槽式聚光集热驱动吸收式空调系统研究*

罗斌， 李明

(云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650092)

0 引 言

太阳能溴化锂吸收式制冷是目前最成熟的太阳能制冷技术，现已进入实用化示范阶段.国内目前在山东乳山建成一座100 kW太阳能单效溴化锂吸收式空调系统，选用540 m2太阳能热管式真空管集热器，其测试结果表明，系统制冷效率的变化范围为0.5～0.71[1].在广东江门建成并投入使用的另一座太阳能吸收式空调系统采用500 m2高效太阳能平板集热器和100 kW两级溴化锂吸收式制冷机，系统的热源驱动温度范围为65～75 ℃，系统的热源可利用温差范围达到12～17 ℃，更加有利于提高集热器的效率和系统的制冷效率，但系统的制冷效率通常低于0.4[2].Ibrallim等[3]采用R22-DMETEG工质对，设计了一套额定制冷量为4 000 kCal/h的太阳能单效吸收式制冷系统，系统的制冷效率达到0.45～0.6.Arif Ileri[4]同样采用R22-DMETEG工质对，选用400 m2高效集热器，设计了一套制冷量为100 kW的太阳能单效吸收式空调系统，并对其进行年运行性能分析，结果表明：与常规的电空调和锅炉加热系统相比，该太阳能系统冬季采暖与夏季制冷耗能分别减少38%、91%，平均年运行成本节省约50%.

目前，太阳能聚焦集热器主要包括抛物槽式聚光集热器(PTC)[5，6]、复合抛物面聚光集热器(CPC)[7]、菲涅尔透镜聚光集热器和蝶式聚光集热器等.抛物槽式聚光集热器与聚光集热器、平板集热器、真空管集热器、真空管热管集热器相比，具有聚焦比高、反应灵敏、工作流体出口温度高、集热效率高等优点[8].本文采用以铝合金腔体为吸收器的槽式聚光集热系统，相比以金属直通管为吸收器的槽式聚光系统降低了成本，在50～100 ℃范围内与其效率相当，是太阳能吸收式制冷系统的最佳选择，在太阳能中温利用领域有很好的应用前景，已经广泛应用于采暖、制冷、发电、海水淡化等生活和生产领域.太阳能驱动的单效溴化锂吸收式制冷系统是目前比较成熟、研究广泛的吸收式制冷系统，其系统结构简单，对驱动热源的温度要求相对较低；同时与太阳能双效吸收式制冷系统相比，单效吸收式制冷系统成本更有利于商业化.

1 太阳能空调系统

太阳能空调是利用太阳集热器加热热媒水来驱动吸收式制冷机组的.太阳能吸收式空调系统主要由吸收式制冷机组和太阳集热两大主要部件构成.本文所建立的太阳能吸收式空调实验装置系统主要由太阳能槽式聚光集热器、热水箱、单效溴化锂吸收式制冷机组、冷却塔、风机盘管等部件组成.其中槽式聚光集热器与制冷机组的性能对整个系统的制冷效率具有直接的影响.图1为本文的太阳能单效吸收式制冷系统示意图.

图1 太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统示意图

2 系统设计原理

2.1 会议室能耗分析

该建筑为某企业主办公楼四楼会议室，面积为100 m2；建筑外立面有约为20 m2单层透明玻璃窗户，外立窗户面朝向为东偏北30°，部分窗户可开启；会议室空调系统为两管制风机盘管.会议室平面几何图如图2所示.

图2 会议室平面几何示意图

其维护结构参数从模拟软件的材料库中选取，见表1.

表1 围护结构参数

确定建筑的围护结构参数后，即可利用面积指标方法对冷负荷设计指标进行计算：

Q=q·F

(1)

式中：Q—建筑物冷负荷或热负荷，W；q—建筑物冷负荷或热负荷设计指标，W/m2；F—建筑面积，m2.

利用昆明典型年气象数据并结合会议室围护结构参数以及房间使用功能进行模拟计算，得到夏季冷负荷为75 W/m2，冬季热负荷为50 W/m2.

2.2 溴化锂吸收式制冷机

单效溴化锂吸收式制冷机组主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵等几部件组成.本实验所采用的热水型单效溴化锂吸收式制冷机组工作过程可分为以下两部分，其循环示意图如图3所示.

图3 吸收式制冷循环示意图

(1)制冷剂循环(制冷循环)

槽式聚光集热器所产生的热水在发生器内加热溴化锂溶液析出低压水蒸气，水蒸气进入冷凝器由冷却水冷凝成液态水，通过节流阀产生低温高压的蒸气进入蒸发器，在低压下蒸发，从而产生制冷效应.这个过程与蒸汽压缩式制冷循环相同.

(2)溶液循环

发生器中流出的高浓度溴化锂溶液降压后进入吸收器，吸收蒸发器内所产生的蒸汽，变成稀溶液，再由溶液泵送回发生器重新加热.这个过程相当于蒸汽压缩式制冷循环中的压缩机功能.

太阳能空调系统制热过程则由太阳能槽式集热系统所产生的热水直接通过热交换器与发生器内的冷媒水换热，达到对房间制热的目的.表2给出了两个的溴化锂吸收式制冷机的具体参数.

表2 小型热水型吸收式制冷机组参数

利用表2中的溴化锂吸收式制冷机的具体参数，即可对其夏季热负荷进行计算：

PR=∑PRNTR

(2)

式中：PR—制冷机夏季耗电量或燃料消耗量， kWh/a或Nm3/a；PRN—制冷机额定功率， kW或Nm3/h；TR—制冷机累计运行时间，h，按夏季运行4个月，每月运行21 d，每天运行9 h计算；

由以上计算所得该会议室最大负荷值为7.5 kW，TX-11即可满足房间要求，由表2可知，TX-11与TX-23制冷功率分别为11.5 kW、23 kW，但价格相同，根据其经济实用性，本系统确定采用TX-23型号机组.

根据《民用建筑采暖通风设计技术措施》[9]中推荐的此类公建空调设计面积指标为85～100 W/m2.因此，该系统所设计的建筑冷热负荷值均符合国家要求.

2.3 太阳能槽式聚光集热装置

抛物面槽式聚光装置是应用前景最广阔的低倍聚光装置之一，其最大的优势在于能够稳定提供较高温度热源.抛物面槽式聚光装置主要由抛物面反射板和腔体集热管组成.抛物面反射镜为高反射率钢化玻璃，腔体集热管为铝合金V型腔体(如图4)，其轴线置于抛物柱面的焦线上.直通式真空管主要由玻璃外管和金属吸热管两部分组成.吸热管表面有高温选择性涂层；传热介质(水)由吸热管的一端流入，经太阳辐射加热后，从另一端流出进入溴化锂吸收式制冷机驱动其制冷或制热.根据本课题组对以铝合金腔体为接收器的抛物槽式聚光集热器在50～100 ℃范围内的研究，其集热效率为0.5～0.6[10]，与金属直通真空管接收器效率相当，其装置示意图如图5所示.

表3 抛物反射镜参数

图4 铝合金腔体吸收器

图5 抛物槽式聚光集热示意图

3 经济适用性分析

相对于直燃型机组、电制冷机组，太阳能吸收式机组价格偏高主要原因在于集热器投资较高.由图6可知，以太阳能集热制冷方式总投资最高，并且随着制冷面积增大，太阳能集热制冷方式与其他两种制冷方式的初投资差距越大.表4为该项目的初投资工程造价表，由于该系统为小型热水型机组，其性价比相对较低.

表4 太阳能空调系统工程造价表

图6 机组总投资

3.1 经济环境效益分析

(3)

计算得该系统全年辐照量为3.18×105MJ，原煤的热值q=29 MJ/kg，则将太阳能换算成原煤的质量为：

m=H/q

(4)

计算所得原煤质量为10 695 kg，槽式聚光集热系统投资与锅炉投资相差约为12.4万元，则槽式聚光集热系统回收期大约为11.3年.

虽然槽式聚光集热系统初期投资较大，但是降低了化石能源与电能的消耗，减少了碳、硫、氮、烟尘等排放量，对改善生活环境起到了良好的促进作用.同时太阳能吸收式制冷空调与季节的高度匹配性，能够有效地改善夏季用电紧张的局势，产生良好的社会环境经济效益.

4 结 论

通过分析建筑能耗与系统经济性，有效地将太阳能槽式聚光集热装置与吸收式制冷机相匹配，实现夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热水三种功能结合起来，达到一机多用、四季常用的目的，从而可以显著地提高太阳能系统的利用率和经济性.通过对该系统的设计研究，得出以下结论：

对该会议室进行模拟能耗分析，得到夏季冷负荷约为75 W/m2，冬季热负荷约为50 W/m2.现预装60 m2槽式聚光集热器以及23 kW单效溴化锂吸收式制冷机完全能够满足房间要求，并符合国家公共建筑要求规范.

采用槽式聚光集热驱动单效溴化锂吸收式制冷机的系统，产品回收期约为11.3年.虽然太阳能吸收式中央空调初期投资较大，但有利于环境保护，同时太阳能空调与季节的良好匹配性，有利于节约能源，对小型中央空调的商业化起到积极的推动作用.

参 考 文 献:

[1] 何梓年，朱宁，刘芳，等．太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能[J]．太阳能学报，2001，22(1)：6-11．

[2] 李戬洪，马伟斌，江晴，等．100 kW太阳能制冷空调系统[J]．太阳能学报，1999，20(3)：239-243．

[3]IBRAHIM DINCER,MUSTAFA EDIN，ENGIN TURE．Investigation of thermal performance of a solar powered absorption refrigeration system[J]．Energy Conversion and Management,1996,37(1)：51-58．

[4]ARIF ILERI．Yearly simulation of a solar-aided R22-DEGDME absorption heat pump system[J]．Solar Energy，1995，55(4)：255-265．

[5] TIERNEY M J．Options for solar-assisted refrigeration-trough collectors and double-effect chi1lers[J]．Renewable Energy，2007，32(2)：183-199．

[6] 远大空调有限公司．远大绿色中央空调.http://co.163.com/cfs/d/1162051269865.htm．

[7]WILLIAM S．DUFF，ROLAND WINSTON，JOSEPH．J．O．Gallagher，et a1．Performance of the Sacramento demonstration ICPC collector and double effect chiller[J]．Solar Energy，2004，76(1-3)：175-180．

[8] COHEN G E.Operation and efficiency of large-scale solar thermal power plants．[C].SPIE Proceedings of Optical Materials Technology for Energy Efficiency and Solar Energy Conversion XII,San Diego,USA,1993：332-337．

[9] 中国建筑科学研究院.民用建筑采暖通风设计技术措施[M].北京：中国建筑工业出版社,1983.

[10]CHEN FEI,LI MING,JI XU,et al.Design and optimization on linear integrated triangular cavity absorber for parabolic trough solar concentrator[C].12th International Conference on Sustainable Energy technologies,Hongkong,China,2013:2410-2419.