太阳能制冷与露点蒸发冷却耦合的空调系统

方凯乐,强天伟,宣永梅

(1.西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710048;2. 浙江大学 宁波理工学院 机电与能源工程学院,浙江 宁波 315100)

0 引 言

近年来,一次性能源消费比例居高不下，能源消费者致力于向清洁能源转型。2010—2018年,全球清洁能源在一次性能源总量的占比仅提升约2%[1]。为降低能源消耗过快对环境的负面影响,选择可再生或低品位能源驱动的制冷空调系统是暖通空调领域未来发展方向之一。

喷射制冷是一种利用余热、废热或者太阳能作为驱动的技术,无需直接消耗电能,但存在效率较低、难以制取低温的问题[2-4]。机械压缩制冷虽然可以制取低温,但高品位电能消耗过多[5]。蒸发冷却是一种利用可再生的清洁能源——干空气能作为驱动,结构简单、造价低、节能环保的技术,其缺点是降温效果受气候条件限制[6-8]。

为弥补单一制冷技术的不足,复合式制冷系统应运而生。喷射/压缩复合制冷系统不但可以弥补喷射制冷难以获得较低温度的劣势,还能够提高系统性能,节约能耗[9]。喷射/吸收式循环系统用一个喷射器取代吸收式循环中的溶液膨胀阀,以恢复吸收器的压力。结果表明,温度较低时,组合式循环系统比单一循环系统具有更好的性能[10]。太阳能喷射与间接蒸发耦合制冷系统将间接蒸发冷却器用作喷射制冷子系统的冷凝器,更适宜在兰州地区运行,耦合系统综合性能系数(COP)最大可达13.69[11]。

诸多学者的研究表明,不同技术结合的复合系统可以相互配合改善系统性能[12-13]。因此,本文提出一种低品位能源(太阳能)驱动的新型复合制冷空调系统——太阳能制冷与露点蒸发冷却耦合空调系统。对该系统进行设计计算,并与其他空调系统相比较,评价其节能性及经济性。

1 系统工作原理与空气处理方案

复合制冷空调系统由2部分组成:露点蒸发冷却子系统和太阳能喷射制冷子系统。露点蒸发冷却子系统中的设备包括露点蒸发冷却器和风机,以水泵提供喷淋水作为动力来源。太阳能喷射制冷子系统中设备有喷射器、冷凝器、储液罐、循环泵和发生器等。

1.1 系统工作原理

新型太阳能制冷与露点蒸发冷却耦合空调系统工作原理图如图1所示。

图 1 耦合空调系统工作原理

露点蒸发冷却子系统中最重要的设备是露点蒸发冷却器,其结构形式选择叉流式。室外待处理空气进入露点蒸发冷却器中的干通道内,经湿通道内原有的二次空气冷却等湿降温后,一部分空气从干通道下侧的小孔排出,进入湿通道内,与原有的二次空气混合,降低了二次空气温度,进一步增大干湿通道间的换热温差,继续冷却干通道的一次空气,持续降温,直到低于湿球温度以下且接近露点温度。二次空气与湿通道内的喷淋水进行热湿交换,使干湿通道间壁面上的水膜温度降低,冷却干通道内的空气[14-15]。将被冷却后的一次空气送入喷射制冷子系统中的蒸发器内,与低温低压的制冷剂进行对流换热,再次降温,处理到送风状态点O时,送入空调区域。二次空气排风与室内回风混合,通向风冷冷凝器,带走部分冷凝热。

依据对环境的友好程度(消耗臭氧潜能值(ODP)、全球变暖潜能值(GWP))、制冷剂本身的热物理性质(沸点、汽化潜热、黏度等),选取R245fa为新复合系统中喷射制冷子系统的循环工质[16]。

发生器的驱动热源为太阳能,太阳辐射照度强时,太阳能集热器中的水或油吸热升温进入蓄热水箱中,蓄热水箱中的水或油温度达到一定程度后,进入发生器中加热制冷剂以产生高温高压的工作流体,这部分流体进入喷射器的喷嘴部分,引射来自蒸发器的低温低压流体。2股流体在喷射器内混合室部分充分混合后,形成中压中温的流体,再由喷射器出口进入冷凝器中进行冷凝。冷凝器分为2级冷凝,先经过风冷冷凝器,由露点蒸发冷却器的二次侧排风和室内回风带走喷射制冷循环的部分冷凝热,再配以水冷冷凝器进一步冷凝。被冷凝的制冷剂储存在储液罐中,从储液罐中出来后制冷剂分成2路:一路经过节流阀节流降压进入蒸发器中;另一路制冷剂由制冷剂循环泵送回到发生器中,实现再次循环。制冷剂在系统内各个部件的状态变化压焓图如图2所示。

图 2 喷射制冷子系统制冷剂循环图

1.2 空气处理方案

该复合系统将露点蒸发冷却作为第1级冷却,待处理空气W先送入露点蒸发冷却子系统内被冷却到W1,此过程温度降低,湿度不变,是等湿冷却过程。然后送入喷射制冷子系统中的蒸发器内,进行第2级冷却,冷却至送风状态点O,再送至空调区域,带走房间热负荷,将室内空气降温减湿至N点。室内回风N和露点蒸发冷却二次侧排风W2混合到状态点M,送入风冷冷凝器内,风冷冷凝器出口空气状态点为M1。该新型复合系统空气处理过程焓湿图如图3所示。

图 3 空气处理过程焓湿图

2 系统设计计算

以全热负荷为4 kW的南京某实验室为例,进行该新型复合空调系统的详细设计计算。根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》,得到南京市夏季空调设计参数，如表1所示。

表 1 南京市室外设计气象参数

2.1 露点蒸发冷却子系统

该系统为全新风空调系统,室内热负荷由新风全部承担,通过能量守恒可得以下基本方程:

室内全热负荷Q0:

Q0=Ms(hN-hO)

(1)

式中：hN,hO分别为夏季室内设计状态点N、送风状态点O的焓值,kJ/kg;Ms为送风风量,kg/s。

露点蒸发冷却器的湿球效率E=1.1[12]，根据式(2)可得一次空气出口温度tdb2:

(2)

式中:tdb1,tdb2分别为一次空气入口、出口的干球温度,℃;twb1为一次空气入口的湿球温度,℃。

取一、二次风量比为1∶1,则有

M1=M2=M3

(3)

式中:M1,M2分别为一次、 二次空气流量,kg/s。

设定夏季室内温度为 26 ℃, 相对湿度 60%, 送风温差取 Δt=8 ℃, 送风状态点O温度为 18 ℃, 相对湿度90%, 露点蒸发冷却器的湿球效率E=1.1, 计算得到整个处理过程的各状态点参数, 如表2所示。

表 2 蒸发冷却各点状态参数

假设风冷冷凝器绝热良好,全部的热量均用来冷却制冷剂，则风冷冷凝热Qcon1为

Qcon1=(M1+M2)(hM1-hM)

(4)

式中:hM1为风冷冷凝器出口空气的焓值,kJ/kg;hM为室内回风和二次侧排风混合后空气的焓值,kJ/kg。

2.2 太阳能喷射制冷子系统

待处理空气先被露点间接蒸发冷却器预冷,则太阳能喷射制冷子系统中蒸发器制冷量Qeva为

Qeva=M1(hW1-hO)

(5)

式中:hO为南京市夏季空调室内送风状态点的焓值,kJ/kg;hW1为一次空气出口的焓值,kJ/kg。

假设:①系统运行稳定;②运行工质在管道内流动时忽略压降、热损;③蒸发器、发生器等换热器绝热良好;④工质经节流阀前后焓值不变,压力降低。

根据蒸发器制冷量Qeva求得引射流体质量流量msf：

Qeva=msf(h6-h7)

(6)

式中:msf为引射流体质量流量,kg/s;h6、h7分别为蒸发器出口、入口制冷剂的焓值,kJ/kg。

制冷剂流动过程中遵循的相关质量、能量守恒方程:

mmf=mpf+msf

(7)

式中:mmf、mpf分别为混合流体、工作流体质量流量,kg/s。

mmfh2=msfh6+mpfh1

(8)

式中:h1、h2分别为发生器出口、喷射器出口制冷剂的焓值,kJ/kg。

发生器热负荷Qgen:

Qgen=mpf(h1-h5)

(9)

式中:h5为工质泵出口(发生器入口)制冷剂的焓值,kJ/kg。

冷凝热Qcon:

Qcon=mmf(h2-h3)

(10)

式中:h3为水冷冷凝器出口制冷剂的焓值,kJ/kg。

水冷冷凝热Qcon2:

Qcon2=Qcon-Qcon1

(11)

循环泵耗功量Wpump:

(12)

式中:ηpump为循环泵效率,ηpump=0.9;h4为循环泵入口(储液罐出口)制冷剂的焓值,kJ/kg。

喷射器是太阳能喷射制冷子系统中重要的设备,其喷嘴喉部、喷嘴出口、混合室和扩压室出口等处的尺寸以及工作流体、引射流体状态参数决定喷射器的引射系数和工作性能。建立喷射器的数学模型时,采用一维等压混合理论分析喷射器性能[17-19]。分析时做如下假定:①喷射器内流动是一维流动过程;②喷射器内流体变化过程为准静态过程;③喷射器内的混合过程为等压过程;④喷射器进出口的动能可以忽略不计。根据以上假设以及相关质量、能量和动量守恒方程,可得理论引射系数μ[19]:

μ=[ηnηmηd(hpf,n1-hpf,n2,s)/

(hmf,d,s-hmf,m)]1/2-1

(13)

式中:ηn为喷嘴效率,ηn=0.85;ηm为混合效率,ηm=0.95;ηd扩压效率,ηd=0.85；hpf,n1为喷嘴入口处工作流体的焓值,kJ/kg;hpf,n2,s为工作流体经等熵过程在喷嘴出口处的焓值,kJ/kg;hmf，d,s为混合流体经等熵过程在扩压段出口处的焓值,kJ/kg;hmf,m为混合流体在混合段出口处的焓值,kJ/kg。

引射流体质量流量msf:

msf=μmpf

(14)

假定蒸发温度15 ℃,冷凝温度35 ℃,发生温度110 ℃,根据式(5)～(14)以及喷射制冷循环中制冷剂的变化过程,计算得到系统各处运行参数，如表3所示。

表 3 系统运行参数表

3 系统性能及适用性

3.1 太阳能喷射制冷子系统性能

太阳能喷射制冷子系统的发生温度为 100 、110 ℃和120 ℃冷凝温度35 ℃时，分析蒸发温度(0～20 ℃)对喷射制冷子系统的引射系数μ及系统性能参数Pcop的影响， 如图4所示。图4中，黑色曲线和蓝色曲线分别为喷射制冷子系统的引射系数μ及系统性能参数Pcop随蒸发温度的变化规律。

图 4 引射系数和系统性能参数随蒸发温度的变化

从图4可以看出,随着蒸发温度的增加,太阳能喷射制冷子系统的引射系数μ及系统性能参数Pcop随之增加。这是因为喷射器在工作状态下,蒸发温度升高时,蒸发压力升高,使得喷射器的膨胀比和压缩比均减小,因此喷射器的效率和性能系数随之增大。但蒸发温度也受实际情况的限制,不能无限制的增大。该系统中,选用的R245fa制冷剂沸点为14.9 ℃,因此设定蒸发温度为15 ℃。

当太阳能喷射制冷子系统的发生温度为100 ℃、110 ℃和120 ℃，蒸发温度15 ℃，分析冷凝温度(30～55 ℃)对喷射制冷子系统的引射系数μ及系统性能参数Pcop的影响，如图5所示。图5中，黑色曲线和蓝色曲线分别为喷射制冷子系统的引射系数μ及系统性能参数Pcop随冷凝温度的变化规律。

图 5 引射系数和系统性能参数随冷凝温度的变化

从图5可以看出,随着冷凝温度的增加,太阳能喷射制冷子系统的引射系数μ及系统性能参数Pcop均逐渐减小。这是因为冷凝温度增大时,冷凝压力和喷射器出口压力均增加,压缩比增大,引射系数和系统性能降低。该系统的冷凝器分为风冷和水冷2级冷凝，冷凝温度的选择需考虑风冷冷凝器处二次侧排风温度,以及保证一定的换热温差。系统设定冷凝温度为35 ℃。

当太阳能喷射制冷子系统的蒸发温度为15 ℃,冷凝温度35 ℃的情况下,分析喷射制冷子系统的引射系数μ及系统性能参数Pcop随发生温度的变化规律,结果如图6所示。

图 6 引射系数及系统性能参数随发生温度的变化

从图6可以看出,随着发生温度的增加,太阳能喷射制冷子系统的引射系数μ及系统性能参数Pcop均逐渐增大。这是因为发生温度增加,工作流体的能量增加,喷射器的引射能力提高,即引射系数增大,系统性能系数亦增加,但并不能无限制增大。随着发生温度的升高使得喷射器达到极限状态时,喷射器会出现阻塞现象,此时引射系数减小,系统性能也不再增加。由此可知,对该系统而言,适当提高发生温度对系统是有利的,但对于太阳能喷射而言,太阳能强度有一定的上限。增加发生温度需要不断增大太阳能集热器面积,对初投资不利。综合考虑来看,该系统设定发生温度为110 ℃。

3.2 复合系统性能

复合系统的性能系数ηcop为制冷量与耗电量的比值。该复合系统中,发生器的换热量是由余热、废热驱动的,视为无偿所得,不作为耗电量，所以,复合系统的ηcop为

(15)

式中:QM-cyc为露点间接蒸发冷却器制冷量,kW;Ns，Np分别为送风、排风风机耗电量,kW·h;NM-cyc，Ncon分别为喷淋、冷却水泵耗电量,kW·h。

复合系统与其他系统的性能对比如表4所示。

表 4 系统性能对比

3.3 复合系统适用性及经济性

该系统中发生器的驱动热源为太阳能,即太阳能辐射量的多少会影响喷射制冷子系统的性能。我国是太阳能总辐射资源丰富的国家之一。即使在太阳能资源一般丰富的江浙地区,也已有实验表明，当夏季太阳辐射照度强时,集热器水温升高至80 ℃起,喷射器开始工作,并随着系统运行,喷射器进入最佳工况。同时,该系统为太阳能喷射与露点蒸发冷却耦合的空调系统,蒸发冷却与太阳能喷射共同承担室内冷负荷。

系统的初投资主要由设备费、材料费、安装费等组成，系统的运行费用与耗电量有关。由表4可知,相同制冷量下,3种系统的耗电量分别为1.67、1、0.94 kW·h。假设供冷季运行3个月,每天运行12 h,根据南京市电费收取标准0.53元/(kW·h),计算得到运行费用，见表5。太阳能制冷与露点间接蒸发冷却空调系统和传统机械压缩空调系统寿命分别以15、10 a计算,经计算得到年费用，见表5。

表 5 系统经济性对比

由表5可得,新型复合系统的初投资较大,但年费用比传统空调形式节省476.5元。同时，新型复合系统适应节能减排的发展理念,是值得大力推广的空调系统。

投资回收期是在不考虑能源费用增长和银行贷款利率浮动的情况下,系统初投资增加值与年费用节约值之比。计算可得,该复合系统投资回收期约为6 a。

4 结 论

1) 新型复合系统采用2级冷却达到空调送风温度。先将空气通过露点蒸发冷却器预冷,再送入蒸发器内进一步冷却,提升了单一喷射制冷的系统性能,扩宽了单一蒸发冷却的降温范围。与其他的蒸发冷却器相比,露点蒸发冷却器降温效果更佳。

2) 喷射制冷的驱动热源为太阳能低品位能源,露点蒸发冷却利用干空气能。与传统的机械式压缩制冷空调系统相比,系统性能提升超过70%,节约电能约44%;与间接蒸发冷却和喷射制冷空调系统相比,Pcop提升6.38%,节约电能约6%。

3) 充分利用露点蒸发冷却器二次排风的冷量,实现能量梯级利用。该新型系统将较低温度的二次排风和室内回风混合,一起通向风冷冷凝器,可承担16.27%的冷凝热。若采用间接蒸发冷却和喷射制冷空调系统,二次排风仅能承担小于5%的冷凝热。

4) 该复合系统送风为全新风,不与回风混合,避免回风污染,送风品质高,室内空气品质也随之提高。对复合系统进行经济效益分析,可知该系统每年可节约476.5元,投资回收期约为6 a。