太阳能复合制冷系统用于冷库的热力经济分析

李泽宇 许永睿 陈宏铠

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

随着社会发展与人民生活水平的不断提高，冷库需求逐年增加。《广东省冷链物流发展“十三五”规划》提出在2020年将冷库库容提高至450万t，相比2015年增加了50%[1]。值得一提的是，我国冷库能耗十分显著[2]，其中，制冷系统能耗占冷库能耗的70%以上[3]，因此降低制冷系统能耗有助于冷库的可持续发展。虽然太阳能氨水吸收式制冷可大幅降低冷库制冷系统能耗，但由于采用了价格昂贵的中温集热器，所以系统初投资偏高，投资回收期长达数十年[4]。因此，使用经济性较好的太阳能制冷系统以节约冷库制冷系统压缩功是十分迫切和重要的。

太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统是一种高效制冷装置，其吸收子系统(单效溴化锂制冷机)制冷量用于过冷压缩子系统，因此吸收循环蒸发温度显著提高且其制冷效率增加。此外，通过压缩子系统节流，吸收子系统低品冷量将无耗功地转变为高品冷量以节约压缩功。另一方面，机组可使用价格低廉的真空管集热器以大幅降低初投资成本。因此，在冷库中使用太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷装置有望取得较好的节能效果和经济收益。

应用于建筑供冷工况的太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统已被进行了较充分研究，包括：热力性能评价[5]、主要参数热经济设计准则[6- 8]及试验样机运行特性分析[9]等。因为冷库供冷工况下压缩子系统的COP(制冷性能系数)将显著降低，所以应用于冷库的太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统的节能收益与应用于建筑供冷的数据有明显差异。尽管Xu等[10]已对系统在冷冻、冷藏工况下的热力性能进行了初步分析，但上述研究主要是基于热力循环模型对比了不同工况的数据，而未对系统热力经济性能进行准确评价。因此，本文主要结合广州地区全年气象参数与冷负荷变化特性，对应用于冷库的太阳能吸收-过冷压缩式复合系统开展准静态模拟，分析主要热力参数变化特性，以准确评价其节能潜力。

1 系统热力经济模型

1.1 系统原理与工作过程

太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统的原理图如图1所示。该复合制冷系统主要由采用真空管的集热器(ETC)、蓄热水箱、吸收子系统和压缩子系统4部分组成。吸收子系统以溴化锂/水为工质对，压缩子系统以R717(液氨)为制冷剂。吸收子系统通过过冷器向压缩子系统输出冷量，从而降低压缩机功耗。压缩机采用变频压缩机以保持冷库内温度的稳定。当太阳辐射高于100 W/m2时，水泵1启动，将蓄热水箱内的水送入集热器中加热。当蓄热水箱顶层水温高于60 ℃时，水泵2启动，将蓄热水箱的热水送入吸收子系统发生器中驱动吸收子系统制冷，同时水泵3启动，将吸收子系统冷量通过闭式水循环送入压缩子系统过冷器，以过冷压缩子系统制冷剂，从而降低压缩机功耗。当热水温度低于55 ℃时，关闭水泵2和水泵3，此时仅压缩子系统单独运行以满足冷库冷负荷。

图1 太阳能溴化锂/水吸收-过冷压缩式复合制冷系统原理图

1.2 数学模型

基于质量守恒和能量守恒的基本原理对太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统建立全变量耦合的数学模型。为此，需要对制冷系统计算过程做出如下合理假设：①忽略系统内除太阳能集热器和蓄热水箱外的各个部件的热损；②压缩子系统内蒸发器和冷凝器出口的制冷剂均为饱和状态；③忽略系统中各个部件内部以及连接管道中的压降；④系统处于准平衡状态。

太阳能集热器的效率(η)和换热量(Qcol)由以下公式计算[11]：

η=0.612-1.98(ti-tamb)/I

(1)

Qcol=AcolIη=qm,col(hout,col-hin,col)

(2)

式中：ti为集热器内热水的平均温度，℃；tamb为环境温度，℃；I为太阳辐照度，W/m2；Acol为集热器面积，m2；qm,col为集热器热水流量，kg/s；hin,col、hout,col分别为集热器热水进、出口比焓，kJ/kg。

蓄热水箱采用分层模型，其1-3层的能量平衡方程如下所示：

qm,hcp(ti+1-ti)-UstAst,i(tst,i-tamb)

(3)

式中：ρ为水的密度，kg/m3；Vst为水箱总体积，m3；cp为水的比热容，J/(kg·K)；tst,i为水箱第i层中水的温度，℃；qm,h为发生器热水流量，kg/s；Ust为水箱热损系数，J/(K·m2)；Ast,i为水箱第i层的表面积，m2。

吸收子系统的热力学模型采用特征方程法构建[12]，其输出制冷量由以下公式计算：

Qe,as=s(tch-tch,min)

(4)

式中：Qe,as为吸收子系统的制冷量，W；s为吸收子系统特征方程系数(通过各个换热器换热系数确定)，W/K；tch为特征温度，℃；tch,min为特征温度最小值，℃。

压缩子系统的热力学模型基于质量守恒与能量守恒建立，公式如下：

∑qm,in=∑qm,out

(5)

Q=∑(qm,inhin)-∑(qm,outhout)=UAL

(6)

式中：qm，in、qm,out分别为压缩子系统各个部件进、出口的质量流量，kg/s；Q为换热量，W；hin、hout分别为压缩子系统各个部件进、出口的比焓，J/kg；U为换热系数，W/(K·m2)；A为换热面积，m2；L为对数平均温差，℃。

压缩机功耗计算公式为

W=qm,cs(hdis,s-heva,out)/ηs

(7)

式中:qm,cs为制冷剂质量流量，kg/s；hdis,s、heva,out分别为等熵过程中压缩机出口比焓和蒸发器出口比焓，J/kg；ηs为等熵效率。

吸收子系统与压缩子系统的COP计算公式分别如下：

COPas=Qe,as/Qg

(8)

COPcs=Qe,cs/W

(9)

式中：Qg为吸收子系统发生器的热负荷，W；Qe,cs为压缩子系统蒸发器热负荷，W。

全年节能量计算公式如下：

其次，从学校环境的角度看，以认同社会精神文明为教育中心。从集体活动角度营造良好的校园环境，例如，学习“认识新自我”和“过有情趣的生活”两章之后，组织全校范围的集体活动，采用展板和海报的形式，鼓励学生张贴个人简介和生活照片，组织校园行为纠察组，帮助行为不良的学生纠正行为。这样一来，学生不仅能够积极地进行自我发展，还能够关注环境，主动参与社会发展，形成社会责任，这也是政治教学价值的一种表现。

(10)

式中：Wref为参考系统(参考系统为相同参数下的压缩子系统，即压缩子系统单独运行以满足冷库冷负荷)压缩机功耗，W。

复合系统投资回收期计算公式如下：

P=ΔCI/(ΔCe+ΔCo+ΔCc)

(11)

式中：ΔCI为总投资增加量(含设备投资、相关管路及安装费用3部分)，元；ΔCe为平准化年节电收益，元；ΔCo为平准化年维护收益，元；ΔCc为平准化年二氧化碳减排收益，元。

式(11)中3个收益的计算如下：

ΔC=(ΔCref-ΔCnew)[k(1-kn)/(1-k)]F

(12)

式中,ΔCref和ΔCnew可以分别代表参考系统和复合系统的初始年节电收益、初始年维护收益及初始年二氧化碳排放税，元。k与F的计算如下：

k=(1+r)/(1+rint)

(13)

F=[rint(1+rint)n]/[(1+rint)n-1]

(14)

式中：r为通货膨胀率，%；rint为银行利率，%；n为系统寿命，年。

1.3 模型验证与参数设定

该复合系统热力模型的主要求解过程如图2所示，该模型的准确性已在以往的相关研究中验证，理论模拟与实验结果之间的误差不超过5%[12]。

图2 太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统计算流程图

本文选择亚热带城市广州的气象参数，利用ICE-E(欧洲冷库设备提升计划) 提供的软件模拟一个大型冷库冷负荷[13]，冷库主要参数如表1所示，其冷负荷如图3所示。太阳辐射与环境温度采用各月逐时平均值，如图4和图5所示。模拟计算过程中冷却水进口温度采用一月至七月由24 ℃线性增加至30 ℃、七月至十二月线性递减的设置方法。该复合系统设计运行参数如表2所示，经济性评价中所用参数如表3所示[7,14- 17]。理论模拟的时间步长为2 min。需要说明的是，热力经济分析所使用的参考装置是相同工况下的氨压缩制冷系统。

表1 冷库的主要参数Table 1 Design parameters of cold stores

图3 冷库各月份冷负荷Fig.3 Cooling load of cold stores for different months

图4 广州各月份太阳辐射Fig.4 Monthly solar irradiance in Guangzhou

图5 广州各月份环境温度Fig.5 Monthly ambient temperature in Guangzhou

2 结果与讨论

2.1 热力分析

二月份蓄热水箱顶层热水温度(thot,water)和吸收子系统冷冻水出口温度(tcold,water)如图6(a)所示。当吸收子系统关闭时，认为冷冻水与冷却水

表2 太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统设计参数

表3 经济分析数据 [7,14- 17]Table 3 Data of economic analysis

温度相同。由于系统连续运行时蓄热水箱内有剩余热量，第1天0:00时热水温度大于环境温度，并且由于蓄热水箱的热量损失，在夜间关停吸收子系统后温度仍然会随时间的变化缓慢下降。图6(b)展示了七月份蓄热水箱顶层热水温度和吸收子系统冷冻水出口温度的变化情况。由于较高的太阳辐射，热水温度显著提高，与二月份相比，水箱顶层温度提高了约15 ℃。图中第2天上午冷冻水温度的突然回升是由于热水温度过低，吸收子系统在此时段关停。

二月份吸收子系统的制冷量与COP如图7(a)所示。吸收子系统的平均制冷量为60.9 kW，平均COP为0.55，且由于太阳辐射不足，吸收子系统运行时间较短。图7(b)展示了七月份吸收子系统的制冷量与COP。由于太阳辐射较为充足，蓄热水箱热水温度明显提高，吸收子系统平均制冷量也增加到69.8 kW，与二月份相比增加了14.6%，平均COP为0.57，特别是吸收子系统的运行时间从二月份的15.9 h增加到七月份的56.9 h，增加了257.5%。

二月份压缩机功耗和压缩子系统的COP如图8(a)所示。冷库制冷系统功耗平均降低约30 kW，吸收子系统运行后，压缩子系统的COP从2.65上升到2.90，增加了9.4%。七月份压缩机功耗和压缩子系统的COP如图8(b)所示。压缩机平均功耗降低约40 kW，与二月份相比增加了31.3%，吸收子系统运行后，压缩子系统COP可从2.35增加至2.61(由于夏季冷却水温度较高，COP有所降低)，相较于二月份节能效果增加18.1%。以往研究表明，过冷的方式使制冷量增加依赖于冷却水和冷冻水的流速以及压缩机的转速[18- 19]，通过实验确定转换比约为0.9～1.1[9]。

2.2 经济分析

通过对太阳能复合制冷系统的全年准静态模拟获得该复合系统在广州地区的全年节能量，并结合相关经济数据计算得到经济分析结果，主要数据如表4所示。

表4 经济分析结果Table 4 Results of economic analysis

经济分析结果显示，复合制冷系统的年节能量达124.9 MW·h(全年压缩功耗比参考系统减少了约4%)，即每平方米集热器面积节能63 kW·h。由于冷库中吸收子系统运行时间长，且冷库制冷系统COP较低，所以该复合制冷装置应用于冷库中比在高层建筑中的节能量高79%[7]。该复合系统在冷库工况下，初始年节电收益可达96 173元，初始年净收益为104 787元，考虑利率、通胀率等经济因素后，平准化全年净收益为139 094元，系统投资回收期为6.74年，比普通建筑供冷工况下投资回收期明显缩短的重要原因在于复合系统节能的经济收入随着参考系统COP的减少而上升[20- 21]。

该复合制冷系统相比于参考装置增加初投资937 316元，初投资增加中的各部分占比如图9所示。相比于采用中温集热器的太阳能氨水吸收式制冷存在投资回收期过长的问题[4]，本方案中投资回收期的大大缩短很大程度得益于采用了ETC集热器，使得复合系统的初投资显著降低。

图9 复合系统初投资增加量中各部分的占比Fig.9 Proportion of each part in the initial investment increase

复合系统投资回收期的电价敏感性分析如图10所示。当电价降低30%时，投资回收期增加至9.29年(增加37.9%)；当电价增加30%时，投资回收期减少至5.28年(减少21.7%)。

图10 复合系统投资回收期的电价敏感性分析

3 结论

本文基于全年气象数据与冷负荷对用于冷库的太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统进行了热力经济分析，主要结论如下：

(1)太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统用于冷库年节电量达124.9 MW·h，全年压缩功耗比参考系统降低4%，单位面积集热器全年节电量为63 kW·h，节能效果显著。

(2)太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统用于冷库的投资回收期为6.74年(不考虑任何补贴)，具有出色的经济可行性。