太阳能喷射-压缩复合供冷系统性能分析

程志雯,李风雷,任艳玲

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)



太阳能喷射-压缩复合供冷系统性能分析

程志雯,李风雷,任艳玲

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)

对太阳能喷射-压缩复合供冷系统性能进行了分析计算。以太原地区某建筑为供冷对象,构建了复合供冷系统的模拟平台；以热平衡方程为基础，结合TRNSYS软件,对系统的耗电量、供冷量、综合性能系数等进行了计算分析。结果表明,复合供冷系统与纯压缩制冷系统相比可节约40%以上的电量;喷射制冷子系统可为用户提供50%以上的冷量;系统综合热性能系数为0.36,综合机械性能系数为18.97。太阳能喷射-压缩复合供冷系统不仅可以充分利用太阳能,还能够平衡系统制冷量与建筑冷负荷的需求,具有很好的节能优势和实用性。

太阳能;喷射制冷;压缩制冷;复合系统;TRNSYS;仿真模拟

随着科技的进步和人们对生活环境舒适性要求的提高,空调制冷能耗占建筑总能耗的比重逐年上升。为减少空调制冷系统的一次能耗,越来越多的学者致力于太阳能制冷技术的研究,提出了多种太阳能制冷方式,如:太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷[1]、太阳能喷射式制冷以及复合式制冷等。

太阳能喷射制冷系统具有结构简单、节能环保、维护费用低、经济性强等优势,国内外学者对太阳能喷射制系统进行了大量的研究。HUANG et al[2]建立直接集热发生式的太阳能喷射制冷系统,并通过研究得出,当系统制冷量为10.5 kW时,给定集热器面积为68 m2,集热器温度为95 ℃、冷凝温度为32 ℃、蒸发温度为8 ℃的工况下,系统性能系数可达0.5。SUN[3-4]将蒸汽喷射器应用于太阳能喷射制冷系统,系统综合热性能系数(COP)提高近50%。PRODASAWAS et al[5]以R600a为制冷工质对太阳能喷射制冷系统做了全年的仿真模拟,获得系统年平均热收集比为0.22,喷射制冷系统能达到的最优热性能系数为0.48。田琦[6]就太阳光照不足的情况提出新型太阳能喷射与压缩一体化制冷系统,从而实现了系统的全天候供冷。王建伟等[7]对太阳能直膨式喷射制冷系统进行了理论分析,表明太阳辐射量增大的同时系统制冷量也显著提高,并且系统在连续运行工况下,可降低空调能耗,减少高品位能源的消耗。

笔者提出了一种可充分利用太阳能的喷射-压缩复合供冷系统,并采用TRNSYS软件和能量平衡方程对其夏季工况下的性能进行模拟和分析。

1 太阳能喷射-压缩复合供冷系统及其计算模型

太阳能喷射-压缩复合供冷系统由太阳能集热系统、喷射-压缩复合制冷系统和冷冻水系统3部分构成,如图1所示。太阳能集热系统主要有平板集热器、分层蓄热水箱、循环泵;喷射-压缩复合制冷系统包括发生器、蒸发器、冷凝器、喷射器、工质泵、压缩机;冷冻水系统由水泵、蓄冷水箱、冷用户构成。

1.1 喷射-压缩复合供冷系统模型假设

1) 喷射器内流动是一维稳态的;

2) 喷射器内压缩和膨胀过程为等熵过程;

3) 蒸发器出口的制冷剂为饱和蒸汽;

4) 忽略蒸发器、冷凝器等各个部件内的阻力损失;

5) 喷射器内的混合过程为定压混合;

6) 压缩机中的压缩过程近似为等熵过程。

图1 太阳能喷射-压缩复合供冷系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the solar ejector-compression cooling system

1.2 喷射-压缩复合供冷系统性能计算模型

本文选用喷射制冷效率高的制冷剂R141b[8]为制冷工质,采用索科洛夫的一维等截面定压混合模型[9]进行喷器的设计和喷射系数u,一次流体流量和二次流体流量的计算。

复合供冷系统压焓图如图2所示。

图2 喷射-压缩复合供冷系统压焓图Fig.2 p-h diagram of the ejector-compression refrigeration system

压缩制冷子系统的制冷量为:

(1)

压缩机的耗功为:

(2)

喷射系数为:

(3)

太阳能喷射制冷子系统的制冷量为:

(4)

发生器输出的热量为:

(5)

工质泵的耗功为:

(6)

定义，综合机械性能系数Cmo为连续典型气象日内太阳能喷射-压缩复合供冷系统总的制冷量与系统总耗电量之比:

(7)

定义综合热性能系数Cho为连续典型气象日内系统总的制冷量与系统输入的总热量之比:

(8)

式中:mes为机械压缩制冷子系统制冷剂流量,kg/s;ha为蒸发器出口焓值,kJ/kg;hb为由a点按等熵压缩至冷凝压力时所得的冷凝器入口焓值,kJ/kg;hc为冷凝器出口制冷剂焓值;hd为蒸发器入口焓值,kJ/kg;mg为工作蒸汽质量流量,kg/s;me为引射蒸汽质量流量,kg/s;h1为蒸发器出口制冷剂焓值,kJ/kg;h2为冷凝器入口制冷剂焓值,kJ/kg;h3为工质泵入口,kJ/kg;h4为蒸发器入口制冷剂焓值,kJ/kg;h5为发生器出口制冷剂焓值,kJ/kg;h6为发生器入口制冷剂焓值,kJ/kg;p6,p3分别为发生器、冷凝器压力,kPa;λ为工质泵效率,取0.7;η为压缩机等熵效率,取0.8;ρ为制冷剂密度,kg/m3;τi是压缩制冷子系统制冷量为Qc,i时的系统运行时间;τj是喷射制冷子系统制冷量为Qe,j时的系统运行时间。

2 系统分析及仿真模拟策略

2.1 建筑模型概况及负荷分析

图3 建筑日平均冷负荷变化图Fig.3 Daily building average cooling load variation diagram

模拟建筑为2层小型节能办公建筑,位于太原市,工作时间为8∶00—18∶00,面积为271.37 m2。采用TRNSYS软件计算得到整个夏季建筑动态逐时冷负荷,见图3。从图中可以看出,建筑冷负荷主要集中在150～240 d,夏季最大冷负荷为22.31 kW。

2.2 系统仿真策略

太阳能集热系统的TRNSYS仿真结构如图4所示。

集热发生系统的具体参数有:太阳能集热器面积400 m2,倾角37°,方位角0°;水箱容积为22.5 m3,水箱损失系数0.4 W/(m2·℃);集热循环泵的流量为4.51 L/s,发生循环泵的流量为3.8 L/s。

为达到模拟计算与实际运行相一致的效果,在利用TRNSYS进行模拟时,系统内设置了控制器,并对集热循环泵、发生循环泵等设置了运行控制条件。集热循环泵的控制采用ON/OFF 控制器,当th-tl>8 ℃(th为集热器出口水温,tl为集热器侧蓄热水箱出口水温),且时间处于9∶00—17∶00之间时,集热循环泵开启(ON);当th-tl<2 ℃时,集热循环泵停止运行(OFF)。发生循环泵的运行条件为:蓄热水箱上层水温达到80 ℃以上且在9∶00—17∶00之间。

图4 喷射器的工作区Fig.4 Operational modes of ejector

根据模拟结果可知,太阳能集热系统启动后,蓄热水箱每日的最低水温均能达到60 ℃以上,因此对整个夏季而言,首次启动系统所需辅助加热器的耗电量可以忽略。系统防过热控制:以水箱的供水温度为控制参数,设定集热循环泵的切断温度为100 ℃。

喷射制冷子系统运行期间,多余的冷量储存于蓄冷水箱当中。在工作时间8∶00—18∶00内,当蓄热水箱上层水温低于80 ℃时,首先采用蓄冷水箱释放冷量为用户供冷;当冷量不足时,压缩制冷子系统运行开始运行,为用户供冷。

3 夏季系统供冷仿真结果及分析

3.1 夏季系统性能分析

由图5-a可知,如果蒸发温度和发生温度保持不变,那么当冷凝温度低于临界冷凝温度时,喷射系数保持最大喷射系数不变。因此,喷射制冷子系统的运行过程中,控制蓄热水箱对发生器的供热量不变,同时控制蒸发温度也不变。模拟计算中,利用喷射器性能计算模型[10],计算出最大喷射系数,再利用式(1)-式(8)可得到系统的性能模拟计算结果。

喷射制冷日平均制冷量随时间变化如图6所示。从图中可以看出,135～155 d(5月15日-6月4日)的日平均喷射制冷量基本稳定且日均制冷量较大。这是因为在这个时间段内的空气湿球温度较低,导致喷射制冷子系统冷凝温度低,使系统在最大喷射系数下运行的时间相对较长。并且在冷凝温度低的工况下,喷射系数对应的发生温度较低,蓄热水箱的上层水温能尽早达到喷射制冷运行所需温度,系统可以较早达到最大喷射系数的运行工况,从而延长了运行时间,增加了系统总制冷量。同理,如图5-b所示,夏季喷射制冷子系统日平均Cho的逐日变化趋势与日平均制冷量的逐日变化趋势相一致。

图5 喷射制冷子系统日平均制冷量变化图(a)及日平均Cho变化图(b)Fig.5 Variations of the daily average refrigerating-capacity(a) and daliy average Cho (b) of ejector refrigeration system

3.2 系统节能分析

夏季太阳能集热器吸收的日总有用能随时间的变化如图6所示。在受室外温度和太阳辐射的双重影响下,不同时间集热器吸收到的日总有用能变化幅度很大,但其变化趋势与太阳辐射日波动和室外气温的整体变化趋势基本一致。

图6 集热器吸收的太阳能变化图Fig.6 Variations of daily total solar energy absorbed by the collector

图7分别为喷射制冷子系统(图7-a)和压缩制冷子系统(图7-b)的日耗电量随时间的变化图。由于两个子系统交替运行,故其日耗电量呈互补关系。当喷射制冷子系统在某日的耗电量较大时,压缩制冷子系统不耗电或者耗电量很小,反之亦然。压缩制冷子系统耗电量大的时间段为195～240 d(7月14日-8月28日),其主要原因为此时段气温较高但太阳辐射量小于135～180 d (5月15日-6月29日)。结合图8可以看出,压缩制冷子系统日耗电量最大时,集热器吸收到的日总有用能最小,由此可知当天的太阳辐射量也最小。

图7 喷射制冷子系统(a)和压缩制冷子系统(b)日耗电量变化图Fig.7 Variations of the daily total power consumption of the compression refrigeration system (a) and the ejection refrigeration system (b)

经计算,整个夏季喷射制冷子系统制冷量为7 332.2 kW·h,压缩制冷子系统制冷量为6 061.7 kW·h,喷射制冷子系统的供冷量占总供冷量的54.74%。若单独采用压缩制冷系统为用户供冷,则整个夏季的耗电量为1 354.4 kW·h。而采用太阳能喷射-压缩复合供冷系统时的耗电量为705.8 kW·h,其中压缩制冷子系统的压缩机耗电量为629.6 kW·h,喷射制冷子系统的耗电量仅为76.2 kW·h。由以上数据可知,太阳能喷射-压缩复合供冷系统在夏季的耗电主要是压缩制冷子系统的耗电量。因此,在整个夏季采用太阳能喷射-压缩复合供冷系统与单纯采用压缩制冷系统相比,可节约48.2%的电量。复合供冷系统综合热性能系数Cho为0.36,综合机械性能系数Cmo可达到18.97。

4 结论

本文选取太原地区某办公建筑为研究对象,采用TRNSYS软件建立太阳能喷射-压缩复合供冷系统的仿真模型,得到以下结论:

1) 喷射制冷子系统为用户提供的冷量占总制冷量的50%以上。

2) 系统综合热性能系数Cho可达0.36,综合机械性能系数Cmo为18.97。

3) 太阳能喷射-压缩复合供冷系统与压缩制冷系统相比可节约40%以上的电量,达到了很好的节能效果。

[1] 郑宏飞,李正良,何开岩,等.光导聚能高温相变储热小型太阳能吸附式制冷系统[J].广西大学学报,2008,33(3):261-265.

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(编辑：李文娟)

Performance Analysis on Solar Ejection-Compression Refrigeration System

CHENG Zhiwen,LI Fenglei,REN Yanling

(CollegeofEnvironmentalScienceandTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

The performance analysis on the solar ejection-compression refrigeration system was carried out using a building in Taiyuan as the cooling object, a simulating model of the combined refrigeration system was created. The performance of the system such as the power consumption, refrigerating capacity,and coefficient of performance was calculated on the basis of the thermal equilibrium by using the TRNSYS software. The results show that more than 40% of electrical energy could be saved through the solar ejection-compression refrigeration system, compared with common compression refrigeration system;more than 50% of the refrigerating capacity is provided by the ejection refrigeration sub-system; the system comprehensive thermal coefficient is 0.36 and the comprehensive mechanical coefficient is 18.97. Solar ejection-compression refrigeration system makes full use of solar energy, and balances the demands between refrigerating capacity and cooling-loading system of buildings, which has good energy-saving advantage and practicability.

solar energy;ejection refrigeration;compression refrigeration;combined system;TRNSYS;simulation

1007-9432(2016)03-0337-05

2015-03-23

国家国际科技合作-专项基金资助项目：基于喷射-压缩制冷的太阳能光热空调新技术(013DFA61580);山西省科技攻关基金资助项目：分级利用太阳能的喷射-压缩复合制冷技术研究(20140313006-6)

程志雯(1989-),女,山西平定人,硕士生,主要从事空调制冷新技术研究，(E-mail)360394060@qq.com

李风雷,副教授,主要从事空调制冷新技术、热能利用与节能技术的研究，(E-mail)fengleili@126.com

TB617

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.012