太阳能喷射制冷系统应用性能模拟

薛相美

(佛山市高级技工学校，广东528200)

引言

我国是太阳能资源大国，可利用太阳能的国土面积占2/3以上，约600万平方公里，全年平均日照时间在2200～3300小时之间，年总辐射量超过1670 kW·h/m2，开发利用前景十分广阔［1］。太阳能喷射制冷是太阳能利用的一种重要形式，其具有可利用低品位能源、结构简单、无运动部件及安装维护简单等优点，具有广阔发展前景和工程应用价值，因此受到各国研究者的关注。已有文献结合太阳能辐射特性、气候条件等来研究太阳能喷射制冷的动态性能［2－3］。但未见有文献根据环境变化确定冷负荷变化以及由冷负荷变化带来对系统性能的影响，因此本文将综合考虑这些因素，通过建立对太阳能喷射制冷系统性能分析模型，以环境友好工质R141b为制冷剂，选择上海这一具有代表性的城市，以研究太阳能喷射制冷在我国的可行性及应用前景。

1 系统描述

太阳能喷射制冷系统如图1所示，它由两部分组成:一个是太阳能集热系统，它是喷射制冷系统驱动能源来源;另外一个是喷射制冷系统，它为用户提供冷量。

图1 太阳能喷射制冷系统原理图Fig.1 Diagram of solar－driven ejector cooling system

1.1 太阳能集热系统

系统由太阳能集热器、储热水箱、辅助加热器组成。辅助加热器位于储热水箱和发生器之间，当水箱温度不足以驱动喷射制冷系统时，启动辅助加热器。

太阳能集热器是太阳能热利用系统中的关键部件，本文将使用平板集热器和真空管集热器的太阳能系统进行对比分析，这两种集热器是目前应用最为普遍的集热器类型。

喷射制冷系统由两个子循环构成:动力子循环，即制冷剂依次流经发生器、喷射器、冷凝器、蒸发器、循环泵再回到发生器，提供喷射器工作所需要的高压工作气体;另一个为制冷子循环，即制冷剂依次流经喷射器、冷凝器、节流阀、蒸发器，再回到喷射器的吸入口，提供所需要的制冷量。

衡量喷射制冷系统性能的指标主要有喷射系数和COP。喷射系数指的是引射流体和工作流体的质量流量之比:

喷射系数

忽略循环泵功，则喷射制冷的COPeic为制冷量和输入热量之比。计算公式如下:

1.2 太阳能喷射制冷系统性能指标

太阳能保证率SF(solarfraction)定义为提供给制冷系统中太阳能占制冷系统所需热能的比率。太阳能保证率是太阳能喷射制冷的重要性能指标，它表示系统所消耗能源中太阳能所占的份额。

可以用系统热效率STR(systemthermalratio)来衡量太阳能喷射制冷性能，它定义为集热器单位太阳能辐射量所能获得的制冷量。

根据定义有

2 模拟计算参数及方法

太阳能喷射制冷系统性能模拟计算可以分三大部分:空调冷负荷计算，喷射制冷系统计算和集热器计算。

2.1 模拟参数

气象数据采用典型气象年的逐时数据来模拟，数据来源于中国建筑用标准气象数据库［4］。本文以上海一空调居室为研究对象，选取该地区平均气温最高月七月份的标准日为气象环境条件。

如图2为根据气象数据库绘制的上海地区七月份标准日气温、太阳能总辐射量随时间变化值。

由于太阳能辐射量与太阳能集热器得热量，气温与喷射制冷冷凝温度及冷负荷紧密相关，因此在分析太阳能喷射制冷随时间变化性能有必要讨论两者与时间变化关系。从图2中可以看出气温和太阳能辐射量变化趋势均为先增大达到最高点然后再减少，但气温变化趋势相应比太阳能辐射量推迟一段时间，主要是因为太阳能辐射波长太短不易被空气吸收，太阳能辐射除部分被大气反射和少数被空气吸收外，一般穿透大气辐射到地面，然后再经过地面吸收和反射，部分能量被空气吸收，同时空气自身会辐射，当吸收的能量大于自身辐射，气温会升高;反之，亦然。由于气温变化过程要比太阳能辐射变化过程晚一段时间，所以气温变化趋势相应滞后于太阳能辐射量变化趋势。

图2 经典日气温、太阳能总辐射量变化曲线Fig.2 Air temperature and total solar radiation change curves on the classic day

制冷房间围护结构情况如表1所示。

表1 制冷房间围护结构尺寸表Table 1 The structure parameters of the cooling room

人员和电器设备:

居住人数:1人

照明、电视等电器设备功率:0.5kW

新风量:30m3/h

太阳能集热系统循环工质:水

喷射制冷系统循环工质:R141b

系统冷凝温度:Tc=Ta+3℃

集热器与发生器平均温差:Tu=Tg+6℃

集热器进口水温:Ti=38℃

空调冷负荷和制冷量模拟计算:

冷负荷是指使空调房间保持所需要的温度，须由制冷设备所产生的冷量消除室内多余的热量值。这部分余热是通过空调设备将冷量传给室内空气而消除的。空调冷负荷主要由下列多种因素构成:

(1)外墙和屋面温差传热引起的冷负荷;

(2)外窗温差传热的冷负荷;

(3)外窗太阳辐射的冷负荷;

(4)内围护结构传热冷负荷;

(5)人体散热的冷负荷;

(6)照明散热的冷负荷;

(7)设备散热的冷负荷;

(8)食物散热的冷负荷;

(9)散湿形成的潜热的冷负荷;

(10)空气渗透带入室内的冷负荷。

由于房间建筑材料的热容量，使室外传给建筑物的瞬时得热量不等于由这些建筑物瞬时传给房间内空气的热量，因此传热过程属于不稳定传热。为保证用户舒适度，合理地确定空调制冷量，节约投资和运转时能耗，应该按照不稳定传热方法计算空调冷负荷，采用谐波法计算空调冷负荷属于其中比较精确的不稳定传热方法计算空调冷负荷方法之一。

本文将采用北京鸿业同行科技有限公司开发的鸿业冷负荷计算软件 (version2.0)计算空调冷负荷，该软件采用谐波法可以逐时计算空调冷负荷，按照设计要求在冷负荷计算软件中输入相应参数和选择相关选项，然后点击设计界面“数据中心”中“计算”按钮，系统完成冷负荷计算。

一座建筑物空调系统的制冷量，除了要计入建筑物的计算冷负荷外，还要考虑其他因素造成的附加冷负荷，如送风机温升，送风管道系统的温升，水系统的热损失和制冷设备的效率等引起的附加冷负荷。将上述各种因素形成的冷负荷相加，就构成了该建筑物的制冷机总容量，这一制冷机容量称为“制冷量”。

上述附加冷负荷可以逐一计算，但计算繁琐且不太准确，故制冷量一般以最大制冷负荷乘以1.1～1.5系数来确定，本文取1.1，各空调房间配置的空调末端设备容量是以冷负荷为依据。

图3 空调房间冷负荷随时间变化关系Fig.3Theroomcooling load change under different time

图3为上海地区七月份标准日8∶00－17∶00空调房间冷负荷逐时变化关系，从中可以看出空调负荷随时间呈递增趋势，到17∶00时达到最大值。冷负荷最大值既不是出现在太阳能辐射值最大的12∶00左右，也不是出现在14∶00左右的气温最高时，主要是由于房间建筑材料的热容量，建筑物瞬时传给房间内空气的热量值滞后于室外传给建筑物的瞬时得热量，有个时间差，滞后时长不仅跟气温和太阳能辐射量有关，而且跟建筑材料及建筑结构有关。

从图中可以知道冷负荷最大值为3441W，根据选定的制冷量与冷负荷最大值换算系数，系统的制冷量为3785.1W。

2.2 喷射制冷数学模型与系统计算方法

喷射制冷数学模型是本文分析太阳能喷射制冷系统重要组成部分，本文采用文献 ［5］中模型。Huang等在Keenan［6］的喷射器喷射过程 “常截面等压混合模型”基础上，提出了“气动喷管”概念，假定了从喷嘴出来的工作流体向前扇出并在混合截面前与引射流体互不混合，并为引射流诱导出渐缩管，这个渐缩管起渐缩喷嘴作用，并在混合截面处将引射流体加速到声速，并与工作流体等压混合，并得到了实验验证。本文参照文献 ［19］的热力学模型编制程序，并分析喷射制冷系统性能。为准确计算制冷工质在喷射器工作过程中实际热力学参数的变化，本文制冷剂参数以NIST开发的REFPROP(Version8.0)物性软件为依据。该程序可以根据条件设定工况算出喷射制冷系统的喷射系数和COP，并与文献huang等人实验结果对比，发现模型计算误差在10%以内，说明该程序可以作为进一步分析太阳能喷射制冷系统性能的子程序。

2.3 太阳能集热器计算公式

集热器是太阳能集热系统重要部件，主要是通过集热器吸热体内的流体与太阳辐射热进行能量交换，从而获得有用的能量收益。集热器的有用能量收益可表示为:)

其中η为集热器效率，其定义为集热器任何时段有用能量收益与同时段太阳能在集热器上辐射量的比值。

本文将讨论的太阳能集热器有平板集热器和真空管集热器两种，其性能可以用以下公式表示:

平板集热器，

真空管集热器，

2.4 太阳能喷射制冷系统计算模型步骤

前面已经提到太阳能喷射制冷系统性能模拟分析计算涉及空调冷负荷计算，喷射制冷系统计算和集热器计算，太阳能保证率SF、系统热效率STR等均是衡量太阳能喷射制冷性能的重要参数，分别可由式 (3)和 (4)计算得到。具体流程如图4所示。

3 模拟结果分析

由于太阳能喷射制冷系统要受太阳能辐射强度、气温、冷负荷等因素影响，而这些因素受气候条件影响，在一天中并不是固定不变，有时候甚至变化很大。在实际使用过程中也必然要考虑这些因素影响，因此研究太阳能喷射制冷系统性能时有必要结合气候条件。

本文根据上海的气候特点，在气象数据库中选取七月份标准日作为空调使用日，并在该标准日8∶00－17∶00时段，逐时研究分析太阳能喷射制冷系统在该地区经典日的性能运行情况。太阳能喷射制冷系统在一天中运行性能可以通过COPejc，系统热效率、太阳能保证率等性能参数来衡量。

图4 太阳能喷射制冷系统计算模型流程图Fig.4 Flow diagram for the computational procedure

图5 COPejc在一天中随时间变化趋势Fig.5 The COPejc changes with time in the day

图5为采用真空管集热器太阳能喷射制冷系统的COPejc在一天中8∶00－17∶00时段逐时变化情况，可以看出COPejc在15∶00前逐渐减少，然后增大，然后又减少。可以结合气候条件解释这一变化，由图2所示，在气温中午14∶00前呈逐渐增大趋势，并在14∶00左右达到最大值，然后呈逐渐减少趋势。而喷射制冷系统效率受冷凝温度、发生温度等影响，较发生温度冷凝温度影响更大，当冷凝温度超过一定值时系统甚至不制冷［7］。本文选取冷凝器为风冷冷凝器，因此冷凝温度与气温紧密相关，并且相差不大。COPejc在15∶00时前减少主要是喷射制冷系统的冷凝温度增加较快，虽然发生温度在某一时段会因为太阳能辐射量增大有所增高，但受气温影响的冷凝温度是主导。同样原因，随后的COPejc会因为气温下降而又增大，但之后太阳能辐射量急剧减少并成为影响喷射制冷系统性能的主导因素，因此其后COPejc随之减少。以上是上海地区COPejc一天中随时间变化趋势，具有一定代表性。但由于各地气候会差异较大，因此COPejc在各地随时间变化趋势并不完全一样。

图6为两种不同类型集热器的太阳能喷射制冷系统热效率在一天中随时间变化趋势。从式 (5)可知STR为η与COPejc之积。因此也可以说STR是集热器效率和喷射系统效率的复叠。数据计算表明真空管集热器在各计算点的数值为0.517到0.709平稳变化，因此可以对比图5与6发现，采用真空管集热器的太阳能喷射制冷系统其热效率随时间变化趋势与COPejc类似。而采用平板集热器的系统，由于在太阳能辐射值较低时，其效率急剧下降，因此其STR在16时急剧下降。

图6 系统热效率在一天中随时间变化趋势Fig.6 The STR change with time in the day

太阳能保证率可以说明太阳能喷射制冷在其使用时，太阳能在其所消耗总能量所占的比例。如果太阳能保证率太小，则太阳能喷射制冷在经济性角度并不具有竞争优势，因此当系统需要大量辅热时并不介意安装效率低的集热器。然而，当有大量廉价的热可以获得时，可以考虑使用效率低的集热器，比如工厂废热。考虑到图7为上海地区一空调居室，分别采用面积为25m2真空管和平板集热器时，太阳能喷射制冷系统的太阳能保证率随时间变化趋势，两种型式的系统其太阳能保证率随时间变化趋势类似，均是先增大后减少，并都在10时达到最大。大部分时间里采用真空管集热器的系统性能优于采用平板集热器的系统性能，说明采真空管集热器的系统性能更优，但真空管集热器价格比平板贵，使用时要考虑经济性因素。

图7 太阳能保证率在一天中随时间变化情况Fig.7 The solar fraction change with time in the day

4 结论

太阳能喷射制冷系统的性能受天气等条件影响较大，然而由于自然因素，天气条件在一天中不断变化，太阳能喷射系统性能必然受其影响。因此本章结合某一地区气候等因素对太阳能喷射制冷系统逐时进行分析，以分析一天中太阳能喷射制冷系统受天气影响的变化情况，为其应用及性能优化提供参考。

符号表:

A—面积，m2

COP—性能系数

Cp—体积比热容，kJ/(kg·K)

G—太阳能辐射强度，W/m2

h—比焓，kJ/kg

Q—热量，kJ

SF—太阳能保证率，%

STR—系统热效率

T—温度，℃

η—太阳能集热器效率

ω—喷射系数

下标:

a—环境

AUX—辅助热源

c—冷凝器

e—发生器

ejc—喷射系统

g—蒸发器

i—集热器进口

o—集热器出口

in—进口

out—出口

p—工作流体

sc—集热器采光板

solar—太阳能

u—集热器

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