新型太阳能热水站与太阳能制冷空调综合系统设计探讨

陈小雁

(苏州建设交通高等职业技术学校,江苏苏州215104)

0 引 言

能源与环境是人类生存和发展的基础,在人们越来越关注生活质量和舒适性的同时,能源和环境保护的警钟频频响起。近年来由于空调的大量使用,加剧了能源供应紧张和环境污染等问题。

从20世纪70年代后期开始,太阳能热利用技术迅速发展,太阳能空调技术也随之出现。太阳能空调技术对于节省常规能源,减少环境污染,提高人们生活水平有着很重要的意义,也符合可持续发展战略的要求。

1 太阳能热水站与太阳能制冷空调综合系统设计

目前常见的太阳能利用方式是利用太阳能热水器生产生活热水,对于其经济性,市场已经作了很好地说明。但是发展太阳能空调的最大障碍是初始投资较大。如果仅建设单一功能的太阳能空调,则由于其初始投资比现有电压缩式空调以及燃油和燃气型溴化锂吸收式制冷空调方式昂贵得多,因而必然难以引起用户的兴趣。其实,分析太阳能空调设备费用构成,太阳能集热器大约占三分之二,所以只要充分发挥太阳能集热器的作用,就可能获得良好的经济效益。因为太阳能热水器本身的经济性已被市场证明。按照上述思路:本文以热水需求量来确定空调负荷供应量的建设太阳能空调和热水站综合系统方案的设计理念,提出瞄准城镇建筑物顶建立常年生活热水和夏季空调冷水综合应用的太阳能利用系统。

1.1 太阳能热水站与太阳能制冷空调综合系统

图1显示了一种以城镇建筑物为单元同步建设太阳能热水站和太阳能空调系统的方案的系统流程。其具体做法是:以聚光型太阳能蒸汽发生器来生产热媒,在夏天空调季节日照正常时按双效蒸汽型循环驱动溴化锂吸收式制冷机运行,在非日照时段当热源温度低于140℃时按单效循环运行的方案。

该系统主要部件有:聚光型太阳能蒸汽发生器、蓄热水箱、双效蒸汽型单效热水型板壳式溴化锂吸收式制冷机、冷却塔、生活热水箱、集热器循环泵、热水泵、冷却水泵等。

1.2 太阳能制冷及生活热水系统流程

溴化锂吸收式制冷机所需热源有蒸汽和热水,两路热源一般情况是分别切换使用,但也不排除可以同时使用,特别是在蒸汽参数偏低,制冷功率未达到要求时。整个系统由蒸汽回路、热水回路、冷却水回路以及生活热水回路组成。蒸汽回路:由聚光型太阳能集热器、汽水分离罐和连接管线组成。分离罐下部供水联管与聚光型太阳能集热器各吸收管一端连接,吸收管内液位由汽水分离罐内液位确定,吸热后蒸发出的蒸汽经蒸汽联管返回汽水分离器,形成自然循环;当有制冷需要且蒸汽压力达到0.25MPa(表)时,打开V2阀给溴化锂吸收式制冷机供应蒸汽,制冷机按双效循环运行;当蒸汽压力升至0.6MPa(表)时开启V1使部分蒸汽进入蓄能罐,并维持V1阀前压力不变。水泵P1根据汽水分离罐内液位进行补水。

图1 太阳能热水站与太阳能制冷空调综合系统图

热水回路:由蓄热水箱和连接管线组成。当有制冷需要且蒸汽压力低于0.25MPa(表),而蓄热水箱内热水温度在139℃85℃之间时,制冷机热源切换为热水,按单效循环运行,启动热水泵P2并打开V3阀。蓄热水箱内设置折流隔板以加大温度差,因热水温度是上高下低,所以在上部吸水而回水从底部返回。由于双效与单效循环两者所覆盖的热源温度范围较宽,日照时段可按双效循环运行,并对蓄热水箱内热水加热;非日照时段的运行可在热源参数降低时切换至单效循环运行,蓄能密度达到冰蓄冷的水平。且循环的性能系数较高。

冷却水回路:冷却水泵P3从冷却塔水箱吸水,冷却制冷机的吸收器和冷凝器后,出口温水经三通阀V5送往生活热水箱或冷却塔。

生活热水回路:空调季节生活热水箱的补水来自制冷机出口的冷却水,此时生活热水箱的补水浮球阀上游的阀V6应关闭,以尽量利用制冷机冷却水的能量,当来自制冷机的冷却水温度偏低时,在生活热水箱内用来自蓄热水箱的热水加热,从热水泵P2后面引水,经阀V4通过生活热水箱内的间壁式换热器 (盘管)加热后流回蓄热水箱。由比较温度传感器的测量值和温度的设定值控制V4,调节加热水的流量。在非空调季节,可将V6打开,直接用自来水补水,热源则仍然用蓄热水箱的热水,这样可以同时利用蓄热水箱和生活热水箱2个水箱来蓄取太阳能,特别是蓄热水箱可贮存的热水温度较高 (可达160℃),单位容积的蓄能量较大。上述方法的另一个优点是蒸汽和热水回路与生活热水隔开,前者用软化水,后者用自来水。

2 双效蒸汽型/单效热水型两用溴化锂吸收式制冷机

双效/单效两用溴化锂吸收式制冷机跟普通的双效溴化锂制冷机相比,多了一个热水低压发生器(如图2所示)。V1用于双效与单效的切换,当双效运行时开启V1,单效运行时关闭V1;V2用于双效运行时调整去高压发生器和低压发生器的稀溶液流量。因两个目的容器 (高压发生器和低压发生器)内压力不同,需要在压差较大的低压管线上设置阀门来节流调节分配流量。

2.1 双效蒸汽型和单效热水型两用溴化锂吸收式制冷机系统

为了高效率和蓄能,需要采用双效和单效耦合运行的溴化锂吸收式制冷机,双效制冷循环所需热媒温度为160℃左右,需要采用聚光型太阳能集热器。长期以来,聚光型太阳能集热器都被认为是成本较高的方式,结果是束之高阁,其实这需要综合分析其用途再作结论。如果只是为了生产生活热水固然是不适合;而如果是用于效率更高的双效循环吸收式空调制冷则有可能是合理的。聚光型太阳能集热器可以生产160～180℃左右的蒸汽或热水用于驱动双效循环溴化锂机组运行,其制冷性能系数COP可达1.2左右,效率高出单效循环的0.7倍和两级循环的2倍,因而所需集热器面积也就可以相应减少,其经济效益也就可能实现。双效蒸汽型和单效热水型两用板壳式溴化锂吸收式制冷机系统原理图如图2所示。

2.2 双效蒸汽型与单效热水型溴化锂吸收式制冷机

参考图1太阳能制冷空调与生活热水综合系统图,当聚光型太阳集热器发生的蒸汽压力达到0.25MPa(表)且有制冷需求时,打开V2阀给溴化锂吸收式制冷机供应蒸汽,制冷机按双效运行,在高压发生器中,稀溶液被热源蒸汽加热。在较高的发生压力pr下产生冷剂蒸汽,因该蒸汽具有较高的饱和温度,又被通入低压发生器作为热源,加热低压发生器中的溶液,使之在冷凝压力pk下产生冷剂蒸汽。此时,低压发生器则相当于高压发生器在pr压力下的冷凝器。由此可见,驱动热源的能量在高压发生器和低压发生器中得到了两次利用,所以称为双效循环。显然,与单效循环相比,产生同等制冷量所需的驱动热源加热量减少,即双效机组的效率比单效机组高近一倍。

在制冷剂回路中,高压发生器中产生的冷剂蒸汽,在低压发生器中加热溶液后,凝结成冷剂水,经节流减压后进入冷凝器,与低压发生器中产生的冷剂蒸汽一起被冷凝器管内的冷却水凝结成冷剂水。显然,与单效循环相比,双效循环还减少了冷凝器的冷却负荷。

冷凝器中的冷剂水经U形管节流后进入蒸发器,喷淋在蒸发器传热面上吸取管内冷水的热量,在蒸发压力p0下蒸发,使冷水温度降低,达到制冷的目的。蒸发器中产生的冷剂蒸汽流入吸收器,完成了双效制冷循环的制冷剂回路。

如图2所示,溶液回路按并联流程工作,自高压发生器和低压发生器流出的浓溶液,分别进入高温溶液热交换器/凝水热交换器和低温溶液热交换器,在其中加热进入高压发生器和低压发生器的稀溶液,温度降低后直接喷淋在吸收器传热面上,吸收来自蒸发器的冷剂蒸汽。从而维持蒸发器中较低的蒸发压力,使制冷过程得以连续进行。在管内冷却水的冷却下,浓溶液吸收水蒸汽后温度、质量分数降低为稀溶液。流出吸收器的稀溶液由溶液泵升压,按并联流程分成两路,一路经高温溶液热交换器/凝水热交换器送往高压发生器。另一路经低温溶液热交换器送往低压发生器。这样,便完成了双效循环的溶液回路。

当聚光型太阳集热器发生的蒸汽压力低于0.25MPa(表),蓄能罐温度低于139℃时,制冷机按单效运行,关闭V1阀,从吸收器流出的稀溶液经低温溶液热交换器后直接喷淋在热水低压发生器传热面上,制冷机热源由蓄能罐热水提供。当蒸汽发生量较少时,单独运行双效循环的制冷量达不到需求时,也可同时投入热水驱动的单效制冷循环,故将热水低压发生器和蒸汽低压发生器布置在装置的一侧,之间不设置隔板,这样,吸收器中的稀溶液经过低温溶液热交换器加热后就可同时喷淋在这两个低压发生器上,以实现双效/单效分别运行或同时运行。

图2 双效/单效两用溴化锂吸收式制冷机流程

2.3 国内企业溴化锂吸收式制冷机组生产状况

目前国内空调企业生产销售的溴化锂吸收式冷水机组系列产品容量较大,型号最小的制冷量为230kW左右,显然不适宜用于小型建筑的太阳能空调系统的制冷设备。

容量适宜的小型溴化锂吸收式冷水机组产品是使太阳能空调系统付诸实施的必要条件。因此对小型溴化锂吸收式冷水机组进行热工和传热计算是确定所讨论的系统方案是否可行的重要工作,在以后的工作中需要进一步开展太阳能吸收式制冷机的实验研究工作,验证其性能及长期制冷效果。

3 结语

该系统中太阳能集热器的集中统一布置突破了低层住户难以使用太阳能热水的发展瓶颈,同时也与城市建筑保持协调一致。此方案既满足了包括底层住户在内的所有住户使用经济实惠的太阳能热水的愿望,又节省了部分太阳能制冷空调住户用于空调的费用。由于集热器的投资费用被所有热水用户分摊,太阳能制冷空调综合所增加的投资仅仅是制冷机和室内风机盘管等,而这部分的投资很快可以在所节省的空调电费中回收。太阳能热水站与太阳能制冷空调综合系统可以充分发挥太阳能系统节能的优点,并体现了吸收式制冷的环保效应,只要对系统的可行性研究足够充分,此方案定会具有良好的发展前景。

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