太阳能-余热联合驱动吸收过冷CO2 制冷-淡水联产系统性能分析

2024-04-07代宝民赵佳仪刘圣春杨海宁李伟锋章立标

流体机械 2024年2期

代宝民，赵佳仪，刘圣春，杨海宁，李伟锋，章立标，陈月

（1.天津大学医学工程与转化医学研究院，天津 300072；2.天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134；3.浙江国祥股份有限公司，浙江上虞 3123001）

0 引言

海水淡化是重要的增量水源，对缓解沿海地区和海岛水资源短缺，保障水安全具有重要意义［1］。但是海水淡化过程不仅能耗高、成本高，还会产生环境污染、温室效应等不利影响［2］。当前我国沿海地区对制冷的需求不断增加，尤其是在商超食品冷冻和冷藏方面［3］。为了提高能源利用率和经济效益，近年来海水淡化和制冷等应用集成的多联产研究受到广泛关注［4］。

为了同时满足淡水和制冷需求，目前关于淡水制冷联产的研究重点是多效蒸馏海水淡化和制冷系统的结合。ESFAHANI 等［5］提出了一种新型制冷和淡水联产的系统，将多效蒸发吸收热泵与蒸汽压缩制冷循环相结合。WANG 等［6］提出了一种主要消耗低品位热量生产冷量和淡水的系统，将吸收式制冷系统与多效蒸馏海水淡化系统相结合，并进行了经济分析。FARSI 等［7］首次提出了将增压多效蒸馏（MED）系统与跨临界CO2制冷系统相结合，并对系统性能进行了初步研究。

商超食品冷冻和冷藏有制冷的需求，然而目前商用制冷系统大多采用高全球变暖潜值（GWP）的常规制冷剂［8］。在《基加利修正案》正式生效的背景下，采用绿色环保的自然工质CO2是商场领域制冷剂替代的可靠解决方案［9］。CO2具有临界温度（31.1 ℃）低、临界压力（7.38 MPa）高的特点［10］，跨临界CO2制冷系统的压缩机排气余热可进一步回收利用［11］，如可作为海水淡化过程的驱动热源［4］，也可作为吸收式制冷机的驱动热源进行制冷［12］。

我国夏季大部分地区气候炎热，导致CO2制冷系统的能效偏低，因此可采用吸收式过冷技术降低CO2节流前的温度，以提高制冷循环效率。DAI 等［13］研究表明太阳能-余热驱动吸收过冷CO2制冷系统的COP可提高3.05%～42.30%。

我国太阳能资源丰富，开发利用潜力巨大［14］。在太阳能热利用的方式中，太阳能吸收式制冷是目前应用最广泛、效果最好的制冷形式［15-16］。

基于以上研究可以发现，对于CO2制冷-淡水联产系统的研究，前人很少关注可再生能源对系统性能的贡献和影响。因此，在满足商超制冷需求的同时，可综合利用CO2制冷系统的压缩机排气余热和商超建筑屋顶的太阳能驱动海水淡化系统和吸收式制冷机，分别生产淡水和冷量，实现双重目的。

因此，针对缺水地区对制冷与淡水的共同需求，本文提出太阳能-余热联合驱动吸收过冷CO2制冷-淡水联产系统。通过建立系统的热力学模型，对系统的运行参数进行优化，探索不同气候条件对系统年度性能系数（APF）、淡水产量等关键指标的影响规律，为同时生产淡水和满足制冷需求开拓了思路。

1 太阳能-余热联合驱动吸收过冷CO2 制冷-淡水联产系统

1.1 系统原理

基础CO2增压制冷-淡水联产系统（Base-CWCS）由CO2增压制冷子系统和增强多效蒸馏海水淡化子系统两部分组成。该系统利用高压级压缩机出口的CO2流体作为热源，驱动第一效蒸发器蒸馏海水，再由第一效蒸发器产生的蒸汽驱动第二效蒸发器蒸馏海水，以此类推可连续驱动多效蒸发器生产淡水，同时在第一效蒸发器释热后的CO2流体可继续作为增强效蒸发器的驱动热源，进一步生产淡水，实现能量的高效梯级利用，系统原理如图1 所示。

在Base-CWCS 系统的基础上，集成太阳能-余热联合驱动吸收式制冷子系统，构建太阳能-余热联合驱动吸收过冷CO2制冷-淡水联产系统（Abs-CWCS），其中太阳能和压缩机排气的热能可存储于储热罐中，通过提取储热罐中的热能驱动吸收式制冷子系统进行制冷，可实现对气体冷却器出口的CO2流体过冷，从而减少CO2制冷系统的节流损失，提高CO2制冷系统能效。当CO2制冷系统达到最大过冷度且太阳能仍有剩余时，可实现太阳能和压缩机排气余热对海水淡化系统的共同驱动，以实现太阳能和压缩机排气余热的充分利用，系统原理如图2 所示。

图2 太阳能-余热联合驱动吸收过冷CO2 制冷-淡水联产系统（Abs-CWCS）原理Fig.2 Schematic of hybrid solar energy and waste heat driving absorption subcooling CO2 refrigeration-desalination cogeneration system（Abs-CWCS）

1.2 数学模型

1.2.1 太阳能集热器模型集热器的效率与太阳辐射强度、环境温度和集热器入口温度有关，可由下式确定［17］：

式中，ηcol为集热器的效率，%；Tcol，in为集热器进口流体的温度，℃；Tamb为环境温度，℃；Isolar为太阳辐射强度，W/m2。

式中，Qsolar为集热器的负荷，W；Acol为集热器面积，m2。

1.2.2 吸收式制冷系统模型

式中，COPabs为吸收式制冷系统性能系数；Qevap，abs为蒸发器制冷量，W；Qgen为驱动发生器的热量，W；Wpump为溶液泵功耗，W。

1.2.3 吸收式过冷CO2制冷系统模型

式中，COP为吸收式过冷CO2制冷系统性能系数；Qevap，CO2为蒸发器制冷量，W；Wtot为压缩机和风扇的总功耗，W。

1.2.4 增强多效蒸馏海水淡化系统模型质量守恒［8］：

式中，mbr为浓盐水质量流量，kg/s；mf为进料海水质量流量，kg/s；i为效数，i=2，3，…，6；mv为蒸汽质量流量，kg/s。

盐度守恒：

式中，wsw为海水盐度，10-6；wbr为浓盐水盐度，10-6。

能量守恒：

式中，Qeffect，1为第一效蒸发器功耗，W；mCO2为CO2质量流量，kg/s；Boo 为增强效蒸发器；hfg为海水潜热焓值，kJ/kg；Qeffect，Boo为增强效蒸发器功耗，W；Qi为第i效蒸发器功耗，W。

2 结果和讨论

2.1 模型验证

为验证本文模型的正确性，选取FARSI 等［4，6-7］的跨临界CO2制冷和多效海水淡化集成系统的结果进行了模型验证。模型边界条件见表2，结果对比及误差见表3。可以看出误差均在5%以内，验证了本文压缩机排气余热驱动的增强器多效蒸馏海水淡化模型可靠性。

表1 多效蒸馏海水淡化系统参数Tab.1 Parameters of multi-effect distillation system

表2 模型验证及误差Tab.2 Model validation and deviation

表3 系统设计参数Tab.3 System design parameters

2.2 太阳能-余热联合驱动吸收过冷CO2 制冷-淡水联产系统运行特性

本文选取常规超市作为供冷对象，其面积为1 844 m2。中温展示柜和低温展示柜的平均日冷负荷与每日环境温度呈正相关［18］。系统设计参数见表3。

图3 示出了Base-CWCS 与Abs-CWCS 系统在太阳辐射强度为300～1 200 W/m2，环境温度为0～35 ℃时COP的变化情况。

图3 不同系统COP 随着环境温度及太阳辐射的变化规律Fig.3 Effect of ambient temperature and solar radiation on COP of different systems

可以看出集成太阳能-余热联合驱动吸收过冷子系统后，系统COP显著提升，尤其是在环境温度较高，即系统处于跨临界运行的工况下，并且Abs-CWCS 的COP提升率与太阳辐射强度直接相关。然而当环境温度低于15 ℃时，COP不受太阳辐射强度的影响。当环境温度为30 ℃，太阳辐射强度从300 W/m2增加到1 200 W/m2时，COP从1.17 增加到1.55，提升率为32.71%。而当环境温度为35 ℃时，COP从1.00 增高到了1.41，提升率高达41.00%。这是由于环境温度较高时需要更高的过冷度来提高CO2制冷系统的COP，而更高的太阳辐射强度可提供更多的热量驱动吸收式制冷子系统，以产生更多的冷量。而环境温度较低时系统所需的过冷度相对较低，少量热能即可驱动吸收式制冷子系统满足过冷要求，所以太阳辐射强度对系统COP影响很小。综上所述，利用太阳能吸收式过冷系统可以有效地解决CO2制冷系统在温暖或炎热气候下能效较低的问题。

与环境温度和太阳辐射强度相对应的过冷度的变化情况如图4 所示。可以看到当环境温度≤25 ℃，即系统处于亚临界模式运行时，太阳辐射强度可以满足最大过冷度需求。所以当环境温度较低时，在不同的太阳辐射强度的情况下，过冷度为常数，如在环境温度为0，5，10，15 ℃时，过冷度分别恒定为6.47，7.42，12.02，12.20 ℃。当环境温度为30，35 ℃时，且太阳辐射强度达到1 200 W/m2时，吸收式过冷系统能有效过冷CO2制冷系统，其过冷度分别达到了30.36，26.50 ℃。

图4 过冷度随环境温度及太阳辐射的变化规律Fig.4 Effect of ambient temperature and solar radiation on subcooling degree

当环境温度为35 ℃时，气体冷却器出口温度升高，排气压力升高，过冷度未遵循整体增长规律，这是由于更高的过冷度需要更多能量驱动，即更高的太阳辐射强度。当环境温度一定时，COP的变化趋势与过冷度一致，这也证明了增加太阳能-余热联合驱动吸收过冷子系统能够显著降低节流前CO2流体温度，有效提高系统能效。

当CO2制冷系统在环境温度低于26 ℃的情况下工作时，系统为亚临界状态，排气压力由环境温度决定，无需优化。而当环境温度高于26 ℃，即系统在跨临界模式下运行时，需优化排气压力以获得最大能效。图5 示出了不同系统排气压力随环境温度的变化情况。可以看到系统排气压力均随着环境温度的升高而增加。相对Base-CWCS 系统，Abs-CWCS 系统可显著降低排气压力，当太阳辐射强度为900 W/m2时，采用Abs-CWCS 的排气压力最高可降低6.86%，并且排气压力随着太阳辐射强度的增加而逐渐降低。

图5 不同系统排气压力随环境温度及太阳辐射的变化规律Fig.5 Effect of ambient temperature and solar radiation on discharge pressure of different systems

图6示出了在不同环境温度与太阳辐射强度下，Abs-CWCS 达到最大能效时，太阳能-余热联合驱动吸收式过冷子系统性能系数（COPabs）的变化情况。在环境温度低于15 ℃的亚临界运行区域，COPabs随环境温度的升高而逐渐降低，且几乎不受太阳辐射强度的影响。当环境温度为25，35 ℃时，COPabs随太阳辐射的增强而显著降低。这是由于COPabs与冷凝温度、蒸发温度以及蒸发和冷凝温度的差值直接相关，后者与过冷度呈正相关。COPabs的变化趋势与图4 所示的过冷度的变化趋势相反，表明过冷度越高，太阳能-余热联合驱动吸收式过冷子系统的能效越低。

图6 COPabs 随着环境温度和太阳辐射强度的变化规律Fig.6 Effect of ambient temperature and solar radiation on COPabs

图7 示出了在不同环境温度与太阳辐射强度下，Base-CWCS 与Abs-CWCS 系统淡水产量的变化情况。可以看到在环境温度一定时，Abs-CWCS 系统淡水产量随着太阳辐射强度的增加而增加，且都高于Base-CWCS。当环境温度较低时，Abs-CWCS 的最高过冷度较低，需要的太阳能热量较少，即可用于海水淡化的热量更多，所以在环境温度低于25 ℃时，太阳辐射强度的增加对淡水产量影响显著。当CO2制冷系统处于跨临界运行模式时，随着环境温度升高，用于CO2制冷系统过冷所需的热量更多，导致用于驱动海水淡化子系统的热量大幅降低，淡水产量有所降低，并且淡水产量随太阳辐射强度变化不明显。当太阳辐射强度为1 200 W/m2时，与Base-CWCS 系统相比Abs-CWCS 系统淡水产量增长了0.8～28.6 倍。

图7 不同系统淡水产量随着环境温度及太阳辐射的变化规律Fig.7 Effect of ambient temperature and solar radiation on freshwater production of different systems

2.3 太阳能-余热联合驱动吸收过冷CO2 制冷-淡水联产系统全年运行特性

考虑气候条件的影响，选择位于中国不同气候区的5 个典型缺水城市作为系统的使用地点，对系统的APF进行分析，以上城市均分布于沿海地区，海水资源丰富且均属于缺水城市。不同城市Base-CWCS 和Abs-CWCS 系统的年度性能系数，如图8 所示。可以看到Abs-CWCS 的APF明显高于Base-CWCS，且APF基本随城市纬度的增加而增加。APF提升率定义为Abs-CWCS 相对Base-CWCS 的APF提升率。可以看到以上5个典型缺水城市的APF提升率相当，其中天津最高，为3.76%；上海最低，为3.55%。

图8 不同系统在5 个城市使用时的年性能系数Fig.8 Annual performance factor of different system in 5 typical cities

Base-CWCS 和Abs-CWCS 在5 个典型缺水城市运行的年淡水产量如图9 所示。可以看到增加太阳能-余热联合驱动吸收过冷子系统后，各个城市年淡水产量都得到显著提升，表明采用太阳能和压缩机排气余热的Abs-CWCS 系统可显著提升淡水产量，提升率可达9.54%～64.62%。Base-CWCS 系统仅由CO2制冷系统的压缩机排气余热驱动海水淡化系统，其淡水产量随环境温度的升高而增加，所以Base-CWCS 的淡水产量基本随纬度的增加而降低。其中大连淡水产量最低，为337.50 m3/a，海口可达到489.70 m3/a。而Abs-CWCS 则是由环境温度和太阳辐射强度共同影响，导致其变化规律不明显。