徐一飛, 房 躍, 白靜國, 于祖龍

(1.天津市貳拾壹站檢測技術(shù)有限公司, 天津 300381; 2.北京建筑材料檢驗(yàn)研究院股份有限公司, 北京 100041)

公共建筑由于具有人流密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),其空調(diào)系統(tǒng)能耗較常規(guī)建筑高。2022年全國公共建筑面積約為152億 m2,公共建筑總能耗3.42億 tce,公共建筑能耗成為我國建筑能耗的主導(dǎo)部分[1]。在“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下,探索太陽能等清潔能源替代常規(guī)能源對建筑行業(yè)節(jié)能減排具有重要意義。

太陽能吸收式制冷技術(shù)以太陽能為驅(qū)動(dòng)熱源,其為建筑提供的制冷能力與太陽能輻射照度在時(shí)間上具有較好的時(shí)間同步性。但同時(shí)太陽能具有間歇性及強(qiáng)弱不定性特征,其在夜間和陰雨天氣時(shí)將無法為吸收制冷系統(tǒng)提供足夠的熱量或所提供的驅(qū)動(dòng)熱源溫度不夠。常規(guī)吸收制冷系統(tǒng)存在“臨界熱源溫度”限制,即當(dāng)熱太陽能熱水溫度低于吸收制冷系統(tǒng)臨界溫度時(shí),存在發(fā)生蒸汽無法冷凝或吸收器無法吸收問題,導(dǎo)致吸收制冷系統(tǒng)無法正常運(yùn)行[2-5]。國內(nèi)外的太陽能吸收制冷系統(tǒng),大多采用平板集熱器,其獲得的熱源溫度一般在40～85 ℃,此溫度范圍對于單級(jí)吸收式制冷系統(tǒng)而言熱源度偏低,系統(tǒng)性能系數(shù)(coefficient of performance,COP)較低,且太陽能熱水的可利用溫差小,一般僅有6～8 ℃[6-10]。吸收制冷對驅(qū)動(dòng)熱源的質(zhì)和量的強(qiáng)依賴性特點(diǎn),嚴(yán)重限制了太陽能制冷技術(shù)的應(yīng)用推廣。

本文提出了氨水吸收壓縮式太陽能制冷系統(tǒng)方案,通過對制冷劑的壓縮彌補(bǔ)其在公共建筑供冷時(shí)存在的系統(tǒng)供冷不穩(wěn)定、系統(tǒng)循環(huán)效率低、供熱溫度低導(dǎo)致的系統(tǒng)無法正常驅(qū)動(dòng)運(yùn)行等問題。相關(guān)結(jié)論可為太陽能吸收制冷技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用推廣提供參考。

1 氨水吸收壓縮式太陽能制冷系統(tǒng)

氨水吸收壓縮式太陽能制冷系統(tǒng)由太陽能集熱器、蓄熱水箱、發(fā)生器(含精餾器)、回?zé)崞?、吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥、溶液泵、截止閥及壓縮機(jī)組成(圖1)。系統(tǒng)工質(zhì)對采用氨-水,其中水為吸收劑,氨為制冷劑,氨與水均為環(huán)保型工質(zhì),其臭氧耗減潛能值(ozone depletion potential,ODP)及全球變暖潛能值(global warming potential,GWP)均為零。與水-LiBr(溴化鋰)工質(zhì)對相比,氨-水具有廉價(jià)易得,對金屬材質(zhì)無腐蝕、變溫不易結(jié)晶、可制0 ℃以下低溫等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 氨水吸收壓縮太陽能制冷系統(tǒng)原理

如表1所示,系統(tǒng)具備四種運(yùn)行模式,即吸收制冷、機(jī)械壓縮制冷、吸收壓縮并聯(lián)制冷、吸收壓縮串聯(lián)制冷。

表1 氨水吸收壓縮太陽能制冷系統(tǒng)運(yùn)行模式

1)吸收制冷模式:適用于太陽能熱量充足,且熱水溫度高于85 ℃時(shí),此時(shí)公共建筑供冷全部由太陽能吸收制冷系統(tǒng)所承擔(dān)。通過太陽能高溫?zé)崴?qū)動(dòng)吸收制冷發(fā)生器運(yùn)行,氨水溶液被加熱后解析出高壓氨氣及少量水蒸氣,經(jīng)精餾提純后獲得純度>99.8%的氨氣,氨氣在冷凝器中通過冷卻水凝結(jié)為高壓液氨,液氨經(jīng)節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器,對公共建筑空調(diào)水進(jìn)行冷卻降溫,液氨吸熱氣化為低壓氨氣,之后進(jìn)入吸收器被來自發(fā)生器的稀氨水溶液吸收,吸收放熱由冷卻水排出,吸收完成的濃氨水再次返回發(fā)生器。為了提高系統(tǒng)熱量利用效率,發(fā)生器排出的高溫稀氨水與吸收器排出的低溫濃氨水通過回?zé)崞鬟M(jìn)行熱量交換。

2)機(jī)械壓縮制冷模式:適用于夜間、連續(xù)陰雨天氣等太陽能系統(tǒng)無法提供驅(qū)動(dòng)熱源時(shí)采用。此時(shí)公共建筑的冷負(fù)荷全部由機(jī)械壓縮制冷所承擔(dān)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)純氨工質(zhì)在蒸發(fā)器、節(jié)流閥、冷凝器、壓縮機(jī)組成的回路內(nèi)循環(huán)。系統(tǒng)運(yùn)行原理與常規(guī)氟利昂制冷類似,此處不再贅述。

3)吸收壓縮并聯(lián)制冷模式:適用于太陽能供水溫度高于85 ℃,但供熱量不足時(shí),如受制占地面積等因素影響集熱器配置偏少等情況。此時(shí)公共建筑的冷負(fù)荷一部分由太陽能吸收制冷承擔(dān),其余由機(jī)械壓縮制冷進(jìn)行補(bǔ)充。

4)吸收壓縮串聯(lián)制冷模式:適用于太陽能供水溫度低于吸收制冷系統(tǒng)臨界熱源溫度時(shí)。為了保證吸收制冷系統(tǒng)在低熱源條件下正常運(yùn)行,通過對蒸發(fā)器出口的低壓氨氣進(jìn)行增壓,改變氨-水的溫度、濃度及壓力三者間的熱力學(xué)平衡,保證增壓后的氨氣在中壓吸收器內(nèi)順利吸收。

2 氨水吸收壓縮太陽能制冷典型工況的系統(tǒng)參數(shù)

以天津市某公共建筑為例進(jìn)行分析,該建筑的空調(diào)面積約1萬 m2,空調(diào)單位面積熱負(fù)荷取100 W/m2· ℃,建筑總制冷負(fù)荷為1 000 kW。太陽能采用平板集熱器,最大供熱溫度約為85 ℃?？照{(diào)供回水溫度為7 ℃/12 ℃。

氨水吸收壓縮太陽能制冷四種典型運(yùn)行工況,滿負(fù)荷供冷條件下的系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。其中,吸收壓縮并聯(lián)制冷運(yùn)行時(shí),制冷負(fù)荷承擔(dān)比例按1:1計(jì)。

系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)計(jì)算公式如下:

(1)

式中:Qe為制冷量(kW);Qg為太陽能系統(tǒng)為發(fā)生器提供的加熱量(kW);W為系統(tǒng)的總耗電量,具體包括壓縮機(jī)及泵(kW)。

系統(tǒng)循環(huán)倍率(FR),表征了發(fā)生器每產(chǎn)生1 kg冷劑氨蒸氣所需要的氨水濃溶液的循環(huán)量。循環(huán)倍率與系統(tǒng)換熱面積密切相關(guān),一般追求盡可能低的循環(huán)倍率。

(2)

式中:ξa為發(fā)生器進(jìn)口濃氨水質(zhì)量濃度(%);ξg為發(fā)生器出口稀氨水質(zhì)量濃度(%)。

3 氨水吸收壓縮太陽能制冷系統(tǒng)性能對比與分析

3.1 能源消耗量

吸收制冷、機(jī)械壓縮制冷、吸收壓縮并聯(lián)制冷、吸收壓縮串聯(lián)制冷系統(tǒng)的能源消耗情況如圖2所示。由圖2可知,吸收制冷系統(tǒng)的冷卻水及太陽能熱水消耗量最大,耗電量最小。機(jī)械壓縮制冷因采用逆卡諾循環(huán)運(yùn)行,全部以電力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行,其耗電量最大。吸收壓縮并聯(lián)制冷的冷卻水耗量及熱水耗量小于吸收制冷,耗電量小于機(jī)械壓縮制冷。

吸收壓縮串聯(lián)制冷的冷卻水耗量較吸收制冷略低,但其太陽能熱水耗量遠(yuǎn)低于吸收制冷,僅為后

表2 氨水吸收壓縮太陽能的系統(tǒng)參數(shù)

者的10.8%,這主要是因?yàn)槲諌嚎s串聯(lián)制冷時(shí),系統(tǒng)在吸收-壓縮的耦合驅(qū)動(dòng)下,壓縮機(jī)的增壓改變了氨水平衡濃度點(diǎn),可降低發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)熱源溫度;在相同驅(qū)動(dòng)熱源溫度條件下,吸收壓縮串聯(lián)制冷時(shí)太陽能熱水回水溫度可利用至更低,即提高了太陽能熱源的可利用溫差。低熱源驅(qū)動(dòng)不僅可減少集熱器的配套面積及初投資,同時(shí)低回水溫度有助于太陽能集熱器熱效率提升。

圖2 相同制冷量時(shí)各運(yùn)行模式的能源消耗對比

與機(jī)械壓縮制冷相比,吸收壓縮串聯(lián)制冷系統(tǒng)耗電僅為前者的50%,這主要是因?yàn)闄C(jī)械壓縮系統(tǒng)的壓縮機(jī)的吸/排氣壓力為4.63 bar(a)/13.5 bar(a),壓縮比為2.92;吸收壓縮串聯(lián)制冷系統(tǒng)的吸/排氣壓力為4.63 bar(a)/8.08 bar(a),壓縮比僅為1.75。

圖3 制冷系統(tǒng)各運(yùn)行模式的運(yùn)行費(fèi)用對比

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

四種運(yùn)行模式的制冷運(yùn)行費(fèi)用對比如圖3所示。計(jì)算時(shí)電價(jià)按1元/kW·h,冷卻水和太陽能熱水均按0.2元/m3計(jì)算?？梢姍C(jī)械壓縮式系統(tǒng)的運(yùn)輸費(fèi)用最高,吸收壓縮串聯(lián)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最低,與吸收制冷、機(jī)械壓縮制冷、吸收壓縮并聯(lián)制冷相比,吸收壓縮串聯(lián)制冷的運(yùn)行費(fèi)用分別降低4.6%、33.8%、19.2%。

3.3 系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)及熱力學(xué)完善度

在進(jìn)行吸收制冷和蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)性能系數(shù)對比時(shí),因壓縮式制冷消耗電,吸收式制冷消耗熱,電比熱的品位高,因此二者不能進(jìn)行直接對比,需考慮發(fā)電與輸送過程效率,若取值0.35,則機(jī)械壓縮的當(dāng)量性能系數(shù)為0.35×4.9=1.72。機(jī)械壓縮制冷的逆卡諾循環(huán)(冷凝溫度35 ℃,蒸發(fā)溫度2 ℃)性能系數(shù)為8.3,其熱力學(xué)完善度為1.72/8.3=0.21。

吸收制冷的最高熱力系數(shù)為1.16(冷凝溫度35 ℃,蒸發(fā)溫度2 ℃,熱源溫度85 ℃),而吸收制冷的實(shí)際性能系數(shù)為0.58,其熱力學(xué)完善度為0.5(圖4)。

可見在公共建筑太陽能制冷工況時(shí),與機(jī)械壓縮制冷相比,吸收制冷系統(tǒng)性能有很大改善,其熱力學(xué)完善度高于純機(jī)械壓縮制冷。

3.4 太陽能供水溫度

在采用氨水吸收壓縮串聯(lián)制冷模式運(yùn)行時(shí),不同太陽能供水溫度時(shí)系統(tǒng)的能源消耗情況如圖5所示。由圖5可知,隨著熱源溫度的降低,系統(tǒng)需要太陽能提供的熱水量逐漸降低,而系統(tǒng)壓縮機(jī)的耗電

圖4 制冷性能系數(shù)及熱力學(xué)完善度對比

圖5 不同太陽能供水溫度時(shí)吸收壓縮串聯(lián)制冷系統(tǒng)能耗

量幾乎呈線性增加趨勢。這主要因?yàn)樵诘蜔嵩礂l件下,系統(tǒng)需要在高氨水濃度條件下運(yùn)行,此時(shí)發(fā)生器精餾所需回流相對較小,且經(jīng)回?zé)崞鳠峄厥蘸筮M(jìn)入發(fā)生器的濃氨水需要的補(bǔ)熱量較小,使得發(fā)生器的熱負(fù)荷隨熱源溫度的降低而下降;但是隨著熱源溫度的降低,吸收器的氨水平衡濃度及平衡壓力升高,導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣壓力及壓比增大,壓縮耗電量逐漸增高。值得注意的是即使太陽能供水溫度低至55 ℃,吸收壓縮串聯(lián)模式制冷系統(tǒng)依舊可以正常運(yùn)行,其耗電量(148 kW)較同制冷量的機(jī)械壓縮制冷模式(204 kW)降低了37.8%。氨水吸收壓縮串聯(lián)制冷系統(tǒng)無常規(guī)吸收制冷系統(tǒng)的“最低臨界熱源溫度”限制,使其應(yīng)用區(qū)域及應(yīng)用領(lǐng)域大幅增加。

4 結(jié)論

本文所提出的氨水吸收壓縮式太陽制冷系統(tǒng)具有吸收制冷、機(jī)械壓縮制冷、吸收壓縮串聯(lián)制冷、吸收壓縮并聯(lián)制冷四種運(yùn)行模式。可根據(jù)公共建筑所在地區(qū)太陽能資源及熱源溫度情況選用相應(yīng)的運(yùn)行模式。

吸收壓縮串聯(lián)制冷模式可有效避免系統(tǒng)對太陽能熱源高溫需求的依賴,不存在“臨界熱源溫度”問題,可顯著提高太陽能熱水的可利用溫差,大幅降低集熱器的配套面積,同時(shí)低回水溫度有助于集熱器的熱效率提升。

與其他運(yùn)行模式相比,吸收壓縮串聯(lián)制冷模式的運(yùn)行費(fèi)用最低,需要的太陽能熱水量最小,熱力學(xué)完善度最佳。其運(yùn)行費(fèi)用較吸收制冷、機(jī)械壓縮制冷、吸收壓縮并聯(lián)制冷分別降低4.6%、33.8%、19.2%。公共建筑的制冷模式應(yīng)優(yōu)先選用吸收壓縮串聯(lián)制冷模式。

氨水吸收壓縮式太陽能制冷具有環(huán)保、節(jié)能、適用性強(qiáng)等特點(diǎn),在公共建筑制冷領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。同時(shí),該技術(shù)還適用于熱電、化工、水泥、冶金等存在大量廢熱的工業(yè)領(lǐng)域。