郭穎盼, 李風(fēng)雷, 田琦, 白惠峰

(1. 太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024; 2. 山西中綠環(huán)保集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030032)

蓄熱水箱對(duì)太陽能噴射制冷的性能影響分析

郭穎盼1, 李風(fēng)雷1, 田琦1, 白惠峰2

(1. 太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024; 2. 山西中綠環(huán)保集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030032)

對(duì)對(duì)象建筑及太陽能集蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行TRNSYS模擬，分別得出房間逐時(shí)冷負(fù)荷及5,15,25 ℃等3種設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度下，不同水箱容積與集熱面積比(S)時(shí)，系統(tǒng)的發(fā)生溫度、制冷量及系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)的變化規(guī)律.結(jié)果表明:在太原市的夏季氣象條件下，對(duì)以R141b型制冷劑為工質(zhì)的小型太陽能噴射制冷系統(tǒng)，當(dāng)蒸發(fā)溫度在5～25 ℃時(shí),S值的最佳設(shè)計(jì)范圍為0.015～0.030,且設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度越高，S值應(yīng)越高.

集蓄熱系統(tǒng)； 太陽能； 噴射制冷； 水箱容積； 制冷量； TRNSYS模擬

在能源極度缺乏、環(huán)境日益惡劣的今天，太陽能作為一種綠色、可再生能源，引起各界學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-2].由于受到天氣、晝夜的影響，太陽輻射具有間歇性,因此,需要通過蓄熱水箱調(diào)整熱量供應(yīng)時(shí)間[3].利用太陽能驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)供熱或供冷的系統(tǒng)中，水箱容積的大小直接影響集熱系統(tǒng)的熱損失、太陽能保證率、集熱效率等[4],以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間與效率[5].冬季供暖時(shí)，隨著太陽輻射照度的增大，房間熱負(fù)荷逐漸減??；夏季制冷時(shí)，太陽輻射照度最強(qiáng)時(shí)，也正是冷負(fù)荷需求最大、熱量需求最多的時(shí)候.因此,供熱系統(tǒng)中確定水箱容積的經(jīng)驗(yàn)值[6-7]并不適用于制冷系統(tǒng).本文通過模擬計(jì)算，給出適用于太陽能噴射制冷系統(tǒng)中水箱容積的設(shè)計(jì)范圍.

圖1 太陽能噴射制冷系統(tǒng)Fig.1 Solar ejector refrigeration systems

1 太陽能噴射制冷系統(tǒng)熱力學(xué)模型

太陽能噴射制冷系統(tǒng)，如圖1所示.輻射熱將發(fā)生器中的制冷劑加熱為高溫高壓的飽和蒸汽(一次流體)，通過噴射器的噴嘴造成局部負(fù)壓，將蒸發(fā)器出口的低溫低壓制冷劑(二次流體)吸入，兩種流體在混合室混合，進(jìn)入擴(kuò)壓器減速增壓后，進(jìn)入冷凝器冷凝放熱，成為液態(tài)制冷劑.該制冷劑最后分成兩路：一路經(jīng)過膨脹閥節(jié)流降壓后,進(jìn)入蒸發(fā)器;另一路經(jīng)工質(zhì)泵升壓后,進(jìn)入發(fā)生器繼續(xù)循環(huán).

在模擬計(jì)算中，采用R141b型制冷劑為工質(zhì).噴射器的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示.表1中：θg為發(fā)生溫度；θc為冷凝溫度；θe為蒸發(fā)溫度；Qe為制冷量；d2為混合室直徑；dpx為喉部直徑.

表1 噴射器設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of ejector

一次流體流量[8]為

(1)

式(1)中：m1為一次流體流量，kg·s-1；Pg為發(fā)生壓力，Pa；θg為發(fā)生溫度，℃；A1為噴嘴喉部面積，m2；γ為定壓比熱與定容比熱之比；R為氣體常數(shù)，J·(kg·℃)-1；ηP為等熵效率系數(shù).

發(fā)生換熱量為

Qg=m1(h5-h6).

(2)

式(2)中：Qg為發(fā)生換熱量，kW；h5為發(fā)生器出口焓值，kJ·kg-1；h6為發(fā)生器入口焓值，kJ·kg-1.

二次流體流量為

式(3)中：m2為二次流體流量，kg·s-1；u為噴射系數(shù).

制冷量為

Qe=m2(h1-h4).

(4)

式(4)中：Qe為制冷量，kW；h1為蒸發(fā)器出口焓值，kJ·kg-1；h4為蒸發(fā)器入口焓值，kJ·kg-1.

系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)為

2 TRNSYS仿真模擬

2.1 對(duì)象建筑仿真模擬

建筑位于山西省太原市，坐南朝北，面積為24 m2,室內(nèi)工作時(shí)間為8：00-18：00，共兩人，運(yùn)行一臺(tái)電腦，室溫控制為26 ℃.氣象數(shù)據(jù)采用的格式為Tmy2[9]，運(yùn)行TRNBuild程序，可得典型日房間逐時(shí)冷負(fù)荷.

圖2 太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)TRNSYS仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2 TRNSYS simulation diagram of solar collector systems

2.2 太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)仿真模擬

太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)TRNSYS仿真結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示.

2.2.1 控制參數(shù)設(shè)置 控制器1的控制參數(shù)設(shè)置為:當(dāng)集熱器出口溫度θH與水箱出口溫度θL的溫差大于8 ℃時(shí)，集熱側(cè)循環(huán)泵啟動(dòng)；溫差小于2 ℃，水泵關(guān)閉[10].當(dāng)θH-θL為2～8 ℃時(shí)，集熱側(cè)循環(huán)泵始終保持一個(gè)狀態(tài)信號(hào)(開啟或關(guān)閉).時(shí)間控制器與溫度控制器共同控制換熱側(cè)循環(huán)泵的啟停.溫度控制器控制泵啟動(dòng)溫度為水箱水溫≥74 ℃.時(shí)間控制器控制運(yùn)行時(shí)間為 8:00-18:00，熱量控制器中輸入每個(gè)時(shí)刻的發(fā)生換熱量.

2.2.2 設(shè)備參數(shù)確定 設(shè)備有如下5種參數(shù).

1) 集熱面積[11]為

(6)

式(6)中：Ac為集熱面積，m2;Qg為發(fā)生換熱量，kW;fn為太陽能保證率；Iθ為太陽輻射強(qiáng)度；ηcd為集熱效率；ηL為管路及蓄熱水箱熱損失系數(shù).

2) 集熱側(cè)循環(huán)泵流量[6]為

式(7)中：G1為集熱側(cè)循環(huán)泵流量，kg·h-1；g為集熱器的單位面積流量[6]，g=0.072 m3·(h·m2)-1.

3) 換熱側(cè)循環(huán)泵流量為

G2=3 600Qg/(CΔθ).

(8)

式(8)中：G2為換熱側(cè)水泵流量,kg·h-1；C為水比熱容，kJ·(kg·℃)-1；Δθ為換熱溫差，Δθ=6 ℃.

4) 蓄熱水箱容積為

式(9)中：V為蓄熱水箱容積,m3；S為水箱容積與集熱面積比,m3·m-2.

5) 發(fā)生器換熱面積A.采用滿液式光管發(fā)生器，fn=20%～60%[6],Iθ=0.7[12],ηcd=0.4～0.5[13],ηL=0.2～0.3[13].為分析集熱面積比S對(duì)系統(tǒng)性能的影響，分別取0.010，0.015，0.020，0.030，0.040，0.050進(jìn)行計(jì)算.

太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2所示.表2中：與編號(hào)1，2，3對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，分別表示蒸發(fā)溫度為5，15，25 ℃時(shí)集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù).

表2 太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of solar collector systems

圖3 典型日逐時(shí)冷凝溫度變化規(guī)律Fig.3 Hourly variation of condensing temperature in a typical day

3 模擬結(jié)果分析

采用TRNSYS軟件，得出設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度分別為5,15,25 ℃時(shí)，發(fā)生溫度的變化規(guī)律.噴射器性能采用文獻(xiàn)[14]中的計(jì)算模型.為簡化計(jì)算過程，以濕球溫度加大12 ℃為逐時(shí)冷凝溫度[15-16]，典型日內(nèi)冷凝溫度的逐時(shí)變化規(guī)律,如圖3所示.依據(jù)噴射器性能計(jì)算結(jié)果，根據(jù)每一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的冷凝溫度，給出其噴射系數(shù)最大時(shí)的發(fā)生溫度(定義為最佳發(fā)生溫度),運(yùn)用式(1)～(5)計(jì)算系統(tǒng)制冷量及COP.

典型日8：00-18：00，蒸發(fā)溫度為25 ℃時(shí)，發(fā)生溫度、制冷量及COP的變化情況,如圖4所示.由圖4(a)可知：S越小，系統(tǒng)啟停時(shí)間越早，發(fā)生溫度隨時(shí)間的變化速率越快，受太陽輻射照度的影響則越大，且10:00-15:00的發(fā)生溫度越高.統(tǒng)計(jì)不同S值時(shí)，由發(fā)生溫度高出最佳發(fā)生溫度值的時(shí)長可知:S為0.03，0.02時(shí)的時(shí)長高出0.05，0.04，分別長達(dá)3h45min和4h.由圖4(b)可知：S為0.05，0.04時(shí)，制冷量的波動(dòng)幅度較大，大部分時(shí)段低于冷負(fù)荷，系統(tǒng)制冷量較少;S為0.03，0.02時(shí)，系統(tǒng)制冷量分別在11:30-15:45和11:00-15:15維持穩(wěn)定.由圖4(c)可知：S大于0.03時(shí)，隨著S減小，日總輸出制冷量(Q)急速地增加；當(dāng)S小于0.03 后，日總輸出制冷量略微地降低，但變化很小.由圖4(d)可知：S為0.03，0.02時(shí)，日平均COP分別為0.495，0.477.綜上可知：蒸發(fā)溫度為25 ℃時(shí)，S=0.03的系統(tǒng)運(yùn)行情況最佳.

(a) 發(fā)生溫度 (b) 制冷量

(c) 日總輸出制冷量 (d) COP圖4 系統(tǒng)性能參數(shù)變化規(guī)律 (θe=25 ℃)Fig.4 Variation of system performance parameter (θe=25 ℃)

典型日8：00-18：00，蒸發(fā)溫度為15 ℃時(shí)，發(fā)生溫度、制冷量及COP的變化情況，如圖5所示.由圖5(a)可知：發(fā)生溫度的變化趨勢與圖4(a)相似，不同的是S為0.02，0.01時(shí)，發(fā)生溫度高于最佳發(fā)生溫度的時(shí)間段明顯加長，分別出現(xiàn)在12：00-14：00和11：00-14：00.由圖5(b)可知：S為0.05，0.04，0.03時(shí)，制冷量變化幅度較大；S為0.02，0.01時(shí)，系統(tǒng)制冷穩(wěn)定時(shí)段分別為12：00-14：15和11：00-14：00.由圖5(c)可知：隨著S的減小，系統(tǒng)日總輸出制冷量迅速增加，S=0.02之后，系統(tǒng)日總輸出制冷量趨于穩(wěn)定.比較圖5(d)中S為0.02，0.01時(shí)的系統(tǒng)COP變化規(guī)律可知：在11：45之后，S=0.02時(shí)的系統(tǒng)COP均高于S=0.01時(shí)的值，即在系統(tǒng)運(yùn)行期間約3/4的時(shí)段內(nèi)，S=0.02時(shí)的COP較高.雖然S=0.02時(shí)的日總輸出冷量略低于S=0.01，但是，COP較大意味著熱利用效率高.因此，蒸發(fā)溫度為15 ℃時(shí)，S=0.02時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行情況最佳.

蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生溫度、制冷量及COP的變化情況，如圖6所示.由圖6(a)可知：S分別為0.050，0.040，0.030，逐時(shí)發(fā)生溫度均低于最佳發(fā)生溫度.由圖6(b)可知：S為0.050，0.040，0.030時(shí)，逐時(shí)制冷量的波動(dòng)較大，顯著小于S<0.02時(shí)的日總輸出制冷量，制冷情況比較差；當(dāng)S為0.020，0.015，0.010時(shí)，發(fā)生溫度高于最佳發(fā)生溫度時(shí)段分別為12:15-12:45，11:45-13:45，11:30-13:45.由此可知：S為0.015，0.010時(shí)的發(fā)生溫度高出最佳發(fā)生溫度的時(shí)段較長，S為0.015時(shí)更接近最佳發(fā)生溫度曲線.由圖6(b)可知：S為0.020，0.015，0.010時(shí)，系統(tǒng)在11:00-14:00的制冷量基本維持恒定.圖6(c)中：隨著S減小，日總輸出制冷量迅速升高，直至S=0.015時(shí)，日總輸出制冷量趨于穩(wěn)定.圖6(d) 中：在11：45之后，S=0.015時(shí)的系統(tǒng)COP均大于S=0.010時(shí)的逐時(shí)值，占總運(yùn)行時(shí)間的3/4.在總制冷量相近的情況下，COP較大意味著熱利用效率高.因此，在蒸發(fā)溫度為5 ℃情況下，S=0.015時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行情況最佳.

(a) 發(fā)生溫度 (b) 制冷量

(c) 日總輸出制冷量 (d) COP圖5 系統(tǒng)性能參數(shù)變化規(guī)律 (θe=15 ℃) Fig.5 Variation of system performance parameter (θe=15 ℃)

(a) 發(fā)生溫度 (b) 制冷量

(c) 日總輸出制冷量 (d) COP圖6 系統(tǒng)性能參數(shù)變化規(guī)律 (θe=5 ℃)Fig.6 Variation of system performance parameter (θe=5 ℃)

4 結(jié)論

1) 在太原市的夏季氣象條件下，以R141b型制冷劑為工質(zhì)的小型太陽能噴射制冷系統(tǒng)，當(dāng)蒸發(fā)溫度在5～25 ℃范圍內(nèi)時(shí),水箱體積與集熱面積比(S)的最佳設(shè)計(jì)范圍為0.015～0.030，且設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度越高，所需的S值越大.

2) 文中只針對(duì)典型日的氣象參數(shù)研究了水箱容積對(duì)噴射制冷的性能影響情況.由于各種天氣狀況(晴、陰、雨)下，太陽輻射強(qiáng)度具有差異，在實(shí)際設(shè)計(jì)中需適當(dāng)加大蓄熱水箱容積.

3) 噴射制冷系統(tǒng)性能最佳時(shí)的制冷量輸出與建筑的冷負(fù)荷需求不完全一致，所以制冷量大于冷負(fù)荷時(shí)，將多余的冷量采用蓄冷的方式儲(chǔ)存起來，作為系統(tǒng)制冷量不足時(shí)補(bǔ)充，更利于發(fā)揮噴射制冷系統(tǒng)的最佳性能.

4) 噴射制冷系統(tǒng)難以滿足建筑的全天制冷量需求，不足部分還需要以其他制冷方式作為補(bǔ)充.

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(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 劉源崗)

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.201703016

Analysis of Effect of Storage Tank on Solar Ejector Refrigeration System

GUO Yingpan1, LI Fenglei1, TIAN Qi1, BAI Huifeng2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;
2. Shanxi Sino-Green Environment Protection Group, Taiyuan 030032, China)

Systems of room and solar collector were simulated by the TRNSYS software in this paper. The curve of cooling load was drawn and the hourly variation of generation temperature, cooling capacity and coefficient of performance (COP) was simulated under different collector area and tank volume ratio (S), when design evaporation temperature was 5, 15， and 25 ℃ respectively. Result shows that the optimum value ofSvaries from 0.015 to 0.030 when R141b is chosen as the working fluid and evaporation temperature ranges from 5 to 25 ℃ in the summer of Taiyuan. And the value of S should be greater when the designed evaporation temperature is higher. Keywords：thermal collector and storage system; solar energy; ejector refrigeration; tank volume; cooling capacity; TRNSYS simulation

10.11830/ISSN.1000-5013.201703015

2016-02-18

李風(fēng)雷(1967-)，男，副教授，主要從事空調(diào)制冷和可再生能源利用技術(shù)的研究.E-mail:fengleili@126.com.

國家國際科技合作專項(xiàng)(2013DFA61580)； 山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140313006-6)； 山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2016-032)

TK 519

A

1000-5013(2017)03-0368-06