氨水吸收压缩太阳能制冷技术在公共建筑的应用分析

2023-11-16徐一飞白静国于祖龙

科技和产业 2023年20期

徐一飞, 房跃, 白静国, 于祖龙

(1.天津市贰拾壹站检测技术有限公司, 天津 300381; 2.北京建筑材料检验研究院股份有限公司, 北京 100041)

公共建筑由于具有人流密集、结构复杂等特点,其空调系统能耗较常规建筑高。2022年全国公共建筑面积约为152亿 m2,公共建筑总能耗3.42亿 tce,公共建筑能耗成为我国建筑能耗的主导部分[1]。在“碳达峰、碳中和”的背景下,探索太阳能等清洁能源替代常规能源对建筑行业节能减排具有重要意义。

太阳能吸收式制冷技术以太阳能为驱动热源,其为建筑提供的制冷能力与太阳能辐射照度在时间上具有较好的时间同步性。但同时太阳能具有间歇性及强弱不定性特征,其在夜间和阴雨天气时将无法为吸收制冷系统提供足够的热量或所提供的驱动热源温度不够。常规吸收制冷系统存在“临界热源温度”限制,即当热太阳能热水温度低于吸收制冷系统临界温度时,存在发生蒸汽无法冷凝或吸收器无法吸收问题,导致吸收制冷系统无法正常运行[2-5]。国内外的太阳能吸收制冷系统,大多采用平板集热器,其获得的热源温度一般在40～85 ℃,此温度范围对于单级吸收式制冷系统而言热源度偏低,系统性能系数(coefficient of performance,COP)较低,且太阳能热水的可利用温差小,一般仅有6～8 ℃[6-10]。吸收制冷对驱动热源的质和量的强依赖性特点,严重限制了太阳能制冷技术的应用推广。

本文提出了氨水吸收压缩式太阳能制冷系统方案,通过对制冷剂的压缩弥补其在公共建筑供冷时存在的系统供冷不稳定、系统循环效率低、供热温度低导致的系统无法正常驱动运行等问题。相关结论可为太阳能吸收制冷技术在建筑节能领域的应用推广提供参考。

1 氨水吸收压缩式太阳能制冷系统

氨水吸收压缩式太阳能制冷系统由太阳能集热器、蓄热水箱、发生器(含精馏器)、回热器、吸收器、蒸发器、冷凝器、节流阀、溶液泵、截止阀及压缩机组成(图1)。系统工质对采用氨-水,其中水为吸收剂,氨为制冷剂,氨与水均为环保型工质,其臭氧耗减潜能值(ozone depletion potential,ODP)及全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)均为零。与水-LiBr(溴化锂)工质对相比,氨-水具有廉价易得,对金属材质无腐蚀、变温不易结晶、可制0 ℃以下低温等优点。

图1 氨水吸收压缩太阳能制冷系统原理

如表1所示,系统具备四种运行模式,即吸收制冷、机械压缩制冷、吸收压缩并联制冷、吸收压缩串联制冷。

表1 氨水吸收压缩太阳能制冷系统运行模式

1)吸收制冷模式:适用于太阳能热量充足,且热水温度高于85 ℃时,此时公共建筑供冷全部由太阳能吸收制冷系统所承担。通过太阳能高温热水驱动吸收制冷发生器运行,氨水溶液被加热后解析出高压氨气及少量水蒸气,经精馏提纯后获得纯度>99.8%的氨气,氨气在冷凝器中通过冷却水凝结为高压液氨,液氨经节流降压后进入蒸发器,对公共建筑空调水进行冷却降温,液氨吸热气化为低压氨气,之后进入吸收器被来自发生器的稀氨水溶液吸收,吸收放热由冷却水排出,吸收完成的浓氨水再次返回发生器。为了提高系统热量利用效率,发生器排出的高温稀氨水与吸收器排出的低温浓氨水通过回热器进行热量交换。

2)机械压缩制冷模式:适用于夜间、连续阴雨天气等太阳能系统无法提供驱动热源时采用。此时公共建筑的冷负荷全部由机械压缩制冷所承担。系统运行时纯氨工质在蒸发器、节流阀、冷凝器、压缩机组成的回路内循环。系统运行原理与常规氟利昂制冷类似,此处不再赘述。

3)吸收压缩并联制冷模式:适用于太阳能供水温度高于85 ℃,但供热量不足时,如受制占地面积等因素影响集热器配置偏少等情况。此时公共建筑的冷负荷一部分由太阳能吸收制冷承担,其余由机械压缩制冷进行补充。

4)吸收压缩串联制冷模式:适用于太阳能供水温度低于吸收制冷系统临界热源温度时。为了保证吸收制冷系统在低热源条件下正常运行,通过对蒸发器出口的低压氨气进行增压,改变氨-水的温度、浓度及压力三者间的热力学平衡,保证增压后的氨气在中压吸收器内顺利吸收。

2 氨水吸收压缩太阳能制冷典型工况的系统参数

以天津市某公共建筑为例进行分析,该建筑的空调面积约1万 m2,空调单位面积热负荷取100 W/m2· ℃,建筑总制冷负荷为1 000 kW。太阳能采用平板集热器,最大供热温度约为85 ℃。空调供回水温度为7 ℃/12 ℃。

氨水吸收压缩太阳能制冷四种典型运行工况,满负荷供冷条件下的系统参数如表2所示。其中,吸收压缩并联制冷运行时,制冷负荷承担比例按1:1计。

系统性能系数(COP)计算公式如下:

(1)

式中:Qe为制冷量(kW);Qg为太阳能系统为发生器提供的加热量(kW);W为系统的总耗电量,具体包括压缩机及泵(kW)。

系统循环倍率(FR),表征了发生器每产生1 kg冷剂氨蒸气所需要的氨水浓溶液的循环量。循环倍率与系统换热面积密切相关,一般追求尽可能低的循环倍率。

(2)

式中:ξa为发生器进口浓氨水质量浓度(%);ξg为发生器出口稀氨水质量浓度(%)。

3 氨水吸收压缩太阳能制冷系统性能对比与分析

3.1 能源消耗量

吸收制冷、机械压缩制冷、吸收压缩并联制冷、吸收压缩串联制冷系统的能源消耗情况如图2所示。由图2可知,吸收制冷系统的冷却水及太阳能热水消耗量最大,耗电量最小。机械压缩制冷因采用逆卡诺循环运行,全部以电力驱动运行,其耗电量最大。吸收压缩并联制冷的冷却水耗量及热水耗量小于吸收制冷,耗电量小于机械压缩制冷。

吸收压缩串联制冷的冷却水耗量较吸收制冷略低,但其太阳能热水耗量远低于吸收制冷,仅为后

表2 氨水吸收压缩太阳能的系统参数

者的10.8%,这主要是因为吸收压缩串联制冷时,系统在吸收-压缩的耦合驱动下,压缩机的增压改变了氨水平衡浓度点,可降低发生器的驱动热源温度;在相同驱动热源温度条件下,吸收压缩串联制冷时太阳能热水回水温度可利用至更低,即提高了太阳能热源的可利用温差。低热源驱动不仅可减少集热器的配套面积及初投资,同时低回水温度有助于太阳能集热器热效率提升。

图2 相同制冷量时各运行模式的能源消耗对比

与机械压缩制冷相比,吸收压缩串联制冷系统耗电仅为前者的50%,这主要是因为机械压缩系统的压缩机的吸/排气压力为4.63 bar(a)/13.5 bar(a),压缩比为2.92;吸收压缩串联制冷系统的吸/排气压力为4.63 bar(a)/8.08 bar(a),压缩比仅为1.75。

图3 制冷系统各运行模式的运行费用对比

3.2 系统运行费用

四种运行模式的制冷运行费用对比如图3所示。计算时电价按1元/kW·h,冷却水和太阳能热水均按0.2元/m3计算。可见机械压缩式系统的运输费用最高,吸收压缩串联制冷系统的运行费用最低,与吸收制冷、机械压缩制冷、吸收压缩并联制冷相比,吸收压缩串联制冷的运行费用分别降低4.6%、33.8%、19.2%。

3.3 系统性能系数(COP)及热力学完善度

在进行吸收制冷和蒸汽压缩制冷系统性能系数对比时,因压缩式制冷消耗电,吸收式制冷消耗热,电比热的品位高,因此二者不能进行直接对比,需考虑发电与输送过程效率,若取值0.35,则机械压缩的当量性能系数为0.35×4.9=1.72。机械压缩制冷的逆卡诺循环(冷凝温度35 ℃,蒸发温度2 ℃)性能系数为8.3,其热力学完善度为1.72/8.3=0.21。

吸收制冷的最高热力系数为1.16(冷凝温度35 ℃,蒸发温度2 ℃,热源温度85 ℃),而吸收制冷的实际性能系数为0.58,其热力学完善度为0.5(图4)。

可见在公共建筑太阳能制冷工况时,与机械压缩制冷相比,吸收制冷系统性能有很大改善,其热力学完善度高于纯机械压缩制冷。

3.4 太阳能供水温度

在采用氨水吸收压缩串联制冷模式运行时,不同太阳能供水温度时系统的能源消耗情况如图5所示。由图5可知,随着热源温度的降低,系统需要太阳能提供的热水量逐渐降低,而系统压缩机的耗电

图4 制冷性能系数及热力学完善度对比

图5 不同太阳能供水温度时吸收压缩串联制冷系统能耗

量几乎呈线性增加趋势。这主要因为在低热源条件下,系统需要在高氨水浓度条件下运行,此时发生器精馏所需回流相对较小,且经回热器热回收后进入发生器的浓氨水需要的补热量较小,使得发生器的热负荷随热源温度的降低而下降;但是随着热源温度的降低,吸收器的氨水平衡浓度及平衡压力升高,导致压缩机的排气压力及压比增大,压缩耗电量逐渐增高。值得注意的是即使太阳能供水温度低至55 ℃,吸收压缩串联模式制冷系统依旧可以正常运行,其耗电量(148 kW)较同制冷量的机械压缩制冷模式(204 kW)降低了37.8%。氨水吸收压缩串联制冷系统无常规吸收制冷系统的“最低临界热源温度”限制,使其应用区域及应用领域大幅增加。