太陽能噴射制冷系統應用性能模擬

薛相美

(佛山市高級技工學校，廣東528200)

引言

我國是太陽能資源大國，可利用太陽能的國土面積占2/3以上，約600萬平方公里，全年平均日照時間在2200～3300小時之間，年總輻射量超過1670 kW·h/m2，開發利用前景十分廣闊［1］。太陽能噴射制冷是太陽能利用的一種重要形式，其具有可利用低品位能源、結構簡單、無運動部件及安裝維護簡單等優點，具有廣闊發展前景和工程應用價值，因此受到各國研究者的關注。已有文獻結合太陽能輻射特性、氣候條件等來研究太陽能噴射制冷的動態性能［2－3］。但未見有文獻根據環境變化確定冷負荷變化以及由冷負荷變化帶來對系統性能的影響，因此本文將綜合考慮這些因素，通過建立對太陽能噴射制冷系統性能分析模型，以環境友好工質R141b為制冷劑，選擇上海這一具有代表性的城市，以研究太陽能噴射制冷在我國的可行性及應用前景。

1 系統描述

太陽能噴射制冷系統如圖1所示，它由兩部分組成:一個是太陽能集熱系統，它是噴射制冷系統驅動能源來源;另外一個是噴射制冷系統，它為用戶提供冷量。

圖1 太陽能噴射制冷系統原理圖Fig.1 Diagram of solar－driven ejector cooling system

1.1 太陽能集熱系統

系統由太陽能集熱器、儲熱水箱、輔助加熱器組成。輔助加熱器位于儲熱水箱和發生器之間，當水箱溫度不足以驅動噴射制冷系統時，啟動輔助加熱器。

太陽能集熱器是太陽能熱利用系統中的關鍵部件，本文將使用平板集熱器和真空管集熱器的太陽能系統進行對比分析，這兩種集熱器是目前應用最為普遍的集熱器類型。

噴射制冷系統由兩個子循環構成:動力子循環，即制冷劑依次流經發生器、噴射器、冷凝器、蒸發器、循環泵再回到發生器，提供噴射器工作所需要的高壓工作氣體;另一個為制冷子循環，即制冷劑依次流經噴射器、冷凝器、節流閥、蒸發器，再回到噴射器的吸入口，提供所需要的制冷量。

衡量噴射制冷系統性能的指標主要有噴射系數和COP。噴射系數指的是引射流體和工作流體的質量流量之比:

噴射系數

忽略循環泵功，則噴射制冷的COPeic為制冷量和輸入熱量之比。計算公式如下:

1.2 太陽能噴射制冷系統性能指標

太陽能保證率SF(solarfraction)定義為提供給制冷系統中太陽能占制冷系統所需熱能的比率。太陽能保證率是太陽能噴射制冷的重要性能指標，它表示系統所消耗能源中太陽能所占的份額。

可以用系統熱效率STR(systemthermalratio)來衡量太陽能噴射制冷性能，它定義為集熱器單位太陽能輻射量所能獲得的制冷量。

根據定義有

2 模擬計算參數及方法

太陽能噴射制冷系統性能模擬計算可以分三大部分:空調冷負荷計算，噴射制冷系統計算和集熱器計算。

2.1 模擬參數

氣象數據采用典型氣象年的逐時數據來模擬，數據來源于中國建筑用標準氣象數據庫［4］。本文以上海一空調居室為研究對象，選取該地區平均氣溫最高月七月份的標準日為氣象環境條件。

如圖2為根據氣象數據庫繪制的上海地區七月份標準日氣溫、太陽能總輻射量隨時間變化值。

由于太陽能輻射量與太陽能集熱器得熱量，氣溫與噴射制冷冷凝溫度及冷負荷緊密相關，因此在分析太陽能噴射制冷隨時間變化性能有必要討論兩者與時間變化關系。從圖2中可以看出氣溫和太陽能輻射量變化趨勢均為先增大達到最高點然后再減少，但氣溫變化趨勢相應比太陽能輻射量推遲一段時間，主要是因為太陽能輻射波長太短不易被空氣吸收，太陽能輻射除部分被大氣反射和少數被空氣吸收外，一般穿透大氣輻射到地面，然后再經過地面吸收和反射，部分能量被空氣吸收，同時空氣自身會輻射，當吸收的能量大于自身輻射，氣溫會升高;反之，亦然。由于氣溫變化過程要比太陽能輻射變化過程晚一段時間，所以氣溫變化趨勢相應滯后于太陽能輻射量變化趨勢。

圖2 經典日氣溫、太陽能總輻射量變化曲線Fig.2 Air temperature and total solar radiation change curves on the classic day

制冷房間圍護結構情況如表1所示。

表1 制冷房間圍護結構尺寸表Table 1 The structure parameters of the cooling room

人員和電器設備:

居住人數:1人

照明、電視等電器設備功率:0.5kW

新風量:30m3/h

太陽能集熱系統循環工質:水

噴射制冷系統循環工質:R141b

系統冷凝溫度:Tc=Ta+3℃

集熱器與發生器平均溫差:Tu=Tg+6℃

集熱器進口水溫:Ti=38℃

空調冷負荷和制冷量模擬計算:

冷負荷是指使空調房間保持所需要的溫度，須由制冷設備所產生的冷量消除室內多余的熱量值。這部分余熱是通過空調設備將冷量傳給室內空氣而消除的?？照{冷負荷主要由下列多種因素構成:

(1)外墻和屋面溫差傳熱引起的冷負荷;

(2)外窗溫差傳熱的冷負荷;

(3)外窗太陽輻射的冷負荷;

(4)內圍護結構傳熱冷負荷;

(5)人體散熱的冷負荷;

(6)照明散熱的冷負荷;

(7)設備散熱的冷負荷;

(8)食物散熱的冷負荷;

(9)散濕形成的潛熱的冷負荷;

(10)空氣滲透帶入室內的冷負荷。

由于房間建筑材料的熱容量，使室外傳給建筑物的瞬時得熱量不等于由這些建筑物瞬時傳給房間內空氣的熱量，因此傳熱過程屬于不穩定傳熱。為保證用戶舒適度，合理地確定空調制冷量，節約投資和運轉時能耗，應該按照不穩定傳熱方法計算空調冷負荷，采用諧波法計算空調冷負荷屬于其中比較精確的不穩定傳熱方法計算空調冷負荷方法之一。

本文將采用北京鴻業同行科技有限公司開發的鴻業冷負荷計算軟件 (version2.0)計算空調冷負荷，該軟件采用諧波法可以逐時計算空調冷負荷，按照設計要求在冷負荷計算軟件中輸入相應參數和選擇相關選項，然后點擊設計界面“數據中心”中“計算”按鈕，系統完成冷負荷計算。

一座建筑物空調系統的制冷量，除了要計入建筑物的計算冷負荷外，還要考慮其他因素造成的附加冷負荷，如送風機溫升，送風管道系統的溫升，水系統的熱損失和制冷設備的效率等引起的附加冷負荷。將上述各種因素形成的冷負荷相加，就構成了該建筑物的制冷機總容量，這一制冷機容量稱為“制冷量”。

上述附加冷負荷可以逐一計算，但計算繁瑣且不太準確，故制冷量一般以最大制冷負荷乘以1.1～1.5系數來確定，本文取1.1，各空調房間配置的空調末端設備容量是以冷負荷為依據。

圖3 空調房間冷負荷隨時間變化關系Fig.3Theroomcooling load change under different time

圖3為上海地區七月份標準日8∶00－17∶00空調房間冷負荷逐時變化關系，從中可以看出空調負荷隨時間呈遞增趨勢，到17∶00時達到最大值。冷負荷最大值既不是出現在太陽能輻射值最大的12∶00左右，也不是出現在14∶00左右的氣溫最高時，主要是由于房間建筑材料的熱容量，建筑物瞬時傳給房間內空氣的熱量值滯后于室外傳給建筑物的瞬時得熱量，有個時間差，滯后時長不僅跟氣溫和太陽能輻射量有關，而且跟建筑材料及建筑結構有關。

從圖中可以知道冷負荷最大值為3441W，根據選定的制冷量與冷負荷最大值換算系數，系統的制冷量為3785.1W。

2.2 噴射制冷數學模型與系統計算方法

噴射制冷數學模型是本文分析太陽能噴射制冷系統重要組成部分，本文采用文獻 ［5］中模型。Huang等在Keenan［6］的噴射器噴射過程 “常截面等壓混合模型”基礎上，提出了“氣動噴管”概念，假定了從噴嘴出來的工作流體向前扇出并在混合截面前與引射流體互不混合，并為引射流誘導出漸縮管，這個漸縮管起漸縮噴嘴作用，并在混合截面處將引射流體加速到聲速，并與工作流體等壓混合，并得到了實驗驗證。本文參照文獻 ［19］的熱力學模型編制程序，并分析噴射制冷系統性能。為準確計算制冷工質在噴射器工作過程中實際熱力學參數的變化，本文制冷劑參數以NIST開發的REFPROP(Version8.0)物性軟件為依據。該程序可以根據條件設定工況算出噴射制冷系統的噴射系數和COP，并與文獻huang等人實驗結果對比，發現模型計算誤差在10%以內，說明該程序可以作為進一步分析太陽能噴射制冷系統性能的子程序。

2.3 太陽能集熱器計算公式

集熱器是太陽能集熱系統重要部件，主要是通過集熱器吸熱體內的流體與太陽輻射熱進行能量交換，從而獲得有用的能量收益。集熱器的有用能量收益可表示為:)

其中η為集熱器效率，其定義為集熱器任何時段有用能量收益與同時段太陽能在集熱器上輻射量的比值。

本文將討論的太陽能集熱器有平板集熱器和真空管集熱器兩種，其性能可以用以下公式表示:

平板集熱器，

真空管集熱器，

2.4 太陽能噴射制冷系統計算模型步驟

前面已經提到太陽能噴射制冷系統性能模擬分析計算涉及空調冷負荷計算，噴射制冷系統計算和集熱器計算，太陽能保證率SF、系統熱效率STR等均是衡量太陽能噴射制冷性能的重要參數，分別可由式 (3)和 (4)計算得到。具體流程如圖4所示。

3 模擬結果分析

由于太陽能噴射制冷系統要受太陽能輻射強度、氣溫、冷負荷等因素影響，而這些因素受氣候條件影響，在一天中并不是固定不變，有時候甚至變化很大。在實際使用過程中也必然要考慮這些因素影響，因此研究太陽能噴射制冷系統性能時有必要結合氣候條件。

本文根據上海的氣候特點，在氣象數據庫中選取七月份標準日作為空調使用日，并在該標準日8∶00－17∶00時段，逐時研究分析太陽能噴射制冷系統在該地區經典日的性能運行情況。太陽能噴射制冷系統在一天中運行性能可以通過COPejc，系統熱效率、太陽能保證率等性能參數來衡量。

圖4 太陽能噴射制冷系統計算模型流程圖Fig.4 Flow diagram for the computational procedure

圖5 COPejc在一天中隨時間變化趨勢Fig.5 The COPejc changes with time in the day

圖5為采用真空管集熱器太陽能噴射制冷系統的COPejc在一天中8∶00－17∶00時段逐時變化情況，可以看出COPejc在15∶00前逐漸減少，然后增大，然后又減少?？梢越Y合氣候條件解釋這一變化，由圖2所示，在氣溫中午14∶00前呈逐漸增大趨勢，并在14∶00左右達到最大值，然后呈逐漸減少趨勢。而噴射制冷系統效率受冷凝溫度、發生溫度等影響，較發生溫度冷凝溫度影響更大，當冷凝溫度超過一定值時系統甚至不制冷［7］。本文選取冷凝器為風冷冷凝器，因此冷凝溫度與氣溫緊密相關，并且相差不大。COPejc在15∶00時前減少主要是噴射制冷系統的冷凝溫度增加較快，雖然發生溫度在某一時段會因為太陽能輻射量增大有所增高，但受氣溫影響的冷凝溫度是主導。同樣原因，隨后的COPejc會因為氣溫下降而又增大，但之后太陽能輻射量急劇減少并成為影響噴射制冷系統性能的主導因素，因此其后COPejc隨之減少。以上是上海地區COPejc一天中隨時間變化趨勢，具有一定代表性。但由于各地氣候會差異較大，因此COPejc在各地隨時間變化趨勢并不完全一樣。

圖6為兩種不同類型集熱器的太陽能噴射制冷系統熱效率在一天中隨時間變化趨勢。從式 (5)可知STR為η與COPejc之積。因此也可以說STR是集熱器效率和噴射系統效率的復疊。數據計算表明真空管集熱器在各計算點的數值為0.517到0.709平穩變化，因此可以對比圖5與6發現，采用真空管集熱器的太陽能噴射制冷系統其熱效率隨時間變化趨勢與COPejc類似。而采用平板集熱器的系統，由于在太陽能輻射值較低時，其效率急劇下降，因此其STR在16時急劇下降。

圖6 系統熱效率在一天中隨時間變化趨勢Fig.6 The STR change with time in the day

太陽能保證率可以說明太陽能噴射制冷在其使用時，太陽能在其所消耗總能量所占的比例。如果太陽能保證率太小，則太陽能噴射制冷在經濟性角度并不具有競爭優勢，因此當系統需要大量輔熱時并不介意安裝效率低的集熱器。然而，當有大量廉價的熱可以獲得時，可以考慮使用效率低的集熱器，比如工廠廢熱?？紤]到圖7為上海地區一空調居室，分別采用面積為25m2真空管和平板集熱器時，太陽能噴射制冷系統的太陽能保證率隨時間變化趨勢，兩種型式的系統其太陽能保證率隨時間變化趨勢類似，均是先增大后減少，并都在10時達到最大。大部分時間里采用真空管集熱器的系統性能優于采用平板集熱器的系統性能，說明采真空管集熱器的系統性能更優，但真空管集熱器價格比平板貴，使用時要考慮經濟性因素。

圖7 太陽能保證率在一天中隨時間變化情況Fig.7 The solar fraction change with time in the day

4 結論

太陽能噴射制冷系統的性能受天氣等條件影響較大，然而由于自然因素，天氣條件在一天中不斷變化，太陽能噴射系統性能必然受其影響。因此本章結合某一地區氣候等因素對太陽能噴射制冷系統逐時進行分析，以分析一天中太陽能噴射制冷系統受天氣影響的變化情況，為其應用及性能優化提供參考。

符號表:

A—面積，m2

COP—性能系數

Cp—體積比熱容，kJ/(kg·K)

G—太陽能輻射強度，W/m2

h—比焓，kJ/kg

Q—熱量，kJ

SF—太陽能保證率，%

STR—系統熱效率

T—溫度，℃

η—太陽能集熱器效率

ω—噴射系數

下標:

a—環境

AUX—輔助熱源

c—冷凝器

e—發生器

ejc—噴射系統

g—蒸發器

i—集熱器進口

o—集熱器出口

in—進口

out—出口

p—工作流體

sc—集熱器采光板

solar—太陽能

u—集熱器

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