代寶民，趙佳儀，劉圣春，楊海寧，李偉鋒，章立標(biāo)，陳 月

（1.天津大學(xué) 醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院，天津 300072；2.天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134；3.浙江國(guó)祥股份有限公司，浙江上虞 3123001）

0 引言

海水淡化是重要的增量水源，對(duì)緩解沿海地區(qū)和海島水資源短缺，保障水安全具有重要意義［1］。但是海水淡化過(guò)程不僅能耗高、成本高，還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等不利影響［2］。當(dāng)前我國(guó)沿海地區(qū)對(duì)制冷的需求不斷增加，尤其是在商超食品冷凍和冷藏方面［3］。為了提高能源利用率和經(jīng)濟(jì)效益，近年來(lái)海水淡化和制冷等應(yīng)用集成的多聯(lián)產(chǎn)研究受到廣泛關(guān)注［4］。

為了同時(shí)滿足淡水和制冷需求，目前關(guān)于淡水制冷聯(lián)產(chǎn)的研究重點(diǎn)是多效蒸餾海水淡化和制冷系統(tǒng)的結(jié)合。ESFAHANI 等［5］提出了一種新型制冷和淡水聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)，將多效蒸發(fā)吸收熱泵與蒸汽壓縮制冷循環(huán)相結(jié)合。WANG 等［6］提出了一種主要消耗低品位熱量生產(chǎn)冷量和淡水的系統(tǒng)，將吸收式制冷系統(tǒng)與多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)相結(jié)合，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析。FARSI 等［7］首次提出了將增壓多效蒸餾（MED）系統(tǒng)與跨臨界CO2制冷系統(tǒng)相結(jié)合，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了初步研究。

商超食品冷凍和冷藏有制冷的需求，然而目前商用制冷系統(tǒng)大多采用高全球變暖潛值（GWP）的常規(guī)制冷劑［8］。在《基加利修正案》正式生效的背景下，采用綠色環(huán)保的自然工質(zhì)CO2是商場(chǎng)領(lǐng)域制冷劑替代的可靠解決方案［9］。CO2具有臨界溫度（31.1 ℃）低、臨界壓力（7.38 MPa）高的特點(diǎn)［10］，跨臨界CO2制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣余熱可進(jìn)一步回收利用［11］，如可作為海水淡化過(guò)程的驅(qū)動(dòng)熱源［4］，也可作為吸收式制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)行制冷［12］。

我國(guó)夏季大部分地區(qū)氣候炎熱，導(dǎo)致CO2制冷系統(tǒng)的能效偏低，因此可采用吸收式過(guò)冷技術(shù)降低CO2節(jié)流前的溫度，以提高制冷循環(huán)效率。DAI 等［13］研究表明太陽(yáng)能-余熱驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷CO2制冷系統(tǒng)的COP可提高3.05%～42.30%。

我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，開發(fā)利用潛力巨大［14］。在太陽(yáng)能熱利用的方式中，太陽(yáng)能吸收式制冷是目前應(yīng)用最廣泛、效果最好的制冷形式［15-16］。

基于以上研究可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于CO2制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究，前人很少關(guān)注可再生能源對(duì)系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)和影響。因此，在滿足商超制冷需求的同時(shí)，可綜合利用CO2制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣余熱和商超建筑屋頂?shù)奶?yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)和吸收式制冷機(jī)，分別生產(chǎn)淡水和冷量，實(shí)現(xiàn)雙重目的。

因此，針對(duì)缺水地區(qū)對(duì)制冷與淡水的共同需求，本文提出太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷CO2制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。通過(guò)建立系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，探索不同氣候條件對(duì)系統(tǒng)年度性能系數(shù)（APF）、淡水產(chǎn)量等關(guān)鍵指標(biāo)的影響規(guī)律，為同時(shí)生產(chǎn)淡水和滿足制冷需求開拓了思路。

1 太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷CO2 制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

基礎(chǔ)CO2增壓制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（Base-CWCS）由CO2增壓制冷子系統(tǒng)和增強(qiáng)多效蒸餾海水淡化子系統(tǒng)兩部分組成。該系統(tǒng)利用高壓級(jí)壓縮機(jī)出口的CO2流體作為熱源，驅(qū)動(dòng)第一效蒸發(fā)器蒸餾海水，再由第一效蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)第二效蒸發(fā)器蒸餾海水，以此類推可連續(xù)驅(qū)動(dòng)多效蒸發(fā)器生產(chǎn)淡水，同時(shí)在第一效蒸發(fā)器釋熱后的CO2流體可繼續(xù)作為增強(qiáng)效蒸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)熱源，進(jìn)一步生產(chǎn)淡水，實(shí)現(xiàn)能量的高效梯級(jí)利用，系統(tǒng)原理如圖1 所示。

在Base-CWCS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收式制冷子系統(tǒng)，構(gòu)建太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷CO2制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（Abs-CWCS），其中太陽(yáng)能和壓縮機(jī)排氣的熱能可存儲(chǔ)于儲(chǔ)熱罐中，通過(guò)提取儲(chǔ)熱罐中的熱能驅(qū)動(dòng)吸收式制冷子系統(tǒng)進(jìn)行制冷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體冷卻器出口的CO2流體過(guò)冷，從而減少CO2制冷系統(tǒng)的節(jié)流損失，提高CO2制冷系統(tǒng)能效。當(dāng)CO2制冷系統(tǒng)達(dá)到最大過(guò)冷度且太陽(yáng)能仍有剩余時(shí)，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能和壓縮機(jī)排氣余熱對(duì)海水淡化系統(tǒng)的共同驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能和壓縮機(jī)排氣余熱的充分利用，系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷CO2 制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（Abs-CWCS）原理Fig.2 Schematic of hybrid solar energy and waste heat driving absorption subcooling CO2 refrigeration-desalination cogeneration system（Abs-CWCS）

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 太陽(yáng)能集熱器模型集熱器的效率與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和集熱器入口溫度有關(guān)，可由下式確定［17］：

式中，ηcol為集熱器的效率，%；Tcol，in為集熱器進(jìn)口流體的溫度，℃；Tamb為環(huán)境溫度，℃；Isolar為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2。

式中，Qsolar為集熱器的負(fù)荷，W；Acol為集熱器面積，m2。

1.2.2 吸收式制冷系統(tǒng)模型

式中，COPabs為吸收式制冷系統(tǒng)性能系數(shù)；Qevap，abs為蒸發(fā)器制冷量，W；Qgen為驅(qū)動(dòng)發(fā)生器的熱量，W；Wpump為溶液泵功耗，W。

1.2.3 吸收式過(guò)冷CO2制冷系統(tǒng)模型

式中，COP為吸收式過(guò)冷CO2制冷系統(tǒng)性能系數(shù)；Qevap，CO2為蒸發(fā)器制冷量，W；Wtot為壓縮機(jī)和風(fēng)扇的總功耗，W。

1.2.4 增強(qiáng)多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)模型質(zhì)量守恒［8］：

式中，mbr為濃鹽水質(zhì)量流量，kg/s；mf為進(jìn)料海水質(zhì)量流量，kg/s；i為效數(shù)，i=2，3，…，6；mv為蒸汽質(zhì)量流量，kg/s。

鹽度守恒：

式中，wsw為海水鹽度，10-6；wbr為濃鹽水鹽度，10-6。

能量守恒：

式中，Qeffect，1為第一效蒸發(fā)器功耗，W；mCO2為CO2質(zhì)量流量，kg/s；Boo 為增強(qiáng)效蒸發(fā)器；hfg為海水潛熱焓值，kJ/kg；Qeffect，Boo為增強(qiáng)效蒸發(fā)器功耗，W；Qi為第i效蒸發(fā)器功耗，W。

2 結(jié)果和討論

2.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文模型的正確性，選取FARSI 等［4，6-7］的跨臨界CO2制冷和多效海水淡化集成系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行了模型驗(yàn)證。模型邊界條件見表2，結(jié)果對(duì)比及誤差見表3?？梢钥闯稣`差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了本文壓縮機(jī)排氣余熱驅(qū)動(dòng)的增強(qiáng)器多效蒸餾海水淡化模型可靠性。

表1 多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of multi-effect distillation system

表2 模型驗(yàn)證及誤差Tab.2 Model validation and deviation

表3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 System design parameters

2.2 太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷CO2 制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行特性

本文選取常規(guī)超市作為供冷對(duì)象，其面積為1 844 m2。中溫展示柜和低溫展示柜的平均日冷負(fù)荷與每日環(huán)境溫度呈正相關(guān)［18］。系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

圖3 示出了Base-CWCS 與Abs-CWCS 系統(tǒng)在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為300～1 200 W/m2，環(huán)境溫度為0～35 ℃時(shí)COP的變化情況。

圖3 不同系統(tǒng)COP 隨著環(huán)境溫度及太陽(yáng)輻射的變化規(guī)律Fig.3 Effect of ambient temperature and solar radiation on COP of different systems

可以看出集成太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷子系統(tǒng)后，系統(tǒng)COP顯著提升，尤其是在環(huán)境溫度較高，即系統(tǒng)處于跨臨界運(yùn)行的工況下，并且Abs-CWCS 的COP提升率與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度直接相關(guān)。然而當(dāng)環(huán)境溫度低于15 ℃時(shí)，COP不受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響。當(dāng)環(huán)境溫度為30 ℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度從300 W/m2增加到1 200 W/m2時(shí)，COP從1.17 增加到1.55，提升率為32.71%。而當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，COP從1.00 增高到了1.41，提升率高達(dá)41.00%。這是由于環(huán)境溫度較高時(shí)需要更高的過(guò)冷度來(lái)提高CO2制冷系統(tǒng)的COP，而更高的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可提供更多的熱量驅(qū)動(dòng)吸收式制冷子系統(tǒng)，以產(chǎn)生更多的冷量。而環(huán)境溫度較低時(shí)系統(tǒng)所需的過(guò)冷度相對(duì)較低，少量熱能即可驅(qū)動(dòng)吸收式制冷子系統(tǒng)滿足過(guò)冷要求，所以太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)COP影響很小。綜上所述，利用太陽(yáng)能吸收式過(guò)冷系統(tǒng)可以有效地解決CO2制冷系統(tǒng)在溫暖或炎熱氣候下能效較低的問(wèn)題。

與環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的過(guò)冷度的變化情況如圖4 所示。可以看到當(dāng)環(huán)境溫度≤25 ℃，即系統(tǒng)處于亞臨界模式運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可以滿足最大過(guò)冷度需求。所以當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，在不同的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的情況下，過(guò)冷度為常數(shù)，如在環(huán)境溫度為0，5，10，15 ℃時(shí)，過(guò)冷度分別恒定為6.47，7.42，12.02，12.20 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度為30，35 ℃時(shí)，且太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到1 200 W/m2時(shí)，吸收式過(guò)冷系統(tǒng)能有效過(guò)冷CO2制冷系統(tǒng)，其過(guò)冷度分別達(dá)到了30.36，26.50 ℃。

圖4 過(guò)冷度隨環(huán)境溫度及太陽(yáng)輻射的變化規(guī)律Fig.4 Effect of ambient temperature and solar radiation on subcooling degree

當(dāng)環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，氣體冷卻器出口溫度升高，排氣壓力升高，過(guò)冷度未遵循整體增長(zhǎng)規(guī)律，這是由于更高的過(guò)冷度需要更多能量驅(qū)動(dòng)，即更高的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，COP的變化趨勢(shì)與過(guò)冷度一致，這也證明了增加太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷子系統(tǒng)能夠顯著降低節(jié)流前CO2流體溫度，有效提高系統(tǒng)能效。

當(dāng)CO2制冷系統(tǒng)在環(huán)境溫度低于26 ℃的情況下工作時(shí)，系統(tǒng)為亞臨界狀態(tài)，排氣壓力由環(huán)境溫度決定，無(wú)需優(yōu)化。而當(dāng)環(huán)境溫度高于26 ℃，即系統(tǒng)在跨臨界模式下運(yùn)行時(shí)，需優(yōu)化排氣壓力以獲得最大能效。圖5 示出了不同系統(tǒng)排氣壓力隨環(huán)境溫度的變化情況?？梢钥吹较到y(tǒng)排氣壓力均隨著環(huán)境溫度的升高而增加。相對(duì)Base-CWCS 系統(tǒng)，Abs-CWCS 系統(tǒng)可顯著降低排氣壓力，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為900 W/m2時(shí)，采用Abs-CWCS 的排氣壓力最高可降低6.86%，并且排氣壓力隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加而逐漸降低。

圖5 不同系統(tǒng)排氣壓力隨環(huán)境溫度及太陽(yáng)輻射的變化規(guī)律Fig.5 Effect of ambient temperature and solar radiation on discharge pressure of different systems

圖6示出了在不同環(huán)境溫度與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下，Abs-CWCS 達(dá)到最大能效時(shí)，太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收式過(guò)冷子系統(tǒng)性能系數(shù)（COPabs）的變化情況。在環(huán)境溫度低于15 ℃的亞臨界運(yùn)行區(qū)域，COPabs隨環(huán)境溫度的升高而逐漸降低，且?guī)缀醪皇芴?yáng)輻射強(qiáng)度的影響。當(dāng)環(huán)境溫度為25，35 ℃時(shí)，COPabs隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而顯著降低。這是由于COPabs與冷凝溫度、蒸發(fā)溫度以及蒸發(fā)和冷凝溫度的差值直接相關(guān)，后者與過(guò)冷度呈正相關(guān)。COPabs的變化趨勢(shì)與圖4 所示的過(guò)冷度的變化趨勢(shì)相反，表明過(guò)冷度越高，太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收式過(guò)冷子系統(tǒng)的能效越低。

圖6 COPabs 隨著環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律Fig.6 Effect of ambient temperature and solar radiation on COPabs

圖7 示出了在不同環(huán)境溫度與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下，Base-CWCS 與Abs-CWCS 系統(tǒng)淡水產(chǎn)量的變化情況?？梢钥吹皆诃h(huán)境溫度一定時(shí)，Abs-CWCS 系統(tǒng)淡水產(chǎn)量隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加而增加，且都高于Base-CWCS。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，Abs-CWCS 的最高過(guò)冷度較低，需要的太陽(yáng)能熱量較少，即可用于海水淡化的熱量更多，所以在環(huán)境溫度低于25 ℃時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加對(duì)淡水產(chǎn)量影響顯著。當(dāng)CO2制冷系統(tǒng)處于跨臨界運(yùn)行模式時(shí)，隨著環(huán)境溫度升高，用于CO2制冷系統(tǒng)過(guò)冷所需的熱量更多，導(dǎo)致用于驅(qū)動(dòng)海水淡化子系統(tǒng)的熱量大幅降低，淡水產(chǎn)量有所降低，并且淡水產(chǎn)量隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化不明顯。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1 200 W/m2時(shí)，與Base-CWCS 系統(tǒng)相比Abs-CWCS 系統(tǒng)淡水產(chǎn)量增長(zhǎng)了0.8～28.6 倍。

圖7 不同系統(tǒng)淡水產(chǎn)量隨著環(huán)境溫度及太陽(yáng)輻射的變化規(guī)律Fig.7 Effect of ambient temperature and solar radiation on freshwater production of different systems

2.3 太陽(yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷CO2 制冷-淡水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年運(yùn)行特性

考慮氣候條件的影響，選擇位于中國(guó)不同氣候區(qū)的5 個(gè)典型缺水城市作為系統(tǒng)的使用地點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的APF進(jìn)行分析，以上城市均分布于沿海地區(qū)，海水資源豐富且均屬于缺水城市。不同城市Base-CWCS 和Abs-CWCS 系統(tǒng)的年度性能系數(shù)，如圖8 所示?？梢钥吹紸bs-CWCS 的APF明顯高于Base-CWCS，且APF基本隨城市緯度的增加而增加。APF提升率定義為Abs-CWCS 相對(duì)Base-CWCS 的APF提升率?？梢钥吹揭陨?個(gè)典型缺水城市的APF提升率相當(dāng)，其中天津最高，為3.76%；上海最低，為3.55%。

圖8 不同系統(tǒng)在5 個(gè)城市使用時(shí)的年性能系數(shù)Fig.8 Annual performance factor of different system in 5 typical cities

Base-CWCS 和Abs-CWCS 在5 個(gè)典型缺水城市運(yùn)行的年淡水產(chǎn)量如圖9 所示?？梢钥吹皆黾犹?yáng)能-余熱聯(lián)合驅(qū)動(dòng)吸收過(guò)冷子系統(tǒng)后，各個(gè)城市年淡水產(chǎn)量都得到顯著提升，表明采用太陽(yáng)能和壓縮機(jī)排氣余熱的Abs-CWCS 系統(tǒng)可顯著提升淡水產(chǎn)量，提升率可達(dá)9.54%～64.62%。Base-CWCS 系統(tǒng)僅由CO2制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣余熱驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)，其淡水產(chǎn)量隨環(huán)境溫度的升高而增加，所以Base-CWCS 的淡水產(chǎn)量基本隨緯度的增加而降低。其中大連淡水產(chǎn)量最低，為337.50 m3/a，?？诳蛇_(dá)到489.70 m3/a。而Abs-CWCS 則是由環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度共同影響，導(dǎo)致其變化規(guī)律不明顯。

圖9 不同系統(tǒng)在5 個(gè)典型缺水城市使用時(shí)的年淡水產(chǎn)量Fig.9 Freshwater production of different system in 5 typical cities

3 結(jié)論

（1）采用Abs-CWCS 系統(tǒng)可顯著提高CO2制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1 200 W/m2，環(huán)境溫度為35 ℃時(shí)，COP可提升41.02%。

（2）采用Abs-CWCS 系統(tǒng)可降低排氣壓力。在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1 200 W/m2、環(huán)境溫度為34 ℃時(shí)，排氣壓力可降低7.86%，過(guò)冷度隨著環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加而增加。

（3）采用Abs-CWCS 系統(tǒng)可有效提高系統(tǒng)年度性能系數(shù)APF，在天津使用時(shí)最高可提升3.76%。

（4）采用Abs-CWCS 可有效提高淡水產(chǎn)量，當(dāng)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度為1 200 W/m2時(shí)，與Base-CWCS系統(tǒng)相比，Abs-CWCS系統(tǒng)淡水產(chǎn)量增加了0.8～28.6 倍。全年淡水產(chǎn)量提升率可達(dá)到9.54%～64.62%。