小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统实验研究

王建辉　刘自强　周泉　刘伟

摘要：文章介绍了小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统，采用太阳能作为主要驱动能源、采用溴化锂等环保材料作为工质的太阳能吸收式制冷，测试了运行工作时实验系统的COP以及其他各种参数，实验结果表明，该小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统具有良好的使用性能，节能效果十分显著。

关键词：太阳能；溴化锂；吸收式制冷系统；光热利用；制冷机制 文献标识码：A

中图分类号：TK51 文章编号：1009-2374（2016）03-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.007

研究发现，太阳能空调的应用极具优势：夏季太阳能辐射越强、天气越热，建筑负荷越大，太阳能空调的制冷效果越好。而采用太阳能作为主要驱动能源、采用溴化锂等环保材料作为工质的太阳能制冷技术符合节能和环保要求。因此，采用高效合理的太阳能集热器提供热源，将太阳能光热利用技术与小型太阳能空调制冷机制冷结合起来，开发研制一套小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统，既可以节约能源保护环境，又可以解决农村住宅夏季空调制冷需求，有效提高农村居民的生活品质。

1 小型太阳能溴化锂吸收式制冷工作原理

太阳能溴化锂吸收制冷系统是利用太阳能集热系统将水加热，为溴化锂吸收式制冷机的发生器提供所需的热媒水，从而使吸收式制冷机正常运行，达到制冷的目的。该系统主要由太阳能集热系统、小型溴化锂机组、蓄热水箱、冷却塔、用户风机盘管、水泵、控制系统等部件组成。小型溴化锂机组是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置，工作介质中溴化锂为吸收剂，水为制冷剂，二者组成工质对。太阳能溴化锂吸收式制冷系统可以实现夏季制冷、全年提供生活热水等多项功能。系统的制冷工作原理为：利用太陽能集热器将太阳能转化为热能把蓄热水箱里的水加热，为溴化锂机组的发生器提供其所需要的热媒水。在发生器中制冷工质对被热媒水加热，解吸出制冷剂蒸汽。制冷剂蒸汽在冷凝器中被冷却凝结成液体，然后经过节流阀降压进入蒸发器吸热蒸发，产生制冷效应。蒸发产生的制冷剂蒸汽进入吸收器，被来自发生器的浓溶液吸收，再由溶液泵加压送入发生器，如此循环不息地制取冷量。为提高机组的热效率设有溶液热交换器，为增强蒸发器的传热效果设有冷剂泵。

2 实验系统

石家庄市处于太阳能资源较为丰富的地带，年日照时数达到2563～2852小时，年累计太阳能辐照量达到5000～6700MJ/m2。实验场地选在河北省石家庄市元氏县的一户农村新民居建筑，该建筑为新建居民住宅，建筑面积150m2，外墙为370mm黏土空心砖，外墙面采用60mm厚聚苯保温。供暖末端采用低温热水地板辐射采暖系统，供冷末端为风机盘管。节能建筑采暖设计热负荷为50W/m2，冷负荷为70W/m2。我们制作的小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统由太阳能集热系统、溴化锂吸收式制冷机、蓄热水箱、生活热水箱、循环泵、冷却塔、风机盘管和自动控制系统等部分组成，其系统简图如图1所示，为150m2住宅提供夏季制冷和生活用热水。

太阳能集热系统由16组800根Φ58×1800真空集热管组成，集热系统集热面积为75m2。

小型溴化锂吸收式制冷机组由山东创尔沃热泵技术股份有限公司定制，其具体参数为：机组制冷量7kW，冷水进出口温度14℃～19℃，蒸发温度12℃，蒸发压力1400Pa，吸收压力1350Pa，吸收器出口稀溶液温度40℃，浓度54%；冷凝压力8250Pa，冷凝温度42℃；发生器出口溶液温度76℃，浓度56%，稀溶液回温度68℃，浓度54%；溶液热交换器稀溶液进口温度40℃，浓度54%，稀溶液出口温度68℃；交换器浓溶液进口温度76℃，浓度56%，出口浓液温度49℃；发生器负荷9kW，冷凝器负荷7.5kW，吸收器负荷8.8kW，蒸发器负荷7kW，热交换器负荷3.9kW。冷水泵流量1.8m3/h，冷却水泵流量2.5m3/h，热水泵流量2.5m3/h。利用DELPHI编程语言，制作了太阳能溴化锂吸收式制冷系统运行数据监控采集系统软件，软件可以实时采集显示太阳能制冷系统的温度、进出口温差、流量、电量等各项参数，同时可以进行数据的存储、输出。

3 实验结果

实验系统安装调试完毕后，我们于2015年8月份对该系统进行了夏季空调制冷性能实验测试。测试了系统运行时太阳能辐射值、累积太阳能辐射量、水箱温度、房间温度、室外环境温度、溴化锂制冷机进出口温度、流量等各种参数。图2显示了2015年8月28日一天内太阳辐射随时间的变化情况，当天太阳辐射良好，数据显示图形基本上成抛物线形状，太阳能辐射最高可达870W/m2左右。经过计算，当天累积太阳辐射量为23.4MJ/m2。

当天太阳投射到太阳能集热系统的全部累积太阳能辐射量为23.4×75=1755MJ。当天太阳能集热系统的得热量为831.6MJ，根据定义，太阳能集热系统的平均日效率是白天一定时间范围内太阳能集热系统的累积得热量与同一时间范围内投射在集热系统上累积太阳辐射量之比。利用上述数据，可以计算出该天太阳能集热器的平均日效率是47.38%。图3显示了同一天系统中蓄热水箱的温度变化，可以看出随着时间的变化，太阳能集热系统不断对蓄热水箱里的水加温，水箱里的温度很快上升，蓄热水箱上层水温从上午9∶00时的50℃左右，到上午11∶55时就能达到100℃，下层水温从上午9∶00时的30℃左右，到13∶15时达到了95℃以上，小型溴化锂制冷机开始工作，一直连续工作到15∶40。

图4显示了当天小型溴化锂制冷机工作时进出口水温，可以看出在制冷机工作时进口水温在16℃～18℃，经过溴化锂制冷机的制冷，出口水温在14℃～15℃，进出口水温能够保持在2℃左右的温差，显示出了良好的制冷效果。

图5显示了当天太阳能溴化锂吸收式制冷系统在工作时的COP变化情况。根据定义，制冷系统的COP是指单位功耗所能获得的冷量，也就是溴化锂制冷机单位时间内输出的冷量与制冷系统中的循环泵等部件消耗的电能之比。利用测量的溴化锂制冷机进出口温度、流量和系统用电量等数据，可以计算出太阳能溴化锂吸收式制冷系统的COP。从图5中可以看出，该系统的空调制冷系数COP达到了1.8以上，最高可以达到1.9，系统平均COP为1.85。

图6为当天室内外温度，从图中可以看出在室外环境温度达到30℃的情况下，当溴化锂制冷机开始工作后，室内温度由25℃降到了20℃左右，达到了空调制冷的效果。

4 结语

实验结果证明，采用太阳能真空管集热系统与溴化锂吸收式制冷机相结合的太阳能空调技术方案是成功的，小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统显示了良好的制冷效果，它为太阳能热利用技术开辟了新的应用领域。

小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统有着显著的优点：（1）夏季太阳能辐射越强、天气越热，建筑负荷越大，太阳能溴化锂吸收式制冷系统的制冷效果越好；（2）系统采用太阳能作为主要驱动能源、采用溴化锂等环保材料作为工质，符合节能和环保要求；（3）太阳能溴化锂吸收式制冷系统可以将夏季制冷、冬季采暖和提供热水结合起来，显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性。但是，太阳能溴化锂吸收式制冷系统在推广应用过程中也存在着一些问题：（1）该系统的初期投资比较大，只适用于有限的富裕用户，还很难在广大农村地区推广应用；（2）由于存在着太阳能的不连续性以及自然条件下太阳能辐射密度不高，小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统要做到连续运行，必须增加燃气或天然气等辅助热源，势必提高了系统的投资，降低了系统制冷性能系数（COP）。总之，小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统在有效降低成本，提高系统集热效率的条件下，具有广阔的推广应用前景。

参考文献

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作者简介：王建辉（1977-），男，河北省科学院能源研究所工程师。

（责任编辑：周 琼）