高温太阳能空调系统的性能研究

汤金华

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

高温太阳能空调系统的性能研究

汤金华

（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031）

主要分析了以线聚焦集热器和双效制冷机组为主要部件的高温太阳能吸收式空调系统的性能。该系统主要针对一个小房间而设计,采用典型气象年的气象参数对系统进行整个制冷季节的逐时模拟计算。计算结果表明高温太阳能吸收式空调系统具有良好的运行性能。线聚焦集热器能生产高达120～160℃的热水,双效吸收式制冷机组在该高温热水的驱动下,其能效比(COP)可达1.2～1.4,系统能效比在整个制冷季节可能达到0.426。同时还分析了不同因素对该高温度太阳能空调系统性能的影响,比如气象参数、水箱容积、集热器面积等。

高温太阳能空调系统；运行性能；模拟分析

随着社会的发展,能源短缺和环境问题已成为世界经济可持续发展的瓶颈。太阳能是清洁的可再生能源,如何更好地利用太阳能是缓解能源紧张和减少环境污染问题的重要途径。高温太阳能空调作为太阳利用方式之一,越来越受学术界和工程界的普遍关注。目前,大多数太阳能空调系统主要采用真空管集热器和单效制冷机组(或者吸附式制冷机组)。真空管集热器出口温度一般比较低,大约70～90℃；单效吸收式制冷机组或吸附式制冷机组在该热水的驱动下,能耗比也比较低,一般只有0.4～0.7,导致系统总能耗比(制冷量和集热器的集热量之比)偏低,只有0.2～0.25[1-2]。而高温太阳能空调系统采用的主要部件为线聚焦集热器和双效制冷机组。制冷机组靠线聚焦集热器生产的高温热水驱动,驱动热水温度可高达120～160℃。由于驱动热水温度高,极大地改善了制冷机组的运行性能,使得制冷机组的能效比提高至1.2～1.4,从而使整个系统的能耗比提高至0.4～0.5。本文拟针对一个小房间进行太阳能空调系统设计,采用典型气象年的气象参数[3]对系统进行制冷季节的逐时模拟计算,同时分析不同因素对该高温太阳能空调系统性能的影响。

1 系统介绍

1.1 制冷负荷

本文设计的太阳能系统主要是对一个小房间提供冷量。假定房间的面积为120 m2，南面有两扇窗，窗户总面积6 m2，房间内有5个人居住，电灯、电脑等家用电器向房间内的散热量为2 000 kJ/h。室内空调设计温度为26℃，在夏天需全天供冷。

1.2 系统的主要部件

高温太阳能吸收式空调系统原理见图1，主要包含如下部件：

图1 高温太阳能空调系统原理

1)集热器：为了获得高温热水，本系统采用线聚焦型集热器，聚焦比为25，总集热面积为50 m2,朝向正南，并绕固定轴转动，集热器效率按下列公式[3]计算：

式中:QU为有效吸热量，IT为太阳能辐射强度;AC为集热器面积；a、b为相应的系数，在这里系数a为0.7，b为4.17 W/(m2·℃)，Ti为集热器入口温度；Ta为环境温度；IbT为投射到集热器上的太阳能直射辐射；C为聚焦比。

2)制冷机组：本系统采用双效制冷机组，最大制冷量12 kW，本案例最大制冷负荷不超过10 kW。

3)蓄热水箱：在模拟计算的基本案例中，水箱容积为2.0 m3。

4)辅助加热器：当太阳能不够，集热器出口温度低于120℃的时候，可以启动辅助加热器将热水加热到120℃，辅助加热器的功率为10 kW。

2 基本案例的模拟分析

为了便于更好地分析高温太阳能空调系统的性能，先以一个基本案例作为基本情况进行逐时模拟分析，系统主要部件参数上文已给出，采用的典型气象年的逐时数据，地点为上海，该数据来源于中国建筑环境分析专用气象数据集[4-5]。

通过模拟分析，可知集热器效率为37.5%，系统能效比高达0.426。之所以能有这么高的系统能效比，是因为双效制冷机组受集热器出来的高温热水的驱动，使得制冷机有很高的能效比，运行正常时可达1.2～1.4。

蓄热水箱和集热器出口温度、集热器有效得热量、集热效率等是保证系统正常运行的重要条件，因此下面还选取了制冷季节典型的一天，通过对系统的逐时模拟计算分析，可知蓄热水箱和集热器出口温度、集热器有效得热量、集热效率在一天中的变化情况。

2.1 蓄热水箱和集热器出口温度

如图2可知,水箱出口温度变化范围在110～150℃之间。集热器出口温度在1：00～7：00之间和18：00～24：00这两个时间段比较低，这是因为这两个时间段太阳辐射很少，并且还不停向环境散热。

图2 水箱和集热器出口温度

2.2 集热器有效得热量

图3为集热器逐时有效得热量,从图上可知中间时段得热量比较高，早上和晚上得热量少。

图3 集热器逐时有效得热量

2.3 集热器效率

集热器逐时效率如图4所示。

图4 集热器逐时效率

从图上可以看出，线聚焦型集热器效率在7：00～18：00这个时段为50%～60%，中午可达到60%，比制冷季节平均效率37.5%高很多。由于制冷机组的能效比在1.2～1.4范围内，因此在7：00～18：00时段系统的能效比可达0.6～0.8，远比常规太阳能空调系统的能效比0.2～0.25高很多。

3 分析和讨论

在相同条件下，改变气象参数、蓄热水箱体积、集热器面积等参数，同样通过逐时模拟计算研究这些参数对系统的影响。

3.1 气象条件的影响

其他条件不变,将上海的气象参数分别改成广州和北京,计算结果如图5。

图5 不同气象参数的影响

由图5可知，太阳能保证率北京最高，上海其次，广州最小。这3个城市都是夏季炎热的地区，冷负荷相差不大。但是之所以北京的太阳能保证率最高,是因为北京的太阳能辐射热最大。系统能效比(COP)与太阳能保证率趋势一样,北京最高,上海其次,广州最低。

3.2 集热器面积的影响

其他条件不变，改变集热器的面积：基本案例集热器面积为50 m2，分别改为55 m2、60 m2、65 m2、70 m2、75 m2、80 m2、85 m2，计算结果如图6。

图6 不同集热器面积的影响

从图6可以看出，系统能效比（COP）随着集热器的面积增大而提高；太阳能保证率也是随着集热器面积的增大而提高，但当集热器面积超过80 m2时，提高的幅度不明显。

3.3 水箱容积的影响

其他条件不变，改变水箱容积：本案列中水箱容积为2.0 m3，分别改为0.6 m3、1.0 m3、1.4 m3、1.8 m3、2.4 m3，计算结果如图7。

图7 不同水箱容积的影响

从图上可以看出水箱容积大小对系统能效比(COP)影响不是很大。因为大容积水箱虽然可以提高集热器的效率，但是制冷机能效比会因此而降低。当水箱容积超过1.4 m3，太阳能保证率提高得很少，因此在本案例中水箱容积为1.4 m3比较合适。

4 结论

1）采用线聚焦型集热器和双效吸收式制冷机组的高温太阳能空调系统具有很好的运行性能。线聚焦集热器能生产高达120～160℃的热水,双效吸收式制冷机组在该高温热水的驱动下，其能效比(COP)可达1.2～1.4,系统能效比在整个制冷季节可能达到0.4～0.5。

2)该系统运行性能受不同地区气象条件的影响很大,通过模拟分析可知在北京运行性能最好,其次是上海,广州最差。

3)集热器面积越大,太阳能保证率越高。在本案例中,当集热器面积超过80 m2时,太阳能保证率提高的幅度很小。

4)系统能效比和太阳能保证率随水箱容积的变化不是很明显,建议高温太阳能空调系统中蓄热水箱容积比常规家用太阳能热水系统蓄热水箱要设置得小一些。

[1] Henning,Hans-Martin.Solar-assisted Air-Conditioning in Buildings[M].NewYork:Springer Wien New York,2003.

[2] 王如竹.太阳能制冷[M].北京:化学工业出版社,2007:166-168.

[3] Duffe John A,Beckman William A.Solar Engineering of Thermal Processes[M].2nd ed.New York:Wiley,1991.

[4] 中国气象局,清华大学.中国建筑热环境专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[5] 罗振涛,霍志臣.太阳能热利用产业2006发展报告[J].建筑节能,2007(8):53-55.

Performance Research on Solar High-temperature Air-conditioning System

TANG Jinhua
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

This papar mainly analyzes,the performance of solar higher-temperature absorption air conditioning systems which employed linear concentrating collectors and double-effect absorption chillers.This solar higher-temperature absorption air conditioning system was designed for a small house.Hourly simulations during a cooling season have been conducted by using meteorological parameter from typical meteorological year(TMY).Simulation results show that the solar air conditioning system have excellent thermal performance.The linear concentrating collectors can produce hot water of temperature as high as 120-160oC and its COP of the double-effect absorption chillers can reach 1.2-1.4.The system COP during a cooling season can reach 0.426. Meanwhile,the effects of some factors such as climates,volumes of storage tank,area of collectors on the performance of this solar air conditioning system are also analyzed.

solar high-temperature air-conditioning system;operating performance,simulation analysis

TU831.7+4

B

1004-4345(2015)01-0041-03

2014-07-15

汤金华（1983—），男，工程师，主要从事热能动力及暖通专业相关工程设计工作。