平板型集热器驱动的小型太阳能吸收式制冷系统运行分析与优化研究

程友良，刘 萌，刘志东，占成林

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003）

0 引言

太阳能热驱动制冷系统的热源为太阳能集热器，太阳能集热器包括平板型集热器、真空管型集热器、复合抛物面集热器（Compound Parabolic Collector，CPC）、槽 形 抛 物 面 集 热 器（Parabolic Trough Collector，PTC）和线性菲涅尔集热器等。不同集热器的工作温度不同，平板型集热器的工作温度为100℃，真空管型集热器的工作温度为100～200℃，CPC和PTC的工作温度可达到200℃以上[1]，[2]。由于吸收式制冷机的制冷效率不会随着热源温度的升高而增大，因此，工作温度较高的集热器制冷系统须要配置热交换器，用于降低热源温度，但这样会对能源品位造成一定的浪费，同时，工作温度较高的集热器价格较高，增加了系统的初投资成本。综上可知，选择与小型吸收式制冷机工作温度匹配性较好的太阳能平板集热器，在提高能源利用和经济性方面都具有积极作用。韩延民以上海某工程中制冷功率为150 kW的太阳能吸收式制冷系统为例，基于TRNSYS软件对太阳能平板集热器和水箱设计参数进行了优化[3]。王如竹和徐震原对太阳能变效溴化锂吸收式制冷机进行了研究，研究成果拓宽了吸收式制冷机的运行适用范围[4]～[6]。Tao He利用TRNSYS软件，以北京地区某办公建筑为用冷对象，搭建了一套以生物质锅炉作为辅助热源的太阳能吸收式制冷系统，并进行了实验分析，实验结果表明，该系统的制冷功率可达到175 kW[7]。Arnas Lubis基于亚热带气候条件，建立了以太阳能为辅助热源的单双效吸收式制冷系统，并对该系统进行了性能分析，分析结果表明，该系统的制冷功率可达到239 kW[8]。

在太阳能吸收式制冷系统的相关研究中，国内外学者在理论分析与实验模拟方面均有较大的突破，但关于热驱动制冷系统在小型建筑中高效应用的研究相对较少。

本文采用溴化锂溶液作为循环工质，以太阳能保证率、一次能源节约系数作为评价指标，基于温度对口、梯级利用的思想，建立了小型太阳能吸收式制冷系统 （Solar Absorption Refrigeration System，SARS），并针对不同的集热配置对该系统进行优化分析。

1 小型太阳能吸收式制冷系统

小型太阳能吸收式制冷系统主要由平板型集热 器 （Flat Thermal Collector，FTC）、贮 热 装 置（Storage Tank，ST）和吸收式制冷机构成。其中，吸收式制冷机（以单效吸收式制冷机为例）由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和换热器等部件组成[9]。小型太阳能吸收式制冷系统结构图如图1所示。

图1 小型太阳能吸收式制冷系统结构图Fig.1 Schematic diagram of small solar absorption refrigeration system

由图1可知，小型太阳能吸收式制冷系统主要由3个环路组成。这3个环路分别为太阳能集热环路、蓄热水箱放热环路和吸收式制冷环路。

1.1 末端用户

系统末端用户为保定地区（N38.85°，E115.56°）一套面积为120 m2的别墅，该建筑以混凝土砖墙结构为主。根据暖通空调系统设计手册，选取建筑的冷负荷指标为115 W/m2。通过Meteonorm软件得到保定地区的年气象资料，其中，水平面太阳能年平均辐射强度为148.6 W/m2；6-8月，太阳能月平均辐射强度为201.04 W/m2[10]。

1.2 平板型集热器

小型太阳能吸收式制冷系统主要依靠太阳能集热环路输出的热量作为驱动能源，因此，集热装置的性能直接决定了系统的运行效率和稳定性。本文探究了作为系统热源的平板型集热器输出装置。按照系统的太阳能保证率为100%的情况，对系统装置的各项参数进行选择，平板型集热器的面积为206 m2，安装倾角为10.3°[11]。平板型集热器的性能参数如表1所示[12]。平板型集热器的入射角修正值如表2所示[12]。

表1 平板型集热器的性能参数Table 1 Performance parameters of flat thermal collector

表2 平板型集热器的入射角修正值Table 2 Flat thermal collector incident angle correction

1.3 溴化锂吸收式热泵

根据用户的实际冷负荷，设计溴化锂吸收式热泵的额定功率为17.6 kW，在冷却温度为31℃，发生器所需热水温度为88℃的条件下，可将12.5℃的水冷却到7℃，此时发生器的输入热功率为25 kW，冷冻水流量为2 772 L/h，冷却水流量为9 180 L/h，热水流量为4 320 L/h，单效吸收式制冷机的COP可达到0.704。系统所采用的水箱是分层水箱。模拟过程中采用设备的额定性能参数见表3。

表3 主要设备额定性能参数Table 3 Main equipment rated performance parameters

续表3

1.4 蓄热装置

由于太阳能具有不连续性和波动性的特点，因此，在平板型集热器和单效吸收式制冷机之间须要设置蓄热水箱，从而将不稳定的热量贮存于蓄热水箱内，然后将稳定的热量通过蓄热水箱内的传热介质，输送至单效吸收式制冷机内。依据太阳能供热采暖工程技术规范中对短期贮热装置容积选取范围的建议（蓄热水箱的选取标准为50 L/m2），本文设定蓄热水箱的总容积为10.3 m3[11]。蓄热水箱的直径为3.34 m，高度为4.37 m，工作时有8个温度分层节点，每个温度层的高度为0.55 m，且无辅助加热器。

1.5 控制策略

太阳能集热环路主要由平板型集热器、集热水泵P1和蓄热水箱组成。其中，集热水泵P1由集热控制器控制。为了保证太阳能集热环路的有效蓄热，当平板型集热器出口温度与进口温度的差值大于5℃时，集热水泵P1开始运行，蓄热水箱开始蓄热；当平板型集热器出口温度与进口温度的差值小于0℃时，集热水泵P1关闭，蓄热水箱停止蓄热[13]。蓄热水箱放热环路主要由蓄热水箱、循环水泵P2、辅助加热锅炉和单效吸收式制冷机的发生器组成。在蓄热水箱放热环路中，通过热水控制器控制辅助热源(锅炉)的启停。当来自蓄热水箱顶部的流体温度不能满足单效吸收式制冷机的最低运行温度（72.5℃）时，热水控制器输出启动信号，辅助热源开始运行[14]；反之，当来自蓄热水箱顶部的流体温度能够满足单效吸收式制冷机的运行要求时，辅助热源停止运行，此时，制冷系统只依靠平板型集热器获得的热量进行制冷。吸收式制冷环路由冷凝水环路和冷媒水环路组成，其中，冷凝水环路由冷凝水泵P3、冷却塔和单效吸收式制冷机的冷凝器组成；冷媒水环路由冷媒水循环泵P4、用户负荷端和单效吸收式制冷机的蒸发器端组成。制冷控制器控制循环水泵P3，P4的启停。当来自蓄热水箱顶部的流体温度达到单效吸收式制冷机的运行温度（72.5℃）时，制冷控制器输出运行信号，循环水泵P3，P4开始运行。

2 数学模型

本文基于TRNSYS（version 17）软件，建立了小型太阳能吸收式制冷系统模型，并对该模型进行了仿真模拟。

本文主要研究了系统配置对小型太阳能吸收式制冷系统热性能的影响，因此，在建模和仿真时进行了以下简化和假设：不考虑流体冻结和沸腾对系统的影响；系统管路和阀门的热损失是恒定的；不考虑系统中流体的损耗；末端用户冷媒水的进水温度为定值（12℃）。

2.1 平板型集热器数学模型

选择TRNSYS软件中的Type1b作为模拟平板型集热器的模型[15]。式（1）～（2）为平板型集热器的控制方程，通过控制方程和相应的参数设定，如平板型集热器的入射角修正值（Incidence Angle Modifier，IAM），准确模拟平板型集热器的运行情况。

平板型集热器集热效率η的计算式为

式中：Qu为平板型集热器输出的有用能，kJ；A为平板型集热器的孔径面积，m2；IT为平板型集热器接收的总辐射量，kJ/（h·m2）。

Qu的计算式为

式中：Cp为平板型集热器内传热工质的定压比热容，kJ/（kg·K）；m为平板型集热器内传热工质的质量流量，kg/s；To，Ti分别为流出、流入平板型集热器的工质温度，℃。

2.2 单效吸收式制冷机数学模型

TRNSYS软件中的模型Type107可以模拟单效吸收式制冷机，但该模型只能模拟热水温度为108～116℃、最小额定制冷功率为150 kW的单效吸收式制冷机。而本文系统中单效吸收式制冷机的额定制冷功率为17.6 kW，热源温度为72.5～95℃，继续选用原来的模型势必会增大模拟误差。本文以YAZAKI（WFC-SC5）型号的单效吸收式制冷机的性能参数为依据，建立了小型单效吸收式制冷机模型[16]。该模型的控制表达式分别为

式中：Qremove为从冷冻水获得的热量，kJ/h；mchw为冷冻水的质量流量，kg/s；Tchw，in，Tchw，set分别为蒸发器内进、出口处冷冻水的温度，℃；Qcw为冷却水的得热量，kJ/h；Qchw为冷冻水的放热量，kJ/h；Qhw为热源水提供的热量，kJ/h；Qaux为辅助热源的热量。

式中：COP为单效吸收式制冷机的制冷性能系数。

3 性能指标与模型验证

3.1 太阳能保证率

太阳能保证率Sf为太阳能提供的热量与系统总的热输入量的比值。

Sf的表达式为

式中：Qsolar为从平板型集热器获得的热量，kJ。

3.2 一次能源节约

参考电压缩制冷机系统，得到一次能源节约系数fsav的计算式为[17]

式中：Qboiler为锅炉提供的辅助热量，kJ；εheat为辅助热源制热效率（锅炉效率与燃烧效率之积），取值为0.66；Qcooling，ref为电压缩制冷机系统的制冷量，kJ；COPref为电压缩制冷机的制冷效率，根据现有制冷机的性能，本文取值为2.8；εelec为热电厂的发电效率，取值为0.4。

4 模拟结果与分析

基于本文各装置的性能参数，构建小型太阳能吸收式制冷系统（图1）。该制冷系统的模拟期时间为6月15日-9月15日（时段为3 960～6 168 h）。选取8月7日-8月16日（时段为5 232～5 472 h）作为典型模拟时段。基于小型太阳能吸收式制冷系统，基于不同的太阳能保证率（10%～100%），将集热配置方式分为10种情况（Case1～Case10）。表4为不同集热配置方式下，太阳能集热环路的各项参数。

表4 太阳能集热环路的各项参数Table 4 Parameters of the collector loop

图3为不同集热配置方式下，辅助热源的耗能、平板型集热器的有效得热量、制冷量和一次能源节约系数。由图可知，随着平板型集热器面积的增大，辅助热源能耗整体呈下降的趋势，而平板型集热器的有效得热量明显增大。平板型集热器获得的热量，以热能的形式储存于蓄热水箱中，减少了辅助热源的能耗，同时平板型集热器增加的热量为单效吸收式制冷机提供更多的热能，并增加了系统的制冷量。由图3可以看出，当集热配置方式由Case1逐渐转变为Case10时，制冷量由9 000 kW逐渐升高至12 000 kW。同时，一次能源节约系数由-0.45逐渐升高到0.44，一次能源节约系数的最大值为0.44。

图3 不同集热环路配置方式下，辅助热源耗能、平板型集热器的有效得热量、制冷量和一次能源节约系数Fig.3 The energy consumption of the auxiliary heat source，the heat gain of the solar flat plate collector，the cooling capacity and the primary energy saving coefficient under different heat collection configurations

图4为不同集热配置方式下，实际太阳能保证率与设计的太阳能保证率的对比图。由图可知，两种太阳能保证率在10%～40%的重合度较好。当设计的太阳能保证率分别为50%和60%，对应的实际太阳能保证率分别为46.1%和52.7%时，平板型集热器得到充分利用。当设计的太阳能保证率达到70%以上时，实际太阳能保证率增长得趋于平缓，在Case10情况下，实际太阳能保证率仅为70%，此时平板型集热器未得到充分利用。因此，基于对平板型集热器面积充分利用的考虑，本文以Case7中的集热配置数据作为系统模拟的参数。

图4 不同集热配置情况下，实际太阳能保证率与设计的太阳能保证率的对比图Fig.4 Comparison of actual solar energy fraction rate and designed solar energy fraction rate under different collector configurations

图5为不同贮热体积下，辅助热源耗能、平板型集热器有效得热量、制冷量和一次能源节约系数。

图5 不同贮热体积下，辅助热源耗能、平板型集热器有效得热量、制冷量和一次能源节约系数Fig.5 The energy consumption of the auxiliary heat source，the heat gain of the solar flat plate collector，the cooling capacity and the primary energy saving coefficient under different heat storage volumes

由图5可知，随着单位面积上贮热体积的增加，平板型集热器收集的热量相应增加。这是由于随着蓄热水箱体积逐渐增大，蓄热水箱的贮热能力逐渐增强，同时平板型集热器的运行时长逐渐增加，因此，平板型集热器获得的热量更多地贮存于蓄热水箱中，导致收集的热量相应增加；由于平板型集热器的面积恒定，因此，随着单位面积上贮热体积逐渐增大，平板型集热器的集热量逐渐趋于稳定，辅助热源的能耗逐渐减少，但当单位面积上贮热体积大于60 L/m2时，平板型集热器集热量的增加无法提供给蓄热水箱足够的热量，此时辅助热源开始运行并向蓄热水箱提供热量，从而导致辅助热源的能耗随之增加。

基于制冷量和一次能源节约系数最大化的原则，本文选取面积为144.5 m2的平板型集热器和体积为4.34 m3（30 L/m2）的蓄热水箱进行仿真模拟。通过计算得知，平板型集热器的集热总功率达到10 287.18 kW，太阳能保证率达到57.5%。由此说明本文系统可以充分利用太阳能进行制冷。

本文基于以上数据，对5 232～5 472 h小型太阳能吸收式制冷系统的各项性能进行模拟。图6为系统运行过程中，系统各项参数随时间的变化情况。

图6 系统运行过程中，系统参数随时间的变化Fig.6 Changes of system parameters with time during operation

由图6可知，在5 232～5 256 h，平板型集热器的集热量主要用于提高水箱温度。5 249 h时，蓄热水箱中工质的平均温度Tst达到75℃，经过1 d的蓄热可以使单效吸收式制冷机基本达到运行温度，此时整个系统开始运行。当平板型集热器的流量为825 kg/h时，出水温度均在72.5℃以上。当太阳辐射强度充足时，平板型集热器的出水温度Tc可达到120℃。然而，在5 328～5 352 h，太阳辐射强度减弱，平板型集热器的最高出水温度仅可达到75℃。综上可知，太阳能不稳定性的特点对平板型集热器集热温度的影响较大。在5 232～5 256 h，由于蓄热水箱温度较低，太阳能集热环路持续向蓄热水箱提供热量，平板型集热器的集热效率随着太阳辐射强度的增大而增大，当太阳辐射强度为700 W/m2时，平板型集热器的制热效率η为0.71。在5 280～5 304 h，太阳辐射能流密度达到830 W/m2，但平板型集热器的制热效率仅为0.32。这是由于经过2 d的蓄热，蓄热水箱底部的出水温度逐渐升高，导致进入平板型集热器的工质温度随之升高，从而导致平板型集热器的制热效率逐渐降低。由图6还可以看出，蓄热水箱的平均温度稳定在80℃左右，这说明平板型集热器与小型单效式吸收式制冷机组的能源匹配度较高，这在一定程度上减少了能源浪费。

5 结论

本文基于理论模型与样本数据，通过TRNSYS模拟软件，建立了额定制冷功率为17.6 kW的小型平板型集热器驱动的吸收式制冷系统模型。通过分析不同运行条件下制冷系统的运行参数，确定了最优的平板型集热器面积、蓄热水箱体积和分层高度，取值分别为144.5 m2，4.34 m3和0.23 m。模拟结果表明：

①在系统运行过程中，单效吸收式制冷机的驱动温度为72.5～95℃，制冷效率为0.6～0.85，同时，进入单效吸收式制冷机的热源温度约为80℃，热源温度与该制冷机的驱动温度匹配度较好；

②随着太阳能保证率逐渐增加，所需的平板型集热器面积逐渐增加，同时系统制冷量也相应增加。当设计太阳能保证率超过60%时，平板型集热器面积无法得到充分的利用；

③集热配置方式对系统的一次能源节约系数有很大影响。当集热器面积为20.6 m2、蓄热水箱体积为1.03 m3时，一次能源节约系数为-0.45；当集热器面积为206.4 m2、蓄热水箱体积为10.32 m3时，一次能源节约系数为0.44。因此，选择合理的集热配置方式有利于提高一次能源利用系数。