彭佳杰, 潘權(quán)穩(wěn), 葛天舒, 王如竹
(上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所, 上海 200240)
傳統(tǒng)化石燃料的大量消耗及其導(dǎo)致的環(huán)境污染成為人們高度關(guān)注的問(wèn)題[1],太陽(yáng)能具有分布廣泛[2]、清潔環(huán)保[3]和可利用總量大等優(yōu)點(diǎn),在社會(huì)的能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用.其中,太陽(yáng)能制冷是太陽(yáng)能利用的重要方面,具有季節(jié)匹配性強(qiáng)[2]、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[4-6].制冷方式一般分為吸收式和吸附式.吸收式一般以溴化鋰吸收式制冷為主[7],所需的熱源溫度通常在85 ℃以上,對(duì)太陽(yáng)能集熱器的要求較高,且有效運(yùn)行時(shí)間短[8].與吸收式相比,吸附式不存在蒸餾(氨-水)、腐蝕或結(jié)晶(溴化鋰-水)等問(wèn)題[9],同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)[10].吸附式一般以硅膠-水吸附式制冷為主,所需的驅(qū)動(dòng)熱源溫度通常為55~90 ℃[11],能很好地匹配目前常用的太陽(yáng)能平板和真空集熱器的制熱溫區(qū)[12].
目前,太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)的硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)均只輸出冷量,僅滿足建筑空調(diào)使用.上海交通大學(xué)研制了硅膠-水吸附式制冷機(jī)[13],并成功應(yīng)用于太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)[14].此外,大量學(xué)者致力于提升系統(tǒng)整體性能的研究,Sinha等[15]采用多壁碳納米管/石墨烯納米流體作為換熱流體以提高傳熱性能;Pan等[16]通過(guò)研究變循環(huán)時(shí)間的運(yùn)行策略,實(shí)現(xiàn)了變熱源條件下的最優(yōu)運(yùn)行;Jaiswal等研究了循環(huán)時(shí)間和集熱面積[17]以及不同氣候條件[18]對(duì)系統(tǒng)性能的影響;Sah等[19]總結(jié)了影響系統(tǒng)性能的多種因素;Deshmukh等[20]針對(duì)吸附床結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了改善.
太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)的吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在蒸發(fā)器側(cè)輸出冷量的同時(shí),可以在吸附床和冷凝器側(cè)分別利用吸附熱和冷凝熱實(shí)現(xiàn)熱量輸出,可減少因熱量耗散帶來(lái)的能量消耗,增大熱量輸出并減少熱量的品位損失.本文對(duì)太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)的硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,探討其運(yùn)行性能及性能影響因素.
用于住宅冷熱聯(lián)供的吸附系統(tǒng)如圖1所示,屋頂為太陽(yáng)能集熱器,用于收集太陽(yáng)能熱,加熱水箱中的水.本文研究的冷風(fēng)機(jī)組是該系統(tǒng)的核心:高溫?zé)嵩创偈怪评鋭┱舭l(fā),為室內(nèi)空調(diào)提供冷量;冷卻水通過(guò)吸收吸附熱和冷凝潛熱提升自身溫度,為日常生活提供熱需求.冷風(fēng)機(jī)組利用熱管原理實(shí)現(xiàn)機(jī)組的緊湊化,與冷水機(jī)組相比,可以更為高效地利用太陽(yáng)能[21].
圖1 用于住宅的吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of an adsorption cooling and hea-ting cogeneration system for residential buildings
硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的外觀如圖2所示.2個(gè)吸附床、1個(gè)蒸發(fā)器和1個(gè)冷凝器都安裝在殼體內(nèi)部,閥門等部件安裝在殼體外部.抽真空口與真空泵相連,為機(jī)組內(nèi)部創(chuàng)造真空環(huán)境,可以防止空氣中不凝結(jié)氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.機(jī)組控制柜可以對(duì)閥門進(jìn)行程序控制,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行,同時(shí)可以檢測(cè)外界熱水、冷卻水和冷風(fēng)的溫度情況,方便操作人員對(duì)機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.
圖2 吸附式冷熱聯(lián)供機(jī)組外觀圖Fig.2 Appearance of an adsorption cooling and heating cogeneration cooler
硅膠-水吸附式冷風(fēng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,冷風(fēng)機(jī)共有2條水回路(驅(qū)動(dòng)熱水、冷卻水回路)和1條冷風(fēng)回路.機(jī)組共有8個(gè)閥門,其中4個(gè)三通閥(V1~V4)用于不同水回路之間的切換,4個(gè)兩通閥(V5~V8)用于吸附床和蒸發(fā)器、冷凝器的連接切換.1個(gè)完整的工作循環(huán)包括2個(gè)制冷過(guò)程和2個(gè)預(yù)熱預(yù)冷過(guò)程.
圖3 吸附式冷熱聯(lián)供機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of an adsorption cooling and heating cogeneration cooler
(1) 制冷過(guò)程1(吸附床A1解吸,吸附床A2吸附,閥門V5和V7關(guān)閉):熱水通過(guò)V4進(jìn)入A1,使A1溫度上升至發(fā)生解吸反應(yīng),制冷劑氣體從A1中釋放出來(lái),并通過(guò)V6進(jìn)入冷凝器C遇冷冷凝.冷卻水通過(guò)V1經(jīng)C進(jìn)入A2,使A2溫度降低至發(fā)生吸附反應(yīng),冷卻水自身溫度則不斷升高.打開(kāi)V8,在壓力差的作用下蒸發(fā)器E內(nèi)的制冷劑液體不斷蒸發(fā)并產(chǎn)生冷量.風(fēng)機(jī)將空氣送入機(jī)組,利用熱管帶走E的冷量實(shí)現(xiàn)降溫,排出冷風(fēng).
(2) 預(yù)熱預(yù)冷過(guò)程1(兩通閥均關(guān)閉):驅(qū)動(dòng)熱水通過(guò)V4進(jìn)入A2,使A2溫度上升至解吸溫度;冷卻水通過(guò)V1經(jīng)C進(jìn)入A1,使其溫度降低至吸附溫度.為下一個(gè)解吸、吸附過(guò)程做準(zhǔn)備.
(3) 制冷過(guò)程2(吸附床A1吸附,吸附床A2解吸,閥門V6和V8關(guān)閉):閥門開(kāi)閉情況與制冷過(guò)程1中的相反,此時(shí)A1處于吸附狀態(tài),A2處于解吸狀態(tài).
(4) 預(yù)熱預(yù)冷過(guò)程2(兩通閥均關(guān)閉):熱水通過(guò)V4進(jìn)入A1,使其溫度上升至解吸溫度;冷卻水通過(guò)V1經(jīng)C進(jìn)入A2,使其溫度降低至吸附溫度.為下一個(gè)解吸、吸附過(guò)程做準(zhǔn)備.
整個(gè)機(jī)組的閥門均采用電動(dòng)閥門,通過(guò)控制箱內(nèi)的可編程邏輯控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)硅膠與水的吸附、解吸的交替控制和系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行.測(cè)試系統(tǒng)由1臺(tái)硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供機(jī)組、1個(gè)常壓熱水鍋爐、1臺(tái)冷卻塔、1臺(tái)熱線式風(fēng)速儀、2臺(tái)溫濕度記錄儀和2臺(tái)電磁流量計(jì)組成.整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)共有3條回路,其中驅(qū)動(dòng)熱水、冷卻水回路為封閉式回路,冷風(fēng)回路為封閉式回路(將冷風(fēng)回路與環(huán)境視為一體).測(cè)試過(guò)程中,利用電加熱的方式模擬太陽(yáng)能熱加熱鍋爐中的水,將熱水作為高溫?zé)嵩?在水泵驅(qū)動(dòng)作用下,驅(qū)動(dòng)熱水從鍋爐流進(jìn)吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng),最終流回至鍋爐.冷卻水經(jīng)冷卻塔噴淋降溫后流入吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng),在為吸附床降溫的同時(shí)吸收吸附熱,自身溫度不斷提高,最終流回冷卻塔.冷風(fēng)在環(huán)境與吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)之間構(gòu)成循環(huán),其經(jīng)過(guò)熱管帶走蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量,并將冷量通過(guò)送風(fēng)機(jī)輸送到環(huán)境中.
測(cè)試系統(tǒng)的4個(gè)溫度傳感器分別安裝在驅(qū)動(dòng)熱水和冷卻水的進(jìn)、出口處,溫度傳感器采用A級(jí)Pt100型溫度傳感器,精度為0.15 ℃.電磁流量計(jì)安裝在泵的出口處,其中用于測(cè)量冷卻水流量的規(guī)格為ZK-LDE-25-PO-4,精度為0.5%;用于測(cè)量驅(qū)動(dòng)熱水流量的規(guī)格為ICF300F,精度為-15%~10%.冷風(fēng)進(jìn)出口的溫度、濕度采用TH22R-EX型溫濕度記錄儀測(cè)量,測(cè)量精度分別為 ±0.1 ℃、±1.5% 相對(duì)濕度.風(fēng)速采用AR866型熱線式風(fēng)速儀測(cè)量,精度為±3%±0.1 dgt.數(shù)據(jù)的收集采用威綸通HMI觸摸屏,編程軟件為EB8000,采集時(shí)間間隔為4 s.
制冷量(φc)的計(jì)算采用空氣焓差法原理[22],性能系數(shù)(COP)的計(jì)算分為制冷性能系數(shù)(COPC)[23]和綜合性能系數(shù)(COPT):
(5)
式中:φh和φco分別為消耗的驅(qū)動(dòng)熱水能量和冷卻水獲得的能量;qm_air為空氣進(jìn)口處的質(zhì)量流量;Hin和Hout分別為干空氣進(jìn)、出口處的焓值;din和dout分別為空氣進(jìn)、出口處的含濕量;ΔH為水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的汽化潛熱;i為數(shù)據(jù)采集儀的掃描編號(hào);n為若干個(gè)循環(huán)周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集的總次數(shù);ch和qm_h分別為驅(qū)動(dòng)熱水的比熱容和質(zhì)量流量;Thw_in和Thw_out分別為驅(qū)動(dòng)熱水的進(jìn)、出口溫度;cco和qm_co分別為冷卻水的比熱容和質(zhì)量流量;Tcw_in和Tcw_out分別為冷卻水的進(jìn)、出口溫度.
硅膠-水吸附式冷風(fēng)機(jī)在運(yùn)行期間各換熱流體進(jìn)出口狀態(tài)隨時(shí)間(t)的變化如圖4和5所示,圖5中:RHcha_in和RHcha_out分別為冷風(fēng)進(jìn)、出口處的相對(duì)濕度;Tcha_in和Tcha_out分別為冷風(fēng)進(jìn)、出口處的溫度.
圖4 驅(qū)動(dòng)熱水和冷卻水進(jìn)出口狀態(tài)變化Fig.4 Variation of driving hot water and cooling water inlet and outlet
圖5 冷風(fēng)進(jìn)出口狀態(tài)變化Fig.5 Variation of cold air inlet and outlet
圖中不同換熱流體的進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化具有較為一致的周期性規(guī)律,這些周期性變化體現(xiàn)了吸附式冷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性及對(duì)外界冷熱源產(chǎn)生的影響.
(1) 運(yùn)行特性.在1個(gè)制冷過(guò)程開(kāi)始時(shí),驅(qū)動(dòng)熱水出口溫度在短時(shí)間內(nèi)明顯下降,當(dāng)降至45 ℃左右時(shí),溫度出現(xiàn)反彈,不斷縮小與熱水進(jìn)口溫度的溫差.這是由于在初始階段解吸床的溫度比較低,會(huì)不斷帶走熱水的熱量;隨著制冷過(guò)程的不斷深入,解吸反應(yīng)逐漸減弱,所需的熱量減少,導(dǎo)致熱水進(jìn)出口溫差縮小.冷卻水的溫度曲線有類似的變化規(guī)律:在1個(gè)制冷過(guò)程開(kāi)始時(shí),冷卻水的溫度快速上升,升高至70 ℃附近出現(xiàn)回落,最后冷卻水的溫度與進(jìn)口溫度的溫差不斷縮小.這是因?yàn)殡S著制冷過(guò)程的進(jìn)行,吸附反應(yīng)逐漸減弱,所需的熱量不斷減少,導(dǎo)致冷卻水進(jìn)出口的溫差縮小.
(2) 系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)外界冷熱源的影響.在1個(gè)循環(huán)周期內(nèi),驅(qū)動(dòng)熱水的進(jìn)口溫度變化較大:在制冷過(guò)程前期,熱水進(jìn)口溫度較為平穩(wěn),約為85 ℃;當(dāng)制冷過(guò)程即將結(jié)束時(shí),熱水進(jìn)口溫度降至約60 ℃,然后迅速回升至約85 ℃.這是因?yàn)殄仩t本身的熱容可維持前期熱水進(jìn)口溫度的平穩(wěn);然后,驅(qū)動(dòng)熱水隨閥門切換進(jìn)入另一個(gè)吸附床,此時(shí)耗熱量巨大,驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)口溫度明顯下降;最后,熱水逐漸帶走吸附床的熱量,進(jìn)口溫度迅速恢復(fù)至約85 ℃.冷卻水和冷風(fēng)的進(jìn)口溫度幾乎保持不變,前者得益于冷卻塔的高精度控制,后者得益于外部環(huán)境的溫度變化小.冷風(fēng)出口處的相對(duì)濕度波動(dòng)范圍較小,而冷風(fēng)進(jìn)口處的相對(duì)濕度在較小時(shí)間范圍內(nèi)有一定的波動(dòng),可能原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)試季節(jié)為夏季,測(cè)試環(huán)境為車間內(nèi)部,環(huán)境空氣的相對(duì)濕度不夠穩(wěn)定,車間內(nèi)的人員活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致冷風(fēng)進(jìn)口處相對(duì)濕度的變化.整體而言,冷風(fēng)進(jìn)、出口相對(duì)濕度的波動(dòng)范圍分別在5.5%、3.1%以內(nèi).
經(jīng)過(guò)計(jì)算,在驅(qū)動(dòng)熱水、冷卻水的進(jìn)口平均溫度為85.1 ℃、29.9 ℃,冷風(fēng)進(jìn)口平均溫度為29.5 ℃的情況下,制冷機(jī)可以產(chǎn)生22.4 ℃的冷風(fēng),符合我國(guó)室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的夏季空調(diào)的溫度要求(22~28 ℃)[24].同時(shí),冷卻水出口平均溫度高達(dá)40.1 ℃,可滿足生活用水的需求.
硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在不同驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)口溫度工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.在冷卻水溫度基本相同的情況下,隨著驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)口溫度的升高(從62.1 ℃升至85.1 ℃),系統(tǒng)的φc從0.95 kW增至2.53 kW,增幅166%;COPC從0.24增至0.40,增幅67%;COPT從1.48增至1.86,增幅26%.當(dāng)溫度從75 ℃升至80 ℃時(shí),系統(tǒng)的φc、COPC和COPT均有較大的增加,這表明熱水進(jìn)口溫度達(dá)到80 ℃時(shí)基本能夠完全釋放硅膠-水工質(zhì)對(duì)的制冷能力.此后繼續(xù)升高溫度,系統(tǒng)的COPC和COPT變化不大,且維持在一個(gè)較大值,這表明保持熱水進(jìn)口溫度80℃以上可以使機(jī)組獲得較好的運(yùn)行效果.
圖6 系統(tǒng)性能隨熱水進(jìn)口溫度的變化Fig.6 System performance versus different hot water inlet temperatures
硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在不同冷卻水進(jìn)口溫度工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.在熱水進(jìn)口溫度基本相同的情況下,隨著冷卻水進(jìn)口溫度的升高(從28.4 ℃升至31.9 ℃),系統(tǒng)的φc從2.76 kW降至1.64 kW,降幅68%;COPC從0.46降至0.33,降幅39%;COPT從1.91降至1.78,降幅7%.整體而言,性能曲線隨著冷卻水進(jìn)口溫度的變化呈近似線性的下降趨勢(shì),這是因?yàn)殡S著冷卻水溫度的降低,硅膠的吸附能力提升,可以吸附更多的制冷劑氣體,從而運(yùn)行效果更佳.
圖7 系統(tǒng)性能隨冷卻水進(jìn)口溫度的變化Fig.7 System performance versus different cooling water inlet temperatures
硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在不同冷風(fēng)出口溫度工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.隨著冷風(fēng)出口溫度的降低(從27.9 ℃降至22.6 ℃),系統(tǒng)性能下降.φc從2.57 kW降至1.37 kW,降幅47%.COPC從0.43降至0.22,降幅49%;而COPT的變化很小,從2.04降至1.94,降幅5%.當(dāng)冷風(fēng)出口溫度高于25 ℃時(shí),COPT增速減緩,這是因?yàn)橹挥挟?dāng)環(huán)境溫度降低時(shí),機(jī)組的運(yùn)行效果才會(huì)有明顯的下降趨勢(shì);而當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),機(jī)組降溫效果雖明顯但是下降趨勢(shì)不大.
圖8 系統(tǒng)性能隨冷風(fēng)出口溫度的變化Fig.8 System performance versus different cold air outlet temperatures
通過(guò)對(duì)比可以看出,實(shí)驗(yàn)符合逆卡諾循環(huán):熱水進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)φc的影響更加顯著,而冷卻水進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)COP的影響更顯著.為了使機(jī)組高效地運(yùn)行,在滿足實(shí)際工況要求的條件下,應(yīng)該盡量提高驅(qū)動(dòng)熱水的進(jìn)口溫度,同時(shí)降低冷卻水的進(jìn)口溫度.
硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的性能隨著制冷工作過(guò)程時(shí)間(t′)的變化如圖9所示.隨著t′的增加,系統(tǒng)的φc和COPC先增大后小幅下降,COPT變化幅度較小.φc的最大值出現(xiàn)在750 s附近:當(dāng)小于750 s時(shí),制冷過(guò)程中的吸附反應(yīng)發(fā)展得不夠充分,因而φc相對(duì)較低,而此時(shí)φh較大,導(dǎo)致COPC較低;當(dāng)大于750 s時(shí),吸附反應(yīng)趨于完全,φc變化不大,而φh增大,因而COPC出現(xiàn)小幅下降.
圖9 系統(tǒng)性能隨制冷時(shí)間的變化Fig.9 System performance versus different cooling times
硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的性能隨著熱水體積流量(qV_h)的變化如圖10所示.隨著qV_h的增加(從0.7 m3/h增至1.3 m3/h),系統(tǒng)的φc從1.84 kW增至2.19 kW,增幅19%;COPC從0.28增至0.40,增幅43%;COPT從1.56增至1.75,增幅12%.結(jié)果表明,適當(dāng)提高熱水的流量可以提高系統(tǒng)的性能,結(jié)果與文獻(xiàn)[25]相符.
圖10 系統(tǒng)性能隨熱水流量的變化Fig.10 System performance versus different hot water fluxes
以房屋面積為100 m2的三口之家為例,通常情況下空調(diào)的冷量需求約為15.0 kW,日常生活用熱水量需求為200 L.吸附式冷風(fēng)機(jī)在家庭中使用的經(jīng)濟(jì)性價(jià)值為
(6)
Whe=chVρΔT
(7)
式中:We為空調(diào)消耗的電能;Qc為冷量需求;t*為空調(diào)使用時(shí)間;COPC取均值3;Whe為加熱熱水所消耗的電能;V為熱水體積;ρ為水的密度;ΔT為溫差,取10 ℃.
以全天8 h運(yùn)行為例,使用太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)的吸附式冷風(fēng)機(jī)可以節(jié)省空調(diào)用電量40.0 kWh,加熱熱水用電量2.3 kWh,共可節(jié)省電量42.3 kWh,相當(dāng)于減少33.0 kg CO2的排放,具有優(yōu)異的節(jié)能環(huán)保效益.
本文介紹了硅膠-水冷風(fēng)機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)與工作原理,針對(duì)62~85 ℃的熱水工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論:
(1) 硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)可以利用平均溫度為85.1 ℃的熱水產(chǎn)出22.4 ℃的冷風(fēng),符合我國(guó)室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于夏季空調(diào)的溫度要求(22~28 ℃).同時(shí),機(jī)組產(chǎn)生的冷卻水平均溫度為40.1 ℃,滿足日常生活用水需求.
(2) 系統(tǒng)的φc和COP隨著熱水進(jìn)口溫度、冷風(fēng)出口溫度的升高和冷卻水進(jìn)口溫度的降低而增大.為了達(dá)到更好的降溫效果并滿足生活用水需求,應(yīng)適當(dāng)提高熱水的進(jìn)口溫度同時(shí)降低冷卻水的進(jìn)口溫度.
(3) 機(jī)組的最佳制冷時(shí)間為750 s,處于最佳制冷時(shí)間下運(yùn)行的系統(tǒng)能夠提供更多冷量,具有更好的制冷效果.
(4) 適度增加熱水流量可以提高機(jī)組的φc和COP,使得機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)最佳.
(5) 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在一家一戶的家庭中具有廣闊的應(yīng)用前景,機(jī)組的推廣與使用將會(huì)減少大量CO2的排放.