基于太阳能余热利用下的吸收式制冷系统的可行性研究

2022-09-27朱益秀戴春祥

南京师范大学学报（工程技术版） 2022年3期

朱益秀,夏燚,戴春祥

(南京师范大学能源与机械工程学院,江苏南京 210023)

太阳能热水系统在夏季运行时,由于基础水温较高,且辐照强度较大,系统容易处于过热状态而加速设备老化,所以应采取一定技术手段来充分利用太阳能集热系统多余的热量[1]. 吸收式制冷是由热能驱动,所以被认为是利用太阳能热能来实现制冷的最佳选择[2-3]. 太阳能吸收式制冷技术以太阳能为驱动热源,不仅对降低建筑能耗、减少环境污染具有重大意义[4-7],而且在有制冷需求的夏季,太阳能辐照越强、天气越炎热,虽然建筑空调负荷在变大,但太阳能吸收式制冷的制冷能力也在增加,两者变化具有良好的匹配性,可缓解空调用电高峰期,因此有巨大的市场应用前景[8-9].

国内外学者对太阳能热利用下的吸收式制冷系统进行了大量的应用研究. 如Greco等[10]对坐落在意大利那不勒斯城市的一栋面积约为2 500 m2的办公建筑利用TRNSYS建立基于真空热管式集热器的太阳能吸收式制冷系统模型并进行动态研究,结果表明该制冷系统的正常运行能够满足此办公建筑的制冷需求. Rosiek等[11]在西班牙的某大楼中设计了一套以太阳能作为辅助热源的吸收式空调系统,对其长期运行进行分析研究,结果表明,夏季各个月份系统性能系数COP的平均值为0.6,系统平均制冷量为40 kW. 王建辉等[12]对一户农村新民居建筑的小型太阳能溴化锂吸收式制冷系统进行试验研究,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. 李悦等[13]对基于辐射供冷的太阳能吸收式制冷系统进行了试验,其可以连续稳定运行8 h,并可以满足热舒适要求.

综上可知,太阳能吸收式制冷系统运行可靠且制冷性能良好,具有极大的推广应用价值. 现研究的太阳能吸收式制冷系统大多采用太阳能全热作为驱动热源,而对于太阳能余热利用下的吸收式制冷系统的应用研究仍相对较少. 针对南京某商用建筑真空热管太阳能热水系统夏季运行时会产生过剩热量的问题,设计增加一套利用太阳能余热驱动的单效溴化锂吸收式制冷系统,并取消原热水系统中利用散热风机进行过剩热量散失的环路. 单效溴化锂吸收式制冷机组的驱动热源温度一般为80～99 ℃[14],为证明该系统将太阳能余热应用于吸收式制冷的可行性,本文于夏季对该太阳能热水系统进行集热器出回水温度、水箱温度以及太阳能辐照强度等参数测试,并进行相关数据分析. 在此基础上,利用TRNSYS搭建拟设计增加的溴化锂吸收式制冷系统仿真模型,模拟分析了在实验当日辐照条件下的吸收式制冷系统的相关运行状态参数.

1 实验系统描述

图1为太阳能热水系统流程图. 该项目位于南京某商用建筑内,采用了集中直接加热、封闭承压式的太阳能热水系统. 实验主要设备如图2所示,太阳能集热系统采用36组真空热管型集热器组合而成,总面积约为124 m2,集热器安装倾角为45°,蓄热水箱体积为8 m3,半容积式换热水箱体积为2 m3,辅助加热设备为燃气锅炉,实验时其处于不工作状态.

图1 太阳能热水系统流程图

图2 实验主要设备图

主要测试项目和实验仪器见表1. 选取夏季 8月24日对集热器出回水温度、水箱温度、集热面板温度以及集热器的时刻辐照值等数据进行实时监测记录,太阳能热水系统集热运行监测时间为10:00—16:30.

表1 测试项目和实验仪器

2 实验结果分析

由图3可知,8月24日测试时间段内,太阳能辐照强度值随时间呈先上升后下降趋势,无较大波动,太阳能辐照强度最大值为945.4 W/m2,最小值为105.8 W/m2,当天平均辐照强度值约为614.2 W/m2,集热器瞬时效率在12:40左右达到最大值为67%,当天平均集热效率约为45%. 由图4可知,集热器出回水温差高可达10 ℃左右,蓄热水箱初始温度为63.8 ℃,经过4 h的加热后,水箱温度升高至80 ℃以上. 由分析可知,真空热管集热器太阳能热水系统在高温区域也有较高的集热效率,且水箱输出温度能够达到单效溴化锂吸收式制冷机组的热源驱动温度,可证明在原热水系统已满足生活热水需求温度为60 ℃的基础上,可以增设一套采用太阳能余热作为驱动热源的溴化锂吸收式制冷系统.

图3 集热器瞬时效率和太阳能辐照强度随时间变化曲线

图4 集热器出水温度、回水温度和水箱温度随时间变化曲线图

3 搭建太阳能吸收式制冷系统仿真模型

瞬时系统模拟程序Transient System Simulation Program适用于建筑能耗、太阳能等一些能源系统进行动态模拟分析. 为分析在原太阳能热水系统基础上拟设计增加的溴化锂吸收式制冷系统的运行性能,本文以南京地区的气象数据作为天气模拟条件,选取利用TRNSYS软件中的真空热管集热器、分层蓄热水箱和自带外部文件的吸收式制冷机作为主要部件建立太阳能吸收式制冷系统,此系统模型主要由四个部分组成,包括太阳能集热循环系统、吸收式制冷系统、自动控制系统、在线输出系统,如图5所示.

图5 太阳能吸收式制冷系统TRNSYS模型图

当蓄热水箱的出水温度达到80 ℃时,启动吸收式制冷机. 模型中水箱的初始温度、集热循环泵流量的设置与实验测试初始值保持一致,设置仿真步长为0.5 h,且各部件之间正确连接后,进行太阳能溴化锂吸收式制冷系统模拟仿真.

4 仿真结果分析

太阳能溴化锂吸收式制冷系统仿真模型是在整个夏季运行的,特别是在典型气象年的6月1日至 9月 30日,将从Meteonorm气象软件下载的南京典型气象年文件导入模型中的天气读取模块中,其包括全年辐照值、环境温度、自来水温度等参数,仿真得到6月至9月室外环境温度以及太阳能辐照强度变化图,如图6所示.

图6 6—9月环境温度及太阳能辐照强度值随时间变化曲线图

对仿真输出数据计算日平均太阳能辐照强度值,发现系统模型在仿真时间为8月28日(5 736～5 760 h)的平均太阳能辐照强度约为605 W/m2,与实验值之间的误差仅有1.5%,故将仿真时间设置为 5 736～5 760 h,模拟输出蓄热水箱出水温度、水箱得热量等参数值,并与实验测量相关数据进行对比分析. 由表2可知,实验当天太阳能总辐照量为1 743 MJ略大于模拟值的1 718 MJ,但由于模拟时太阳能热水系统运行是理想状态,忽略了水箱、管路等热损失,使得模拟时的水箱得热量略大于实验值,不过两者误差均控制在2%以内. 由图7可知,随着太阳能辐照强度的不断增大,使得蓄热水箱平均出水温度最大值均升至83 ℃左右,且两者曲线吻合良好. 由此可见,预测分析吸收式制冷系统在实验当日辐照条件下的运行性能,可直接模拟分析与测试当天辐照值非常接近的8月28日的运行参数.

图7 蓄热水箱平均出水温度

表2 实验与模拟参数对比

将仿真时间设置为8月28日(5 736～5 760 h),模拟输出太阳能吸收式制冷系统各项参数随时间的变化情况,如图8所示.

图8 太阳能吸收式制冷系统各项参数随时间的变化情况

由图8(a)可知,一天中由于太阳能辐射强度逐渐增强,使得蓄热水箱温度在稳步上升,14:00左右蓄热水箱出水温度(发生器进口温度)达到80 ℃,吸收式制冷机组启动运行. 下午太阳能辐射强度较高,加之蓄热水箱具有良好的储能作用,使得制冷机持续运行5 h,直至19:00蓄热水箱出水温度才降至80 ℃以下,达到了吸收式制冷机组的最低运行温度,该机组停止运行. 机组运行期间,性能系数COP曲线呈下降趋势,COP值从0.68降至0.64,这是由于发生器进口温度在逐渐下降,进出口温度差从4.58 ℃升至4.69 ℃,制取相同的冷量耗费了更多的热源热量. 由图8(b)可知,机组平均制冷量可达9.41 kW,冷冻水进口温度约为11.2 ℃,出口温度约为7 ℃,进出口温差保持在4.2 ℃左右,具有良好的制冷效果,冷量可储存在蓄冷水箱中,在空调需求高峰期使用,缓解电力紧张问题. 由图9可知,吸收式制冷机运行期间,太阳能辐照强度值在逐渐减小,使得真空热管集热器的有效得热量也在不断减小,导致8 m3水箱瞬时集热功率在逐渐下降,一开始水箱集热功率远大于制冷机的热水消耗功率,直至18:00之后,太阳能辐照强度值很小,此时水箱集热功率小于热水消耗功率,最后降至为0.