張小曼 沈沁 朱詩君

摘 要：針對三個沿海地區(qū)，選取同一別墅作為模擬研究對象，建立了全玻璃真空管集熱器的太陽能吸收式制冷與低溫雙效海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB語言編制程序進(jìn)行求解，并進(jìn)行了性能分析。結(jié)果表明：上海地區(qū)冷負(fù)荷最大，所需集熱器的面積最大，設(shè)置的水箱容積也最大，深圳其次，大連最小；一天中， 8時前水箱水溫只發(fā)生微降，8時后先隨時間迅速升溫然后再降低，14時刻達(dá)到最大值；產(chǎn)水速率在一天中隨時間先變小后增大再變小，5時最小，16時最大。

關(guān)鍵詞：真空管集熱；太陽能吸收式制冷；海水淡化

太陽能吸收式制冷作為一種無需常規(guī)能源驅(qū)動、對環(huán)境無污染的綠色環(huán)保型技術(shù)，研究開發(fā)力量越來越強(qiáng)。但太陽能吸收式制冷系統(tǒng)仍然有大量冷凝熱直接排入環(huán)境，造成能源浪費(fèi)，因此冷凝熱回收技術(shù)已受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，制冷與海水淡化聯(lián)合裝置，作為一門交叉研究領(lǐng)域，已開始被注意，但是研究報道并不多[1-4]。本文提出了一種真空管集熱的太陽能吸收式制冷與低溫多效海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)，并闡述了該聯(lián)合系統(tǒng)的工作過程，該聯(lián)合系統(tǒng)通過回收冷凝熱，可同時實現(xiàn)制冷和生產(chǎn)淡水兩種功能，極大的提高了能源利用率。

1.聯(lián)合系統(tǒng)物理模型

如圖1所示：真空管集熱器收集輻射熱加熱循環(huán)工質(zhì)水，進(jìn)入儲熱水箱放出熱量后再流回集熱器；儲熱水箱的熱水作為吸收式制冷機(jī)驅(qū)動熱源達(dá)到發(fā)生器，在發(fā)生器放出熱量后溫度降低流回儲熱水箱；由于太陽輻射的間歇性，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，制冷機(jī)驅(qū)動熱水進(jìn)水溫度設(shè)置為95℃，如果熱水溫度高于設(shè)計值，則開啟冷卻器將水溫降至設(shè)計值，如果熱水溫度低于設(shè)計值95℃，則開啟輔助熱源將水溫升至設(shè)計值。發(fā)生器中的吸收劑稀溶液吸收驅(qū)動熱水的熱量后，在發(fā)生器中放出冷劑蒸汽，作為加熱蒸汽引入海水淡化裝置的第一效蒸發(fā)器，并在其中與供給海水換熱；供給海水在海水淡化裝置中經(jīng)雙效蒸發(fā)成為淡水（海水淡化裝置工作原理見文獻(xiàn)[5]）；加熱蒸汽在海水淡化裝置凝結(jié)放熱后，變成凝結(jié)水，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流流至蒸發(fā)器；吸收器中吸收劑稀溶液經(jīng)過溶液泵升壓之后進(jìn)入溶液熱交換器，在其中吸收來自發(fā)生器中吸收劑濃溶液的熱量，進(jìn)入發(fā)生器；蒸發(fā)器內(nèi)設(shè)置有冷凍水管路，吸收器內(nèi)設(shè)置有冷卻海水管路。

2.聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

吸收式制冷熱力計算數(shù)學(xué)模型、海水淡化熱力計算數(shù)學(xué)模型采用文獻(xiàn)[5]的算法，現(xiàn)只介紹集熱器和儲熱水箱數(shù)學(xué)模型：

（1）單位集熱面積有效集熱量：

（1）

式中FR為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子；UL為集熱器熱損失系數(shù)，w/（m2*℃）；Ieff為集熱管單位時間單位面積吸收的熱量[6]，w/m2；Tf為為集熱器流體進(jìn)出口平均溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃。

（2）集熱器面積

（2）

式中QE（t）為空調(diào)某時刻t的逐時冷負(fù)荷，kJ/h；Qd為太陽能集熱器日總有效集熱量，J/（m2*d）； 為制冷系統(tǒng)性能系數(shù)。

（3）儲熱水箱

采用水作為儲熱介質(zhì)，儲熱水箱容量根據(jù)集熱器的面積確定[8]，取80L/m2。水箱能量平衡方程式為：

（3）

式中，t為時刻，h；Ts為水箱內(nèi)熱水在的溫度，℃；（MCp）s為水箱內(nèi)水的質(zhì)量與其定壓比熱之積，J/℃；Qs為集熱器收集到的并儲存在儲熱水箱中的熱量，J/（ m2*h）；Mg為進(jìn)入發(fā)生器的熱水流量，kg/s；Tsz為進(jìn)入發(fā)生器的設(shè)置熱水溫度，℃； （UF）s為水箱熱損失系數(shù)與水箱表面積乘積，W/℃；Tw為水箱壁面溫度，℃。

3.數(shù)學(xué)模型求解

利用MATLAB語言編制了程序?qū)β?lián)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解，其中溴化鋰吸收式制冷模塊程序、低溫多效海水淡化模塊程序以及真空管集熱器模塊程序見文獻(xiàn)[5-6]的，聯(lián)合系統(tǒng)主程序見圖2。

4.結(jié)論與分析

本文以大連、上海、深圳三個沿海城市為例，選取一棟空調(diào)面積為170m2、坐北朝南的兩層別墅建筑作為模擬研究對象。采用文獻(xiàn)[7]的方法計算這棟別墅建筑的夏季設(shè)計日逐時空調(diào)冷負(fù)荷，并計算得到了三個城市所需集熱器面積和儲熱水箱容積，結(jié)果如表1和圖3所示。由圖3可知：三地夏季冷負(fù)荷最大時刻都在16時，而圖4顯示了三地區(qū)每小時有效集熱量都在12時；還可知上海地區(qū)冷負(fù)荷最大，集熱器收集的有效集熱量最大，所需集熱器的面積最大，設(shè)置的水箱容積也最大，深圳其次，大連最小。

發(fā)生微降，8點后，水箱水溫先隨時間迅速升溫然后再降低，14時刻達(dá)到最大值，15點后，水箱水溫下降迅速；比較這三個地區(qū)，水箱水溫相差不明顯。引起上述變化的原因如下：

（1）在0到8時刻，由于沒有太陽輻射，水溫低于吸收式制冷機(jī)熱水進(jìn)水溫度設(shè)計值95℃，系統(tǒng)開啟了輔助熱源，只對進(jìn)入發(fā)生器的熱水進(jìn)行加熱，故水溫只發(fā)生微降。

（2）8點后，由于集熱器吸收了太陽輻射，水箱水溫先隨著集熱量的逐漸增大而迅速升高，后隨著集熱量減小而降低。當(dāng)水溫高于吸收式制冷機(jī)熱水進(jìn)水溫度設(shè)計值95℃，系統(tǒng)開啟了冷卻系統(tǒng)，只對進(jìn)入發(fā)生器的熱水進(jìn)行冷卻，故水箱中的水溫上升得快。

（3）15點后，由于沒有太陽輻射，水箱水溫由于需要繼續(xù)提供更大的逐時冷負(fù)荷，所以下降迅速。

（4）三地區(qū)的水箱容積是根據(jù)集熱面積進(jìn)行匹配，集熱量大，水箱容積也大，故水箱水溫相差不明顯。

圖6給出了產(chǎn)水速率隨時間變化情況，由圖6可知：在一天中，產(chǎn)水速率隨時間先變小后增大再變小，5時最小，16時最大。比較三地區(qū)，上海地區(qū)的系統(tǒng)產(chǎn)水速率最大，深圳其次，大連最小。引起上述變化的原因如下：

（1）冷凝熱回收量隨冷負(fù)荷的變化成正比，5時冷負(fù)荷最小，需要的驅(qū)動熱源就少，故產(chǎn)水速率慢，16時冷負(fù)荷最大，需要的驅(qū)動熱源就大，故產(chǎn)水速率快

（2）上海地區(qū)的冷負(fù)荷最大，深圳其次，大連最小，因此上海地區(qū)的產(chǎn)水速率最大，深圳其次，大連最小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李輝群，空調(diào)-海水淡化復(fù)合裝置研究[D].西北工業(yè)大學(xué)碩士論文，2003.

[2] 沈超. 溴化鋰吸收式制冷機(jī)與海水淡化聯(lián)合運(yùn)行裝置[J]. 西北工業(yè)大學(xué)，2005，34（5）：39-41

[3] 胡松濤，熱泵空調(diào)與海水淡化系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方式探討[J].暖通空調(diào)，2006，，36（4）：30-33

[4] 李冰瑜，分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)和海水淡化耦合系統(tǒng)研究[D]，中國科學(xué)院研究生院碩士論文，2007年5月.

[5] 張小曼.熱水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化研究[D].大連理工大學(xué)，2008，24-27.

[6] 陳文博.真空管集熱的太陽能海水淡化系統(tǒng)性能研究[D].大連理工大學(xué)，2011，21-30.

[7] 曾海平.夏熱冬冷地區(qū)太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的模擬研究[D].武漢科技大學(xué)，2011，20-28.

[8] 顧曉燕.太陽能制冷及供暖綜合系統(tǒng)研究[D].南京理工大學(xué)，2005，23.

作者簡介：

張小曼（1983—），女，熱能工程專業(yè)碩士，主要從事制冷空調(diào)與海水淡化研究.

湖南省教育廳科研項目，《沿海地區(qū)太陽能驅(qū)動的吸收式空調(diào)與海水淡化耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬研究》，16C1043.