫度，℃.

根據(jù)集熱器效率定義(集熱器得到的有用功與投射到集熱器表面的太陽輻射量的比值)，有

(11)

引入熱轉(zhuǎn)移因子FR，并用集熱器內(nèi)流體出口水溫θi代替集熱器吸熱板平均溫度θp.考慮到太陽入射角的變化影響凈入射效率，引入入射角修正因子Kτ，α(θl,θt)，得到新的太陽能集熱器效率方程，即

(12)

2.3 噴射制冷子系統(tǒng)計算控制方程

噴射制冷子系統(tǒng)由發(fā)生器、噴射器、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、工質(zhì)泵等組成.為了簡化分析，忽略管路及設(shè)備與周圍環(huán)境的熱量交換.噴射制冷循環(huán)的壓焓圖，如圖2所示.

圖2 噴射制冷子系統(tǒng)壓焓圖Fig.2 Diagram of ejector refrigeration system

對噴射制冷循環(huán)過程應(yīng)用能量守恒定律，結(jié)合壓焓圖得出各部件的控制方程.發(fā)生器，蒸發(fā)器，冷凝器熱力學計算分別為

(13)

(14)

(15)

制冷系統(tǒng)的熱性能系數(shù)為

(16)

式(16)中：Wmec為循環(huán)所需的機械能.由于Wmec與Qg相比可以忽略不計，所以噴射制冷系統(tǒng)COPh可以近似表示為

(17)

機械制冷性能系數(shù)COPm為

(18)

噴射系數(shù)可以表示為

(19)

式(13)～(19)中:Qg為工作流體在發(fā)生器中的吸熱量，kW；Qy為引射流體在蒸發(fā)器中的換熱量，kW；Qh為混合流體在冷凝器中的放熱量，kW；qm,g,qm,y,qm,h分別為工作流體、引射流體、混合流體的質(zhì)量流量，kg·s-1；h1～h6為狀態(tài)點1～6的焓值，kJ·kg-1.

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的計算分析

蒸發(fā)冷卻空調(diào)的使用條件取決于室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，室內(nèi)設(shè)計溫度為26 ℃，相對濕度不超過65%，蒸發(fā)冷卻空調(diào)允許的最大濕球溫度為21.4 ℃[12]，喀什地區(qū)7，8，9共3個月濕球溫度(θ)變化，如圖3所示.圖3中：t為時間.

由圖3可知：超過最大濕球溫度，蒸發(fā)冷卻空調(diào)將不能滿足舒適性空調(diào)標準，而且隨著室外干球和濕球溫度溫差減小，蒸發(fā)冷卻空調(diào)冷卻效率不斷降低.因此，從濕度和效率兩方面考慮，直接蒸發(fā)式系統(tǒng)的運行時間不宜過長.在8：00～13：00時間段內(nèi)，用直接蒸發(fā)式空調(diào)器對房間供冷，在13：00～17：00時間段內(nèi)，需要啟用太陽能噴射制冷子系統(tǒng)為房間提供冷量.

3.2 建筑冷負荷和制冷量對比

通過TRNSYS模擬得到的建筑在典型連續(xù)氣象日(7月30日，7月31日，8月1日)冷負荷與光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)制冷量的對比圖，如圖4所示.

由圖4可知：單獨直接蒸發(fā)不能滿足用戶全天冷負荷需求.在上午時段，建筑冷負荷小，直接蒸發(fā)冷卻通過風量調(diào)節(jié)可以滿足冷負荷需求，而且可以看出直接蒸發(fā)冷卻供冷隨著時間變化效率逐漸降低；而在中午時段，制冷量也逐漸減少，隨著濕度增大，難以滿足舒適性空調(diào)標準，太陽能噴射制冷系統(tǒng)運行階段產(chǎn)生的制冷量要大于冷負荷需求.

通過光熱光電噴射制冷系統(tǒng)和光電直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)配合使用，可以滿足用戶全天冷負荷需求，不僅解決了太陽能噴射、直接蒸發(fā)冷卻由于環(huán)境因素導(dǎo)致的使用時段的限制.而且，通過二者配合使用，充分利用了太陽能，節(jié)省了電能，減少了初投資，滿足用戶冷負荷的情況下，達到了較大限度的節(jié)能.

圖3 新疆喀什地區(qū)7～9月濕球溫度變化 圖4 建筑冷負荷和系統(tǒng)制冷量對比圖Fig.3 Variation of bulb temperature from July Fig.4 Comparison chart of building cooling load to September in Kashgar Area,Xinjiang and system refrigerating capacity

3.3 光電系統(tǒng)性能分析

利用TRNSYS模擬了(7月30日，7月31日，8月1日)的太陽能光電系統(tǒng)，模擬光照強度為 1 000 W·m-2，環(huán)境溫度為25 ℃，太陽能光伏日平均發(fā)電量為4.084 kW·h.根據(jù)各個時間段設(shè)備所需電量，單獨用噴射制冷日用電量為1.65 kW·h，單獨用直接蒸發(fā)日用電量為1.04 kW·h，光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)日用電量為1.35 kW·h.除去電力傳輸效率損失，3 m2的電池板可以為系統(tǒng)的運行提供足夠的電量.根據(jù)設(shè)計需要，系統(tǒng)滿足在沒有日照的情況下連續(xù)工作3 d，選擇放電深度為65%，衰減率為0.95，容量為420 A·h的蓄電池.

3.4 系統(tǒng)COPm變化情況

圖5 系統(tǒng)COPm變化情況Fig.5 Hourly variation of COPm

光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)供冷過程中，系統(tǒng)的COPm變化情況，如圖5所示.由圖5可知：上午8：00～13：00時段，太陽輻射強度較弱，水箱水溫難以驅(qū)動太陽能噴射制冷系統(tǒng)工作，由直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)為房間提供冷量.通過調(diào)節(jié)進風量滿足各時段冷負荷需求，直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)一直保持著較高的制冷性能系數(shù)值，但是，隨著外界干球、濕球溫度變化，COPm也逐漸降低；第3天，由于外界濕球溫度偏低，使得直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)有了較高的COPm值，下午13：00～18：00時段，太陽能噴射制冷達到工作條件，開始為房間供冷，但是由于太陽輻射強度變化，引起發(fā)生溫度、噴射制冷系統(tǒng)噴射系數(shù)的變化.

由圖5還可知：在第1天中，發(fā)生循環(huán)的泵啟動溫度為80 ℃，在這一時段噴射制冷系統(tǒng)COPm達到相對穩(wěn)定的較高值;而在第2,3天中，噴射制冷系統(tǒng)COPm值都有不同程度的升降變化.這主要是因為集熱水箱上層水溫隨太陽輻射變化，導(dǎo)致發(fā)生器發(fā)生溫度超過了噴射制冷最佳發(fā)生溫度，噴射系數(shù)降低，蒸發(fā)器內(nèi)二次流量減少，制冷量減少，噴射制冷系統(tǒng)COPm值也隨之變化;直接蒸發(fā)冷卻COP值最大可以達到15.05，COPm平均值可以達到12.33，太陽能噴射制冷系統(tǒng)機械COP最大為4.97.

3.5 綜合性能分析

由圖4，5可知：在夏季連續(xù)典型氣象日內(nèi)，直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可以為建筑提供約40%的冷量，光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COPm可以達到8.52.如在夏季(7，8月)冷負荷相同的情況下，整個夏季完全用機械壓縮制冷系統(tǒng)耗電量為162.6 kW·h，完全用光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)耗電量為65.4 kW·h,光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)耗電僅為機械壓縮制冷系統(tǒng)的40.2%，且全部來自于轉(zhuǎn)化的太陽能.

4 結(jié)論

1) 通過光熱光電噴射制冷系統(tǒng)和光電直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)配合使用，可以滿足用戶全天冷負荷需求，不僅解決了太陽能噴射、直接蒸發(fā)冷卻由于環(huán)境因素導(dǎo)致的使用時段的限制，而且達到了較大限度的節(jié)能.

2) 光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)COPm受外界環(huán)境影響，直接蒸發(fā)冷卻COPm值最大可以達到15.05，COPm平均值可以達到12.33，太陽能噴射制冷系統(tǒng)COPm最大為4.97.

3) 光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COPm達到8.52，在夏季(7，8月)冷負荷相同的情況下，整個夏季完全用機械壓縮制冷系統(tǒng)耗電量為162.6 kW·h，而完全用光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)耗電量為65.4 kW·h.因此，光熱光電噴射-蒸發(fā)復(fù)合制冷系統(tǒng)耗電僅為機械壓縮制冷系統(tǒng)的40.2%，且耗電全部來自于轉(zhuǎn)化的太陽能.

[1] HUANG B J,CHANG J M,PETRENKO V A,etal.Solar ejector cooling system using refrigerant R141b[J].Solar Energy，1998,64(4/5/6):223-226.

[2] 方承超,趙軍,徐律,等.利用低焓能的壓縮-噴射制冷系統(tǒng)的研究[J].工程熱物理學報,1995,16(1):5-8.

[3] SELVARAJU A,MANI A.Experimental investigation on R134a vapour ejector refrigeration system[J].International Journal of Refrigeration,2006,29(7):1160-1166.

[4] 張于峰,李燦華,孫萍,等.新型噴射制冷系統(tǒng)的研究[J].工程熱物理學報,1999,20(4):405-409.

[5] 李風雷,任艷玲.典型氣象日蓄熱型太陽能噴射制冷系統(tǒng)性能分析[J].華僑大學學報(自然科學版),2014(2):185-190.

[6] 鄭慧凡,張仙平,范曉偉,等.HFO1234yf太陽能噴射制冷系統(tǒng)在西安地區(qū)性能分析[J].化學工程,2015,43(3):18-21.

[7] SOKOLOV M,HERSH GAL D.Optimal coupling and feasibility of a solar powered by year round ejector air conditioner[J].Solar Energy,1993,50(6):507-516.

[8] 田琦.太陽能噴射與壓縮一體化制冷系統(tǒng)的研究[D].天津:天津大學,2005:1-6.

[9] 張利賀,范曉偉,鄭慧凡.太陽能噴射-壓縮復(fù)合蓄冷系統(tǒng)熱力學性能分析[J].中原工學院學報,2011,22(1):11-14.

[10] 中國建筑科學研究院.公共建筑節(jié)能設(shè)計標準: GB 50189-2005[S].北京:中國計劃出版社,2006:25-27.

[11] HAY J E.Calculation of monthly mean solar radiation for horizontal and inclined surface[J].Solar Energy,1979,23(4):301-307.

[12] 辛軍哲,周孝清,何淦明.直接蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的適用室外氣象條件[J].暖通空調(diào),2008,38(1):52-53.

(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 劉源崗)

Performance of Solar Ejector and Direct Evaporation Combined Refrigeration System Poweredby Photovoltaic Solar Energy

LI Fenglei1， HAN Ruichun1， CHENG Zhiwen2, MA Junwei3

(1. College of Environmental Science and Engineer, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. Shanxi Earthquake Administration， Taiyuan 030024, China;3. Shanxi Jinxing Energy Limited Company， Lüliang 033600, China)

This paper proposed a solar ejector and direct evaporation combined refrigeration system powered by photovoltaic solar energy. This system used R134a as refrigerant, input meteorological parameters in Kashgar Area, Xinjiang, and combined Trnsys simulation software for building simulation and simulation computation of the system, then conducted a comprehensive analysis of operation and thermal performance of the system during consecutive typical meteorological days in summer. The result shows that the maximum COPmof the direct evaporation refrigeration system can reach 15.05 with the average COPm12.33. The maximum mechanical COPmof the ejector refrigeration is 4.97， and the comprehensive COPmis 8.52. Morever, power consumption of the mechanical compression refrigeration system is 162.6 kW·h, and the power consumption of the combined system is 65.4 kW·h in summer. Keywords： refrigeration system; injection; evaporation; solar energy; photo thermal photovoltaic

10.11830/ISSN.1000-5013.201702011

2016-07-17

李風雷(1967-)，男，副教授，博士，主要從事空調(diào)制冷新技術(shù)，熱能利用與節(jié)能技術(shù)的研究.E-mail:fengleili @126.com.

山西省科技攻關(guān)項目(20140313006-6); 國家國際科技合作項目(2013DFA61580); 山西省回國留學人員科研基金資助項目(2016-032)

TK 519

A

1000-5013(2017)02-0189-06