蓄冷型太阳能喷射制冷系统设计分析

郑慧凡， 田国记， 范晓伟， 陈银龙， 王兴豫

(中原工学院， 郑州 450007)



蓄冷型太阳能喷射制冷系统设计分析

郑慧凡， 田国记， 范晓伟， 陈银龙， 王兴豫

(中原工学院， 郑州 450007)

摘要：介绍了蓄冷型太阳能喷射制冷系统的工作原理，确定了蓄冷量的设计原则。基于郑州地区一栋200 m2的住宅建筑，计算了制冷系统逐时制冷量和空调逐时冷负荷，并进行了蓄冷量的设计。研究表明，当太阳能集热面积为20 m2时，该太阳能喷射系统的日设计蓄冷量为21.6 kJ；与常规喷射制冷系统相比，年制冷量可提高20%左右。

关键词：太阳能；蓄冷；喷射制冷系统；设计原则

随着能源危机的加剧，太阳能的利用日益受到人们的重视。在太阳能利用技术中，太阳能喷射制冷系统因其结构简单、运动部件少、成本低等优点深受用户青睐，在空调制冷领域应用越来越广泛[1-5]。常见的太阳能多以热量形式进行蓄存，但由制冷机组实际工作情况可知，为了保证喷射系统有较好的工作效率，蓄存热水温度要高于85 ℃，而喷射系统工作时，冷媒水的额定出口温度为7 ℃。假设当天环境温度为30 ℃，当以热水形式储存时，蓄热水箱中水的温度与环境温差接近55 ℃，而蓄冷水箱中的冷水温度与环境的温差为23 ℃，前者远远大于后者。因此，将白天接收的多余太阳辐射能用于产生冷水储存在蓄冷水箱中，其热损失显然要比以热水形式储存在蓄热水箱中低的多[6-7]。

基于此，本文提出一种蓄冷型太阳能喷射制冷系统，并介绍其工作原理，结合喷射制冷系统制冷量和空调房间冷负荷的大小，确定蓄冷量的设计原则。并以郑州地区一栋200 m2的住宅建筑为例，在太阳能集热器面积为20 m2的情况下，对蓄冷量的大小进行设计计算。通过蓄冷设计，提高喷射系统的效率，从而为太阳能空调的小型化与商业化提供理论借鉴。

1系统工作原理

图1为太阳能蓄冷型喷射制冷系统示意图。系统主要由太阳能集热系统、喷射器、节流阀、蒸发器、冷凝器、制冷剂泵、辅助电加热、水泵、蓄冷箱、管路系统以及空调末端等组成。在系统中增设蓄冷箱，以储存制冷系统产生的多余冷量，并在制冷系统供冷不足时把储存的冷量释放出来。

根据太阳辐射情况和空调末端负荷变化的特点，通过水系统阀门的切换，该制冷装置可单独进行制冷、蓄冷、释冷；还可以同时实现制冷、蓄冷和制冷、释冷。当白天太阳辐射充足时，喷射系统直接为用户供冷；当太阳辐射富裕时，通过蓄冷箱将多余冷量蓄存；晚上或太阳辐射不足时释冷过程启动。各个工作模式启动时的水循环情况如表1所示。

1-太阳能集热器；2-水泵；3-发生器；4-喷射器；5-冷凝器；6-制冷剂泵；7-节流阀；8-蒸发器；9-空调水泵；10-蓄冷箱；11-空调末端；F1、F2、F3、F4、F5、F6为阀门图1　太阳能蓄冷型喷射制冷系统示意图

工作模式阀门状态水流程制冷阀门F1、F2、F4、F6开启,阀门F3、F5关闭。回水经阀门F6、F1流入蒸发器,然后经阀门F2、F4,由空调水泵将空调水重新送入空调系统。蓄冷阀门F1、F2、F4、F5、F6开启,阀门F3关闭。从蒸发器出来的低温水在空调水泵的作用下经过阀门F2、F4、F5进入蓄冷箱下部,蓄冷箱上层的温度相对较高的水经阀门F1、F6流入蒸发器,完成蓄冷过程。释冷阀门F3、F4、F6开启,阀门F1、F2、F5关闭。在空调水泵的作用下,空调供水经蓄冷箱流经F3、F4、F6送至空调用户释冷,然后,空调回水流入蓄冷箱。制冷+蓄冷阀门F1、F2、F4、F5、F6开启,阀门F3关闭;其中三通阀F4与F6的开度决定蓄存冷量的多少。空调回水经阀门F1、F6流入蒸发器进行冷却,在空调水泵的作用下流经阀门F2后,冷冻水分为两路,一路经阀门F4、F5后进入蓄冷箱,另一路又重新送入空调系统。来自空调系统的空调回水和来自蓄冷箱的冷水在阀门F6处汇合,经阀门F1流入蒸发器中,同时完成制冷、蓄冷过程。制冷+释冷阀门F1、F2、F3、F4、F6开启,阀门F5关闭从蒸发器出来的低温冷冻水流经阀门F2,与来自蓄冷箱的低温蓄存冷冻水汇合,在空调水泵的作用下,经阀门F4后,被送入空调用户;供冷后返回阀门F6,又分为两路,一路进入蒸发器进行制冷,另一路流入蓄冷箱。

2喷射系统蓄冷量确定原则

相对于传统喷射系统，太阳能蓄冷型喷射制冷系统增加了一个蓄冷箱。因此，蓄冷量的设计至关重要。结合建筑冷负荷和喷射系统制冷量的关系，本文提出了一种确定蓄冷量的方法。

在太阳能喷射系统工作过程中，太阳辐射量与空调房间的制冷负荷均逐时变化,并且两者变化不同步。喷射系统制冷量与空调负荷存在以下情况：喷射系统逐时制冷量不大于逐时空调负荷时，喷射系统不需蓄冷；喷射系统逐时制冷量大于逐时空调负荷时，系统需要蓄冷。此时，逐时蓄冷量为喷射系统的逐时制冷量与空调逐时冷负荷之差。

由于住宅建筑的空调使用时间个体差异很大，本文采取的喷射系统首先满足白天负荷的需要，多余冷量进行蓄存，晚上释冷。蓄冷量的确定需要遵循以下原则：可以蓄存的冷量不大于房间晚上负荷时，将可以蓄存的冷量全部蓄存；可以蓄存的冷量大于房间晚上负荷时，仅按晚上房间空调负荷需要量进行蓄存。

可以蓄存的冷量的计算方法如下：

(1)计算喷射系统白天的逐时制冷量Qei，时刻从6点到17点；

(2)计算建筑白天逐时冷负荷Qci，时刻从6点到17点；

(3)计算喷射系统逐时蓄冷量Qsi，且Qsi=Qei-Qci，i=6,…,17；

观察组：男、女占比各为24:16；年龄段在45～66岁之间，经计算后中位年龄为（55.52±1.34）岁。

(5)将房间晚上逐时冷负荷进行累加，时刻从18点到次日清晨6点。

(6)比较(4)与(5)的大小，小者为蓄冷量。

(7)根据步骤(1)-(6)的结果进行蓄冷量的频谱统计，以平均不保证10%的原则进行蓄冷量设定。

3蓄冷量确定方法介绍

本文以郑州地区建筑面积为200m2的某住宅建筑为例，分析当太阳能集热面积为20m2时太阳能喷射制冷系统蓄冷量的设计。其中，空调冷负荷计算采用DEST住宅负荷计算软件，对5月1日-9月30日的空调逐时负荷进行计算，计算结果如图2所示。太阳辐射量等参数详见文献[5]。

图2　逐时冷负荷随时间变化曲线

在太阳能集热器面积相同的情况下，同一喷射系统逐时制冷量直接受太阳辐射量的影响。图3为郑州地区5月1日-9月30日的太阳日总辐射变化曲线。

图3　太阳日总辐射随时间变化曲线

基于典型气象年的设计参数，结合太阳辐射逐时值，计算太阳能喷射系统的逐时制冷量。具体计算步骤和方法详见文献[6]。太阳能喷射系统的制冷量随时间变化如图4所示。

图4　制冷量随时间变化曲线

由图3和图4可知，喷射系统的制冷量受太阳辐射量的影响明显，二者呈正比关系：太阳辐射量越大，系统所能提供的制冷量越大。由图2和图4可知，逐时冷负荷与喷射系统制冷量的变化并不同步，逐时冷负荷从5月份开始逐渐变大，7月份达到最大，8月份、9月份递减；而喷射系统在5月、6月能提供较大的制冷量。因此，经过一定的蓄冷设计，可以使喷射系统发挥其最大功能，为空调系统提供更多的冷量。

依据白天逐时制冷量和逐时冷负荷，参照蓄冷量的确定原则可计算逐时蓄冷量。经计算，太阳能喷射系统的蓄冷量随时间变化如图5所示。

图5　蓄冷量随时间变化曲线

结合上述空调负荷的计算结果，利用excel对上述建筑喷射系统蓄冷量的情况进行统计，结果见表2。

表2　蓄冷量统计情况

由表2可知，蓄冷量不大于21.6 kJ的天数占总天数的91%。因此，为了更好地设计蓄冷系统，参照空调设计中的平均不保证天数的设计原则，采取平均不保证9%的设计原则，该太阳能喷射系统的日设计蓄冷量为21.6 kJ。

在上述计算结果的基础上，经统计可知，常规喷射系统的年制冷量为1 828.13 kW，蓄能型喷射系统的年制冷量为2 201.34 kW。比较可知，通过蓄冷设计，喷射系统的年制冷量可以提高20%左右。

4结语

本文提出了一种新的蓄冷型太阳能喷射制冷系统，分析了其工作原理，并确定了蓄冷空调系统的工作模式，制定了蓄冷量的设计原则。结合郑州地区气候特征，分析了该系统用于郑州地区住宅建筑的特点。与常规喷射制冷系统相比，蓄冷型太阳能喷射制冷系统年制冷量可提高20%左右，提高了喷射制冷系统的效率。本研究可为太阳能空调的小型化与商业化提供理论借鉴。

参考文献:

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[2]Sankarlal T, Mani A. Experimental Investigations on Ejector Refrigeration System with Ammonia[J]. Renewable Energy, 2007, 32(8): 1403-1413.

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[4]张博, 左计学, 钟福春, 等. 以 R236fa 为制冷剂的太阳能喷射制冷系统研究[J]. 太阳能学报, 2012, 33(12): 2116-2121.

[5]王子敬, 王辉涛, 包桂蓉, 等. 太阳能两级喷射式制冷系统性能的模拟及其分析[J]. 低温与超导, 2012, 40(8): 69-72.

[6]刘猛, 刘卫华. 太阳能喷射式制冷置换通风系统探讨[J]. 制冷与空调, 2006, 5(6): 25-28.

[7]张利贺, 范晓伟, 郑慧凡. 太阳能喷射—压缩复合蓄冷系统热力学性能分析[J]. 中原工学院学报, 2011, 22(1): 11-14.

[8]中国气象局国家气象信息中心气象资料室. 中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]. 北京： 中国建筑工业出版社, 2005：5-50.

[9]郑慧凡, 范晓伟, 李安桂. HFC134a 在太阳能喷射制冷系统中的性能分析[J]. 低温与超导, 2008, 36(1): 38-41.

(责任编辑：陆俊杰)

Study of Energy-storage Solar Ejector Refrigeration System

ZHENG Hui-fan, TIAN Guo-ji, FAN Xiao-wei, CHEN Yin-long, WANG Xing-yu

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Abstract:The operating principle of energy storage solar ejector refrigeration system was introduced, and the design principle of cold storage capacity was developed. Based on the 200 m2 residential construction in Zhengzhou region, the hourly cooling capacity, hourly cooling load and cold storage capacity were calculated. The research showed that the cold storage capacity of solar ejector refrigeration system equals to 21.6 kJ when the solar collector area is 20 m2, it is determined that the cooling capacity of energy storage solar ejector refrigeration system can be improved about 20% compared with conventional system.

Key words:solar energy; energy-storage; ejector refrigerating system; design principle

中图分类号：TK511

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.002

文章编号：1671-6906(2016)01-0009-04

作者简介：郑慧凡(1976—)，女，河南禹州人，副教授，博士，主要研究方向为可再生能源应用。

基金项目：国家自然科学基金项目(51306214)；河南省高校科技创新人才计划项目(14HASTIT003)；河南省科技攻关项目(142102210286；142106000135)；河南省青年骨干教师支持计划项目(2013GGJS-114)

收稿日期：2015-10-12

郑慧凡：博士，副教授，硕士生导师，中原工学院青年拔尖人才，本科、硕士、博士均毕业于西安建筑科技大学。目前担任中原工学院建筑环境与能源应用工程系副主任、河南省“冷链贮运装备”省级工程技术研究中心副主任，为河南省供热空调重点学科开放实验室、河南省高校空调节能工程技术研究中心等研究机构的学术骨干。主要从事太阳能可再生能源研究工作。主持及参与国家自然科学基金、国家“十二五”科技支撑计划、省部级科技攻关等20余项科研项目的研究工作。近年来以第一作者发表学术论文40余篇，其中SCI收录4篇、EI收录22篇、ISTP收录4篇，出版专著4部，获国家授权专利8项；获河南省科技进步二等奖、河南省自然科学学术论文一等奖等省部级以上奖励15项。先后被评为郑州市科技创新骨干、河南省高校青年骨干教师，入选2014年河南省高校科技创新人才。