不同形式太阳能集热器对吸收式制冷系统运行影响分析

2022-07-29程友良程伟良集鑫锋占成林

热力发电 2022年7期

程友良，刘萌，程伟良，集鑫锋，占成林

（1.华北电力大学动力工程系，河北保定 071003； 2.华北电力大学河北省低碳高效发电技术重点实验室，河北保定 071003； 3.华北电力大学保定市低碳高效发电技术重点实验室，河北保定 071003）

随着住宅和工业制冷需求的不断增加，空调和制冷行业已发展成为关键行业[1]。根据国际制冷研究所（IIR）的数据，全球运行中的制冷系统总数约为50亿套[2]。这些设备消耗的电量约占全球总用电量的20%。因此，探索新的制冷方案已成为全球性问题。随着太阳能集热技术的发展，产生了可以制取不同温度的太阳能集热器[3]。多种形式的太阳能集热器可以为吸收式制冷系统提供更加灵活和高效的配置方案。

太阳能吸收式制冷系统经常使用水系、氨系等天然工质，目前仍然无法替代蒸汽压缩制冷系统[4]。为此，国内外学者开发了各种形式的太阳能吸收式制冷系统[5]。Syed等人[6]对由平板型太阳能集热器（FTC）驱动的单效吸收式制冷系统进行了实验研究，发现测试日当太阳辐射强度达到809 W/m2时，热源温度达到79.7 ℃，冷水出口温度为8 ℃，制冷能力为6.63 kW，可以满足住宅的制冷需求。徐震原等[7]对位于昌乐县采用真空管型太阳能集热器（ETC）驱动的单/双效吸收式制冷系统做了测试研究，全天太阳能集热器的温度在56.0～85.8 ℃，冷却水温度约30 ℃，冷冻水温度为10～18 ℃，这种纯太阳能制冷只能在白天运行。Li等人[8]研究了在中国广州亚热带气候条件下，太阳能集热器工作温度对20 kW风冷双效吸收式制冷机性能的影响，建立了面积为27 m2的太阳能复合抛物面集热场模型，并提出了太阳能集热器的最佳运行温度范围为100～125 ℃。郑雪景等[9]对槽式太阳能集热器（PTC）驱动的双效吸收式冷热一体化系统进行了数学建模与性能分析，该系统可以减少21.3%的一次能源消耗和18.8%的CO2排放，具有良好的可持续发展应用前景。另外，李靖等[10]还对采用平板集热器（FPC）、真空管太阳能集热器（ETC）、复合抛物面型太阳能集热器（CPC）和槽式太阳能集热器（PTC）驱动的单效吸收式制冷系统的经济性进行了对比分析，结果表明，采用真空管太阳能集热器的制冷系统具有较好的经济性。

随着太阳能集热器技术的成熟和推广，对太阳能吸收式制冷系统的运行特性及经济性的研究也逐渐深入。但对不同太阳能吸收式制冷系统在整个制冷季的动态特性分析很少。本文研究了不同太阳能吸收式制冷系统的动态特性，对不同系统进行了多变量优化，并对优化系统的运行特性进行了对比分析，为太阳能集热器在热制冷领域中的应用提供了理论指导和应用借鉴。

1 太阳能吸收式制冷系统简介

以豫北农村住宅(36.08°N,114.35°E)为冷负荷研究对象[11]，建立采用不同形式太阳能集热器作为热源的吸收式制冷系统。基于吸收式制冷系统循环流体和流体温度，将系统分为4个子系统：太阳能子系统（太阳能集热器到储罐环路）、热流体子系统（储罐到吸收式制冷机组环路）、冷却水子系统（吸收式冷水机组到冷却塔环路）和负荷子系统（吸收式冷水机组到建筑负荷环路）[12]。太阳能热驱动制冷系统结构如图1所示。其中，吸收式制冷机是系统的重要组成部分，连接各子系统。各设备主要参数见表1[13]和表2[14]。

表1 太阳能集热器主要模拟参数 Tab.1 Main simulation parameters of the solar collector

表2 系统主要设备的模拟参数 Tab.2 Simulation parameters of main equipment of the system

2 建立模型及验证

2.1 模型建立

基于METEONORM软件生成的天气文件和瑞士太阳能研究所提供的测试报告[15]以及天空各向同性散射计算模型，利用Fortran程序设计语言构建了不同形式的太阳能集热器模型。太阳能集热器数学模型主要包括光学性能模块和热力学性能模块。为了简化计算，对模型进行以下假设[3]：1）系统处于稳定运行状态；2）忽略制冷机、水泵以及相关附件的散热损失；3）不考虑系统中流体的损耗及补充；4）忽略各部件压损。仿真模型如图2所示。

对于光学性能部分，可以利用计算得到的横向和纵向入射角，在入射角修正值表中通过插值的方法求出不同入射角下直射辐射的入射角修正值。横向和纵向入射角公式为：

式中：θt和θl分别为横向和纵向入射角，°；θz为天定角，°；θ为入射角，°；γ和γs分别为太阳能集热器的方位角和太阳方位角，°。

利用太阳能集热器为吸收式制冷机提供热源。基于Hottel-Whillier-Bliss公式[16]，可以确定太阳能集热器的热效率为：

太阳能集热器获得的能量为：

式中：ηc为太阳能集热器效率；c0为效率截距；c1和c2分别为一阶和二阶效率系数；Tin和Ta分别太阳能集热器的进口温度和环境温度，℃；Qc为太阳能集热器获得的热量，kW；Ac为太阳能集热器的采光面积，m2；IT为太阳辐射强度，kW/m2；IAM为入射角修正系数。

本文以YAZAKI公司[17]生产的热驱动温度75～95 ℃的单效吸收式制冷机（WFC-M100）性能参数为依据，建立变工况模型[18]；然后，将变工况数据导入TRNSYS软件的单效制冷机模型中。其主要公式为：

热水型双效吸收式制冷机采用TRNSYS软件中提供的双效吸收式制冷系统，主要参数见表2。另外，本文采用逆流开式冷却塔来冷却吸收器和冷凝器。软件TRNSYS的Type162d模块可以模拟逆流开式冷却塔的性能。该模块需要提供特定的参数来确定传质单元数（NNTU）和流量比的关系。

式中：c和n为设计冷却塔的经验系数，c=1.62，n= -0.62；mw为流体质量流量，kg/h；ma为空气质量流量，kg/h。

2.2 模型验证

太阳能集热器和吸收式制冷机模型是仿真系统的主要组成部分，本文针对每种太阳能集热器类型，采用了特定的热效率方程。其中，FTC、ETC、PTC效率方程的数据根据瑞士太阳能研究所提供的测试报告选取；CPC效率方程采用文献[18]提供的数据拟合而成。图3为太阳能集热器模型验证，黑色虚线为测试报告中的性能曲线，红色实线为在相同测试条件下太阳能集热器模型的性能曲线。

从图3可以看出，测试和模型性能曲线的吻合度较高。吸收式制冷机组模型参考文献[19]建立，实验值与仿真值的最大误差为2.22%，说明本文建立的模型有效。

3 模拟结果及分析

基于TRNSYS软件，本文分别建立平板型、真空管型、复合抛物面型以及槽式抛物线型太阳能集热器驱动的制冷系统。为了准确地模拟系统的运行情况，选择7.5 min作为仿真时间步长；模拟时段为6月15日—9月1日。基于上述4种制冷系统，本文对影响系统性能的太阳能集热器面积、倾角和储能罐体积进行了优化分析。为了确保分析具有普遍的适用性，对太阳能集热器面积和储能罐体积的单位进行了归一化处理。太阳能集热器的倾角变化范围为0～45°；太阳能集热器面积的变化范围为0.5～6.0 m2/kW（单位制冷量所需太阳能集热器面积，Ap）；储能罐体积的变化范围是10～175 L/m2（单位面积太阳能集热器所需储能罐体积，Vp）[12]。优化参数及优化结果见表3。其中，SSlope为太阳能集热器倾角；SF为太阳能保证率；优化方法采用Hooke-Jeeves模式搜索法；目标函数为系统CCOPs（制冷量与辅助能量的比值）。

表3 参数优化 Tab.3 Parameters optimization

3.1 热驱动制冷系统的动态特性

图4为6月15日—9月1日不同热驱动制冷系统储能罐温度。从图4可以看出，不论采用哪种类型太阳能集热器，系统储能罐温度变化并不大，这主要是受限于要满足制冷机75～95 ℃运行工况的运行策略。因此，对于采用单效吸收式制冷机的系统，采用高温太阳能集热器，并不能充分发挥其温度优势。然而，对于采用双效吸收式制冷机的系统，可以发挥PTC制取高温热水的优势，为系统提供高温热源。

3.2 太阳能集热器性能

太阳能集热器的主要作用是提供热源，因此其在系统中的集热能力尤为重要。为此本文选取了包含太阳辐射强度较稳定和波动的7月30日—8月2日（全年时段为5 040～5 112 h），模拟得到的太阳能集热器性能曲线如图5所示。由图5可见，太阳能集热器接收到的辐射强度（I）与太阳能集热器的光学性能和太阳辐射强度有关。由图5a)可见，ETC接收太阳辐射强度的能力最强。在5 076 h，ETC可以接收776.3 W/m2的太阳辐射；而同一时刻，PTC接收太阳辐射的能力最弱，仅可接收348.1 W/m2的太阳辐射。这是因为PTC主要吸收太阳的直射辐射，散射辐射（约占总辐射的51.5%）没有得到充分利用。

由图5b)可以看出，太阳能集热器收集的能量与其接收到的辐射强度变化趋势一致。

图6分别为采用FPC、ETC、CPC和PTC的单效吸收式制冷系统的运行曲线。运行曲线反映了太阳能集热器出口温度（Tc）、发生器进口温度（Th）、辅助加热器耗能量（Qaux）以及机组制冷量（Qe）随时间变化的情况。

由图6可以看出，因为受制冷机运行策略的约束，进入发生器的温度Th比较平稳，维持在75～95 ℃的运行区间。另外，由于采用不同形式的太阳能集热器，系统的太阳能集热器出口温度和消耗的辅助加热器功率有所不同。对比发现，FPC和ETC出口温度比较平稳，在5 095～5 102 h时段内，ETC出口温度可以从75.0 ℃升至82.5 ℃；然而，因CPC和PTC获得太阳能较少，在5 070～ 5 082 h内太阳能集热器出现了频繁启停，此时辅助加热器会不断启动为制冷机提供所需热量。这是因为PTC仅能利用直射辐射，相较于采用CPC的制冷系统，太阳能集热器和辅助加热器的启停也更为频繁。作为主要热源提供设备的太阳能集热器，无法为系统提供更多的能量势必会增加辅助能源的消耗。3天内，采用FPC、ETC、CPC和PTC的单效吸收式制冷系统中辅助设备的耗能分别为787.0、6 550.0、 9 182.3、9 512.7 kW·h。

图7为采用PTC的双效吸收式制冷系统PTC-2ABS运行曲线。

从图7可以看出，进入发生器的热源温度Th在165 ℃附近波动，PTC-2ABS系统的运行曲线更加平稳。相对于采用PTC的单效吸收式制冷系统，PTC-2ABS减少了太阳能集热器和辅助设备运行频繁启动的现象；另外，辅助能耗大幅降低，约为5 412.3 kW·h，比ETC与单效吸收式制冷机组耦合系统的能耗低。这一方面是因为双效吸收式制冷机组有较高的性能系数，减少了热能需求；另一方面，运行温度可以提高到160 ℃，不再被限制在95 ℃以下，运行更加平稳，能更好地吸收太阳能。

不同系统能耗量与集热量对比如图8所示。

从图8可以看出：ETC-ABS的集热能力较强，可以达到4 984.7 kW·h；在运行时段内，不同系统的能耗占比均高达50%。在19:00到次日8:00时段，系统需要消耗辅助能源进行制冷。在这段时间内，FTC/ETC/CPC/PTC-ABS系统能耗占总能耗的比例分别为56.7%、69.6%、51.0%和49.2%。PTC-2ABS系统夜晚能耗占总能耗的比例为52.6%。在夜晚运行时各系统的能耗占比仍高达50%。因此，对于夜晚有制冷需求的情况，如果无法找到充足的余热源，系统的节能潜力将大打折扣。然而，对于仅白天有制冷需求的情况，因白天辅助能耗所占比例较小，在太阳辐照强度较好的地区，该系统具有一定优势。从整个制冷季来看，ETC-ABS系统的太阳能保证率最高，达到39.9%；PTC-2ABS的系统CCOPs最高，为1.297；因为PTC有较好的热力学性能，PTC的平均运行效率最高，可以达到0.638。