新型太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統設計探討

陳小雁

(蘇州建設交通高等職業技術學校,江蘇蘇州215104)

0 引 言

能源與環境是人類生存和發展的基礎,在人們越來越關注生活質量和舒適性的同時,能源和環境保護的警鐘頻頻響起。近年來由于空調的大量使用,加劇了能源供應緊張和環境污染等問題。

從20世紀70年代后期開始,太陽能熱利用技術迅速發展,太陽能空調技術也隨之出現。太陽能空調技術對于節省常規能源,減少環境污染,提高人們生活水平有著很重要的意義,也符合可持續發展戰略的要求。

1 太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統設計

目前常見的太陽能利用方式是利用太陽能熱水器生產生活熱水,對于其經濟性,市場已經作了很好地說明。但是發展太陽能空調的最大障礙是初始投資較大。如果僅建設單一功能的太陽能空調,則由于其初始投資比現有電壓縮式空調以及燃油和燃氣型溴化鋰吸收式制冷空調方式昂貴得多,因而必然難以引起用戶的興趣。其實,分析太陽能空調設備費用構成,太陽能集熱器大約占三分之二,所以只要充分發揮太陽能集熱器的作用,就可能獲得良好的經濟效益。因為太陽能熱水器本身的經濟性已被市場證明。按照上述思路:本文以熱水需求量來確定空調負荷供應量的建設太陽能空調和熱水站綜合系統方案的設計理念,提出瞄準城鎮建筑物頂建立常年生活熱水和夏季空調冷水綜合應用的太陽能利用系統。

1.1 太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統

圖1顯示了一種以城鎮建筑物為單元同步建設太陽能熱水站和太陽能空調系統的方案的系統流程。其具體做法是:以聚光型太陽能蒸汽發生器來生產熱媒,在夏天空調季節日照正常時按雙效蒸汽型循環驅動溴化鋰吸收式制冷機運行,在非日照時段當熱源溫度低于140℃時按單效循環運行的方案。

該系統主要部件有:聚光型太陽能蒸汽發生器、蓄熱水箱、雙效蒸汽型單效熱水型板殼式溴化鋰吸收式制冷機、冷卻塔、生活熱水箱、集熱器循環泵、熱水泵、冷卻水泵等。

1.2 太陽能制冷及生活熱水系統流程

溴化鋰吸收式制冷機所需熱源有蒸汽和熱水,兩路熱源一般情況是分別切換使用,但也不排除可以同時使用,特別是在蒸汽參數偏低,制冷功率未達到要求時。整個系統由蒸汽回路、熱水回路、冷卻水回路以及生活熱水回路組成。蒸汽回路:由聚光型太陽能集熱器、汽水分離罐和連接管線組成。分離罐下部供水聯管與聚光型太陽能集熱器各吸收管一端連接,吸收管內液位由汽水分離罐內液位確定,吸熱后蒸發出的蒸汽經蒸汽聯管返回汽水分離器,形成自然循環;當有制冷需要且蒸汽壓力達到0.25MPa(表)時,打開V2閥給溴化鋰吸收式制冷機供應蒸汽,制冷機按雙效循環運行;當蒸汽壓力升至0.6MPa(表)時開啟V1使部分蒸汽進入蓄能罐,并維持V1閥前壓力不變。水泵P1根據汽水分離罐內液位進行補水。

圖1 太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統圖

熱水回路:由蓄熱水箱和連接管線組成。當有制冷需要且蒸汽壓力低于0.25MPa(表),而蓄熱水箱內熱水溫度在139℃85℃之間時,制冷機熱源切換為熱水,按單效循環運行,啟動熱水泵P2并打開V3閥。蓄熱水箱內設置折流隔板以加大溫度差,因熱水溫度是上高下低,所以在上部吸水而回水從底部返回。由于雙效與單效循環兩者所覆蓋的熱源溫度范圍較寬,日照時段可按雙效循環運行,并對蓄熱水箱內熱水加熱;非日照時段的運行可在熱源參數降低時切換至單效循環運行,蓄能密度達到冰蓄冷的水平。且循環的性能系數較高。

冷卻水回路:冷卻水泵P3從冷卻塔水箱吸水,冷卻制冷機的吸收器和冷凝器后,出口溫水經三通閥V5送往生活熱水箱或冷卻塔。

生活熱水回路:空調季節生活熱水箱的補水來自制冷機出口的冷卻水,此時生活熱水箱的補水浮球閥上游的閥V6應關閉,以盡量利用制冷機冷卻水的能量,當來自制冷機的冷卻水溫度偏低時,在生活熱水箱內用來自蓄熱水箱的熱水加熱,從熱水泵P2后面引水,經閥V4通過生活熱水箱內的間壁式換熱器 (盤管)加熱后流回蓄熱水箱。由比較溫度傳感器的測量值和溫度的設定值控制V4,調節加熱水的流量。在非空調季節,可將V6打開,直接用自來水補水,熱源則仍然用蓄熱水箱的熱水,這樣可以同時利用蓄熱水箱和生活熱水箱2個水箱來蓄取太陽能,特別是蓄熱水箱可貯存的熱水溫度較高 (可達160℃),單位容積的蓄能量較大。上述方法的另一個優點是蒸汽和熱水回路與生活熱水隔開,前者用軟化水,后者用自來水。

2 雙效蒸汽型/單效熱水型兩用溴化鋰吸收式制冷機

雙效/單效兩用溴化鋰吸收式制冷機跟普通的雙效溴化鋰制冷機相比,多了一個熱水低壓發生器(如圖2所示)。V1用于雙效與單效的切換,當雙效運行時開啟V1,單效運行時關閉V1;V2用于雙效運行時調整去高壓發生器和低壓發生器的稀溶液流量。因兩個目的容器 (高壓發生器和低壓發生器)內壓力不同,需要在壓差較大的低壓管線上設置閥門來節流調節分配流量。

2.1 雙效蒸汽型和單效熱水型兩用溴化鋰吸收式制冷機系統

為了高效率和蓄能,需要采用雙效和單效耦合運行的溴化鋰吸收式制冷機,雙效制冷循環所需熱媒溫度為160℃左右,需要采用聚光型太陽能集熱器。長期以來,聚光型太陽能集熱器都被認為是成本較高的方式,結果是束之高閣,其實這需要綜合分析其用途再作結論。如果只是為了生產生活熱水固然是不適合;而如果是用于效率更高的雙效循環吸收式空調制冷則有可能是合理的。聚光型太陽能集熱器可以生產160～180℃左右的蒸汽或熱水用于驅動雙效循環溴化鋰機組運行,其制冷性能系數COP可達1.2左右,效率高出單效循環的0.7倍和兩級循環的2倍,因而所需集熱器面積也就可以相應減少,其經濟效益也就可能實現。雙效蒸汽型和單效熱水型兩用板殼式溴化鋰吸收式制冷機系統原理圖如圖2所示。

2.2 雙效蒸汽型與單效熱水型溴化鋰吸收式制冷機

參考圖1太陽能制冷空調與生活熱水綜合系統圖,當聚光型太陽集熱器發生的蒸汽壓力達到0.25MPa(表)且有制冷需求時,打開V2閥給溴化鋰吸收式制冷機供應蒸汽,制冷機按雙效運行,在高壓發生器中,稀溶液被熱源蒸汽加熱。在較高的發生壓力pr下產生冷劑蒸汽,因該蒸汽具有較高的飽和溫度,又被通入低壓發生器作為熱源,加熱低壓發生器中的溶液,使之在冷凝壓力pk下產生冷劑蒸汽。此時,低壓發生器則相當于高壓發生器在pr壓力下的冷凝器。由此可見,驅動熱源的能量在高壓發生器和低壓發生器中得到了兩次利用,所以稱為雙效循環。顯然,與單效循環相比,產生同等制冷量所需的驅動熱源加熱量減少,即雙效機組的效率比單效機組高近一倍。

在制冷劑回路中,高壓發生器中產生的冷劑蒸汽,在低壓發生器中加熱溶液后,凝結成冷劑水,經節流減壓后進入冷凝器,與低壓發生器中產生的冷劑蒸汽一起被冷凝器管內的冷卻水凝結成冷劑水。顯然,與單效循環相比,雙效循環還減少了冷凝器的冷卻負荷。

冷凝器中的冷劑水經U形管節流后進入蒸發器,噴淋在蒸發器傳熱面上吸取管內冷水的熱量,在蒸發壓力p0下蒸發,使冷水溫度降低,達到制冷的目的。蒸發器中產生的冷劑蒸汽流入吸收器,完成了雙效制冷循環的制冷劑回路。

如圖2所示,溶液回路按并聯流程工作,自高壓發生器和低壓發生器流出的濃溶液,分別進入高溫溶液熱交換器/凝水熱交換器和低溫溶液熱交換器,在其中加熱進入高壓發生器和低壓發生器的稀溶液,溫度降低后直接噴淋在吸收器傳熱面上,吸收來自蒸發器的冷劑蒸汽。從而維持蒸發器中較低的蒸發壓力,使制冷過程得以連續進行。在管內冷卻水的冷卻下,濃溶液吸收水蒸汽后溫度、質量分數降低為稀溶液。流出吸收器的稀溶液由溶液泵升壓,按并聯流程分成兩路,一路經高溫溶液熱交換器/凝水熱交換器送往高壓發生器。另一路經低溫溶液熱交換器送往低壓發生器。這樣,便完成了雙效循環的溶液回路。

當聚光型太陽集熱器發生的蒸汽壓力低于0.25MPa(表),蓄能罐溫度低于139℃時,制冷機按單效運行,關閉V1閥,從吸收器流出的稀溶液經低溫溶液熱交換器后直接噴淋在熱水低壓發生器傳熱面上,制冷機熱源由蓄能罐熱水提供。當蒸汽發生量較少時,單獨運行雙效循環的制冷量達不到需求時,也可同時投入熱水驅動的單效制冷循環,故將熱水低壓發生器和蒸汽低壓發生器布置在裝置的一側,之間不設置隔板,這樣,吸收器中的稀溶液經過低溫溶液熱交換器加熱后就可同時噴淋在這兩個低壓發生器上,以實現雙效/單效分別運行或同時運行。

圖2 雙效/單效兩用溴化鋰吸收式制冷機流程

2.3 國內企業溴化鋰吸收式制冷機組生產狀況

目前國內空調企業生產銷售的溴化鋰吸收式冷水機組系列產品容量較大,型號最小的制冷量為230kW左右,顯然不適宜用于小型建筑的太陽能空調系統的制冷設備。

容量適宜的小型溴化鋰吸收式冷水機組產品是使太陽能空調系統付諸實施的必要條件。因此對小型溴化鋰吸收式冷水機組進行熱工和傳熱計算是確定所討論的系統方案是否可行的重要工作,在以后的工作中需要進一步開展太陽能吸收式制冷機的實驗研究工作,驗證其性能及長期制冷效果。

3 結語

該系統中太陽能集熱器的集中統一布置突破了低層住戶難以使用太陽能熱水的發展瓶頸,同時也與城市建筑保持協調一致。此方案既滿足了包括底層住戶在內的所有住戶使用經濟實惠的太陽能熱水的愿望,又節省了部分太陽能制冷空調住戶用于空調的費用。由于集熱器的投資費用被所有熱水用戶分攤,太陽能制冷空調綜合所增加的投資僅僅是制冷機和室內風機盤管等,而這部分的投資很快可以在所節省的空調電費中回收。太陽能熱水站與太陽能制冷空調綜合系統可以充分發揮太陽能系統節能的優點,并體現了吸收式制冷的環保效應,只要對系統的可行性研究足夠充分,此方案定會具有良好的發展前景。

[1]黃志成,鄭振宏等.太陽能空調與熱水綜合系統[J].制冷,1988,(3):7-12

[2]李戩洪,馬偉斌,江晴等.100kW太陽能制冷空調系統[J].太陽能學報,1999,20(3):239-246

[3]何梓年,朱寧,劉芳等.太陽能吸收式空調及供熱系統的設計和性能[J].太陽能學報,2001,22(1):6-14

[4]李麗春,楊華東.太陽能空調的研究與發展 [J].內蒙古科技與經濟,2009,(9):13-15

[5]陳亞平,王克勇,施明恒.太陽能1.x級溴化鋰吸收式制冷循環性能分析[J].東南大學學報(自然科學版),2005,35(1):90-95