蓄热水箱对太阳能喷射制冷的性能影响分析

郭颖盼, 李风雷, 田琦, 白惠峰

(1. 太原理工大学 环境科学与工程学院， 山西 太原 030024; 2. 山西中绿环保集团有限公司, 山西 太原 030032)

蓄热水箱对太阳能喷射制冷的性能影响分析

郭颖盼1, 李风雷1, 田琦1, 白惠峰2

(1. 太原理工大学 环境科学与工程学院， 山西 太原 030024; 2. 山西中绿环保集团有限公司, 山西 太原 030032)

对对象建筑及太阳能集蓄热系统进行TRNSYS模拟，分别得出房间逐时冷负荷及5,15,25 ℃等3种设计蒸发温度下，不同水箱容积与集热面积比(S)时，系统的发生温度、制冷量及系统性能系数(COP)的变化规律.结果表明:在太原市的夏季气象条件下，对以R141b型制冷剂为工质的小型太阳能喷射制冷系统，当蒸发温度在5～25 ℃时,S值的最佳设计范围为0.015～0.030,且设计蒸发温度越高，S值应越高.

集蓄热系统； 太阳能； 喷射制冷； 水箱容积； 制冷量； TRNSYS模拟

在能源极度缺乏、环境日益恶劣的今天，太阳能作为一种绿色、可再生能源，引起各界学者的广泛关注[1-2].由于受到天气、昼夜的影响，太阳辐射具有间歇性,因此,需要通过蓄热水箱调整热量供应时间[3].利用太阳能驱动实现供热或供冷的系统中，水箱容积的大小直接影响集热系统的热损失、太阳能保证率、集热效率等[4],以及整个系统的运行时间与效率[5].冬季供暖时，随着太阳辐射照度的增大，房间热负荷逐渐减小；夏季制冷时，太阳辐射照度最强时，也正是冷负荷需求最大、热量需求最多的时候.因此,供热系统中确定水箱容积的经验值[6-7]并不适用于制冷系统.本文通过模拟计算，给出适用于太阳能喷射制冷系统中水箱容积的设计范围.

图1 太阳能喷射制冷系统Fig.1 Solar ejector refrigeration systems

1 太阳能喷射制冷系统热力学模型

太阳能喷射制冷系统，如图1所示.辐射热将发生器中的制冷剂加热为高温高压的饱和蒸汽(一次流体)，通过喷射器的喷嘴造成局部负压，将蒸发器出口的低温低压制冷剂(二次流体)吸入，两种流体在混合室混合，进入扩压器减速增压后，进入冷凝器冷凝放热，成为液态制冷剂.该制冷剂最后分成两路：一路经过膨胀阀节流降压后,进入蒸发器;另一路经工质泵升压后,进入发生器继续循环.

在模拟计算中，采用R141b型制冷剂为工质.喷射器的设计及结构参数，如表1所示.表1中：θg为发生温度；θc为冷凝温度；θe为蒸发温度；Qe为制冷量；d2为混合室直径；dpx为喉部直径.

表1 喷射器设计参数Tab.1 Design parameters of ejector

一次流体流量[8]为

(1)

式(1)中：m1为一次流体流量，kg·s-1；Pg为发生压力，Pa；θg为发生温度，℃；A1为喷嘴喉部面积，m2；γ为定压比热与定容比热之比；R为气体常数，J·(kg·℃)-1；ηP为等熵效率系数.

发生换热量为

Qg=m1(h5-h6).

(2)

式(2)中：Qg为发生换热量，kW；h5为发生器出口焓值，kJ·kg-1；h6为发生器入口焓值，kJ·kg-1.

二次流体流量为

式(3)中：m2为二次流体流量，kg·s-1；u为喷射系数.

制冷量为

Qe=m2(h1-h4).

(4)

式(4)中：Qe为制冷量，kW；h1为蒸发器出口焓值，kJ·kg-1；h4为蒸发器入口焓值，kJ·kg-1.

系统性能系数(COP)为

2 TRNSYS仿真模拟

2.1 对象建筑仿真模拟

建筑位于山西省太原市，坐南朝北，面积为24 m2,室内工作时间为8：00-18：00，共两人，运行一台电脑，室温控制为26 ℃.气象数据采用的格式为Tmy2[9]，运行TRNBuild程序，可得典型日房间逐时冷负荷.

图2 太阳能集热循环系统TRNSYS仿真结构图Fig.2 TRNSYS simulation diagram of solar collector systems

2.2 太阳能集热循环系统仿真模拟

太阳能集热循环系统TRNSYS仿真结构图,如图2所示.

2.2.1 控制参数设置 控制器1的控制参数设置为:当集热器出口温度θH与水箱出口温度θL的温差大于8 ℃时，集热侧循环泵启动；温差小于2 ℃，水泵关闭[10].当θH-θL为2～8 ℃时，集热侧循环泵始终保持一个状态信号(开启或关闭).时间控制器与温度控制器共同控制换热侧循环泵的启停.温度控制器控制泵启动温度为水箱水温≥74 ℃.时间控制器控制运行时间为 8:00-18:00，热量控制器中输入每个时刻的发生换热量.

2.2.2 设备参数确定 设备有如下5种参数.

1) 集热面积[11]为

(6)

式(6)中：Ac为集热面积，m2;Qg为发生换热量，kW;fn为太阳能保证率；Iθ为太阳辐射强度；ηcd为集热效率；ηL为管路及蓄热水箱热损失系数.

2) 集热侧循环泵流量[6]为

式(7)中：G1为集热侧循环泵流量，kg·h-1；g为集热器的单位面积流量[6]，g=0.072 m3·(h·m2)-1.

3) 换热侧循环泵流量为

G2=3 600Qg/(CΔθ).

(8)

式(8)中：G2为换热侧水泵流量,kg·h-1；C为水比热容，kJ·(kg·℃)-1；Δθ为换热温差，Δθ=6 ℃.

4) 蓄热水箱容积为

式(9)中：V为蓄热水箱容积,m3；S为水箱容积与集热面积比,m3·m-2.

5) 发生器换热面积A.采用满液式光管发生器，fn=20%～60%[6],Iθ=0.7[12],ηcd=0.4～0.5[13],ηL=0.2～0.3[13].为分析集热面积比S对系统性能的影响，分别取0.010，0.015，0.020，0.030，0.040，0.050进行计算.

太阳能集热系统设备设计参数，如表2所示.表2中：与编号1，2，3对应的设计参数，分别表示蒸发温度为5，15，25 ℃时集热系统的设计参数.

表2 太阳能集热系统设计参数Tab.2 Design parameters of solar collector systems

图3 典型日逐时冷凝温度变化规律Fig.3 Hourly variation of condensing temperature in a typical day

3 模拟结果分析

采用TRNSYS软件，得出设计蒸发温度分别为5,15,25 ℃时，发生温度的变化规律.喷射器性能采用文献[14]中的计算模型.为简化计算过程，以湿球温度加大12 ℃为逐时冷凝温度[15-16]，典型日内冷凝温度的逐时变化规律,如图3所示.依据喷射器性能计算结果，根据每一时刻对应的冷凝温度，给出其喷射系数最大时的发生温度(定义为最佳发生温度),运用式(1)～(5)计算系统制冷量及COP.

典型日8：00-18：00，蒸发温度为25 ℃时，发生温度、制冷量及COP的变化情况,如图4所示.由图4(a)可知：S越小，系统启停时间越早，发生温度随时间的变化速率越快，受太阳辐射照度的影响则越大，且10:00-15:00的发生温度越高.统计不同S值时，由发生温度高出最佳发生温度值的时长可知:S为0.03，0.02时的时长高出0.05，0.04，分别长达3h45min和4h.由图4(b)可知：S为0.05，0.04时，制冷量的波动幅度较大，大部分时段低于冷负荷，系统制冷量较少;S为0.03，0.02时，系统制冷量分别在11:30-15:45和11:00-15:15维持稳定.由图4(c)可知：S大于0.03时，随着S减小，日总输出制冷量(Q)急速地增加；当S小于0.03 后，日总输出制冷量略微地降低，但变化很小.由图4(d)可知：S为0.03，0.02时，日平均COP分别为0.495，0.477.综上可知：蒸发温度为25 ℃时，S=0.03的系统运行情况最佳.

(a) 发生温度 (b) 制冷量

(c) 日总输出制冷量 (d) COP图4 系统性能参数变化规律 (θe=25 ℃)Fig.4 Variation of system performance parameter (θe=25 ℃)

典型日8：00-18：00，蒸发温度为15 ℃时，发生温度、制冷量及COP的变化情况，如图5所示.由图5(a)可知：发生温度的变化趋势与图4(a)相似，不同的是S为0.02，0.01时，发生温度高于最佳发生温度的时间段明显加长，分别出现在12：00-14：00和11：00-14：00.由图5(b)可知：S为0.05，0.04，0.03时，制冷量变化幅度较大；S为0.02，0.01时，系统制冷稳定时段分别为12：00-14：15和11：00-14：00.由图5(c)可知：随着S的减小，系统日总输出制冷量迅速增加，S=0.02之后，系统日总输出制冷量趋于稳定.比较图5(d)中S为0.02，0.01时的系统COP变化规律可知：在11：45之后，S=0.02时的系统COP均高于S=0.01时的值，即在系统运行期间约3/4的时段内，S=0.02时的COP较高.虽然S=0.02时的日总输出冷量略低于S=0.01，但是，COP较大意味着热利用效率高.因此，蒸发温度为15 ℃时，S=0.02时的系统运行情况最佳.

蒸发温度为5 ℃时，系统发生温度、制冷量及COP的变化情况，如图6所示.由图6(a)可知：S分别为0.050，0.040，0.030，逐时发生温度均低于最佳发生温度.由图6(b)可知：S为0.050，0.040，0.030时，逐时制冷量的波动较大，显著小于S<0.02时的日总输出制冷量，制冷情况比较差；当S为0.020，0.015，0.010时，发生温度高于最佳发生温度时段分别为12:15-12:45，11:45-13:45，11:30-13:45.由此可知：S为0.015，0.010时的发生温度高出最佳发生温度的时段较长，S为0.015时更接近最佳发生温度曲线.由图6(b)可知：S为0.020，0.015，0.010时，系统在11:00-14:00的制冷量基本维持恒定.图6(c)中：随着S减小，日总输出制冷量迅速升高，直至S=0.015时，日总输出制冷量趋于稳定.图6(d) 中：在11：45之后，S=0.015时的系统COP均大于S=0.010时的逐时值，占总运行时间的3/4.在总制冷量相近的情况下，COP较大意味着热利用效率高.因此，在蒸发温度为5 ℃情况下，S=0.015时的系统运行情况最佳.

(a) 发生温度 (b) 制冷量

(c) 日总输出制冷量 (d) COP图5 系统性能参数变化规律 (θe=15 ℃) Fig.5 Variation of system performance parameter (θe=15 ℃)

(a) 发生温度 (b) 制冷量

(c) 日总输出制冷量 (d) COP图6 系统性能参数变化规律 (θe=5 ℃)Fig.6 Variation of system performance parameter (θe=5 ℃)

4 结论

1) 在太原市的夏季气象条件下，以R141b型制冷剂为工质的小型太阳能喷射制冷系统，当蒸发温度在5～25 ℃范围内时,水箱体积与集热面积比(S)的最佳设计范围为0.015～0.030，且设计蒸发温度越高，所需的S值越大.

2) 文中只针对典型日的气象参数研究了水箱容积对喷射制冷的性能影响情况.由于各种天气状况(晴、阴、雨)下，太阳辐射强度具有差异，在实际设计中需适当加大蓄热水箱容积.

3) 喷射制冷系统性能最佳时的制冷量输出与建筑的冷负荷需求不完全一致，所以制冷量大于冷负荷时，将多余的冷量采用蓄冷的方式储存起来，作为系统制冷量不足时补充，更利于发挥喷射制冷系统的最佳性能.

4) 喷射制冷系统难以满足建筑的全天制冷量需求，不足部分还需要以其他制冷方式作为补充.

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(责任编辑： 钱筠 英文审校： 刘源岗)

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.201703016

Analysis of Effect of Storage Tank on Solar Ejector Refrigeration System

GUO Yingpan1, LI Fenglei1, TIAN Qi1, BAI Huifeng2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;
2. Shanxi Sino-Green Environment Protection Group, Taiyuan 030032, China)

Systems of room and solar collector were simulated by the TRNSYS software in this paper. The curve of cooling load was drawn and the hourly variation of generation temperature, cooling capacity and coefficient of performance (COP) was simulated under different collector area and tank volume ratio (S), when design evaporation temperature was 5, 15， and 25 ℃ respectively. Result shows that the optimum value ofSvaries from 0.015 to 0.030 when R141b is chosen as the working fluid and evaporation temperature ranges from 5 to 25 ℃ in the summer of Taiyuan. And the value of S should be greater when the designed evaporation temperature is higher. Keywords：thermal collector and storage system; solar energy; ejector refrigeration; tank volume; cooling capacity; TRNSYS simulation

10.11830/ISSN.1000-5013.201703015

2016-02-18

李风雷(1967-)，男，副教授，主要从事空调制冷和可再生能源利用技术的研究.E-mail:fengleili@126.com.

国家国际科技合作专项(2013DFA61580)； 山西省科技攻关项目(20140313006-6)； 山西省回国留学人员科研资助项目(2016-032)

TK 519

A

1000-5013(2017)03-0368-06