小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統實驗研究

王建輝　劉自強　周泉　劉偉

摘要：文章介紹了小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統，采用太陽能作為主要驅動能源、采用溴化鋰等環保材料作為工質的太陽能吸收式制冷，測試了運行工作時實驗系統的COP以及其他各種參數，實驗結果表明，該小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統具有良好的使用性能，節能效果十分顯著。

關鍵詞：太陽能；溴化鋰；吸收式制冷系統；光熱利用；制冷機制 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK51 文章編號：1009-2374（2016）03-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.007

研究發現，太陽能空調的應用極具優勢：夏季太陽能輻射越強、天氣越熱，建筑負荷越大，太陽能空調的制冷效果越好。而采用太陽能作為主要驅動能源、采用溴化鋰等環保材料作為工質的太陽能制冷技術符合節能和環保要求。因此，采用高效合理的太陽能集熱器提供熱源，將太陽能光熱利用技術與小型太陽能空調制冷機制冷結合起來，開發研制一套小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統，既可以節約能源保護環境，又可以解決農村住宅夏季空調制冷需求，有效提高農村居民的生活品質。

1 小型太陽能溴化鋰吸收式制冷工作原理

太陽能溴化鋰吸收制冷系統是利用太陽能集熱系統將水加熱，為溴化鋰吸收式制冷機的發生器提供所需的熱媒水，從而使吸收式制冷機正常運行，達到制冷的目的。該系統主要由太陽能集熱系統、小型溴化鋰機組、蓄熱水箱、冷卻塔、用戶風機盤管、水泵、控制系統等部件組成。小型溴化鋰機組是利用溶液濃度的變化來獲取冷量的裝置，工作介質中溴化鋰為吸收劑，水為制冷劑，二者組成工質對。太陽能溴化鋰吸收式制冷系統可以實現夏季制冷、全年提供生活熱水等多項功能。系統的制冷工作原理為：利用太陽能集熱器將太陽能轉化為熱能把蓄熱水箱里的水加熱，為溴化鋰機組的發生器提供其所需要的熱媒水。在發生器中制冷工質對被熱媒水加熱，解吸出制冷劑蒸汽。制冷劑蒸汽在冷凝器中被冷卻凝結成液體，然后經過節流閥降壓進入蒸發器吸熱蒸發，產生制冷效應。蒸發產生的制冷劑蒸汽進入吸收器，被來自發生器的濃溶液吸收，再由溶液泵加壓送入發生器，如此循環不息地制取冷量。為提高機組的熱效率設有溶液熱交換器，為增強蒸發器的傳熱效果設有冷劑泵。

2 實驗系統

石家莊市處于太陽能資源較為豐富的地帶，年日照時數達到2563～2852小時，年累計太陽能輻照量達到5000～6700MJ/m2。實驗場地選在河北省石家莊市元氏縣的一戶農村新民居建筑，該建筑為新建居民住宅，建筑面積150m2，外墻為370mm黏土空心磚，外墻面采用60mm厚聚苯保溫。供暖末端采用低溫熱水地板輻射采暖系統，供冷末端為風機盤管。節能建筑采暖設計熱負荷為50W/m2，冷負荷為70W/m2。我們制作的小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統由太陽能集熱系統、溴化鋰吸收式制冷機、蓄熱水箱、生活熱水箱、循環泵、冷卻塔、風機盤管和自動控制系統等部分組成，其系統簡圖如圖1所示，為150m2住宅提供夏季制冷和生活用熱水。

太陽能集熱系統由16組800根Φ58×1800真空集熱管組成，集熱系統集熱面積為75m2。

小型溴化鋰吸收式制冷機組由山東創爾沃熱泵技術股份有限公司定制，其具體參數為：機組制冷量7kW，冷水進出口溫度14℃～19℃，蒸發溫度12℃，蒸發壓力1400Pa，吸收壓力1350Pa，吸收器出口稀溶液溫度40℃，濃度54%；冷凝壓力8250Pa，冷凝溫度42℃；發生器出口溶液溫度76℃，濃度56%，稀溶液回溫度68℃，濃度54%；溶液熱交換器稀溶液進口溫度40℃，濃度54%，稀溶液出口溫度68℃；交換器濃溶液進口溫度76℃，濃度56%，出口濃液溫度49℃；發生器負荷9kW，冷凝器負荷7.5kW，吸收器負荷8.8kW，蒸發器負荷7kW，熱交換器負荷3.9kW。冷水泵流量1.8m3/h，冷卻水泵流量2.5m3/h，熱水泵流量2.5m3/h。利用DELPHI編程語言，制作了太陽能溴化鋰吸收式制冷系統運行數據監控采集系統軟件，軟件可以實時采集顯示太陽能制冷系統的溫度、進出口溫差、流量、電量等各項參數，同時可以進行數據的存儲、輸出。

3 實驗結果

實驗系統安裝調試完畢后，我們于2015年8月份對該系統進行了夏季空調制冷性能實驗測試。測試了系統運行時太陽能輻射值、累積太陽能輻射量、水箱溫度、房間溫度、室外環境溫度、溴化鋰制冷機進出口溫度、流量等各種參數。圖2顯示了2015年8月28日一天內太陽輻射隨時間的變化情況，當天太陽輻射良好，數據顯示圖形基本上成拋物線形狀，太陽能輻射最高可達870W/m2左右。經過計算，當天累積太陽輻射量為23.4MJ/m2。

當天太陽投射到太陽能集熱系統的全部累積太陽能輻射量為23.4×75=1755MJ。當天太陽能集熱系統的得熱量為831.6MJ，根據定義，太陽能集熱系統的平均日效率是白天一定時間范圍內太陽能集熱系統的累積得熱量與同一時間范圍內投射在集熱系統上累積太陽輻射量之比。利用上述數據，可以計算出該天太陽能集熱器的平均日效率是47.38%。圖3顯示了同一天系統中蓄熱水箱的溫度變化，可以看出隨著時間的變化，太陽能集熱系統不斷對蓄熱水箱里的水加溫，水箱里的溫度很快上升，蓄熱水箱上層水溫從上午9∶00時的50℃左右，到上午11∶55時就能達到100℃，下層水溫從上午9∶00時的30℃左右，到13∶15時達到了95℃以上，小型溴化鋰制冷機開始工作，一直連續工作到15∶40。

圖4顯示了當天小型溴化鋰制冷機工作時進出口水溫，可以看出在制冷機工作時進口水溫在16℃～18℃，經過溴化鋰制冷機的制冷，出口水溫在14℃～15℃，進出口水溫能夠保持在2℃左右的溫差，顯示出了良好的制冷效果。

圖5顯示了當天太陽能溴化鋰吸收式制冷系統在工作時的COP變化情況。根據定義，制冷系統的COP是指單位功耗所能獲得的冷量，也就是溴化鋰制冷機單位時間內輸出的冷量與制冷系統中的循環泵等部件消耗的電能之比。利用測量的溴化鋰制冷機進出口溫度、流量和系統用電量等數據，可以計算出太陽能溴化鋰吸收式制冷系統的COP。從圖5中可以看出，該系統的空調制冷系數COP達到了1.8以上，最高可以達到1.9，系統平均COP為1.85。

圖6為當天室內外溫度，從圖中可以看出在室外環境溫度達到30℃的情況下，當溴化鋰制冷機開始工作后，室內溫度由25℃降到了20℃左右，達到了空調制冷的效果。

4 結語

實驗結果證明，采用太陽能真空管集熱系統與溴化鋰吸收式制冷機相結合的太陽能空調技術方案是成功的，小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統顯示了良好的制冷效果，它為太陽能熱利用技術開辟了新的應用領域。

小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統有著顯著的優點：（1）夏季太陽能輻射越強、天氣越熱，建筑負荷越大，太陽能溴化鋰吸收式制冷系統的制冷效果越好；（2）系統采用太陽能作為主要驅動能源、采用溴化鋰等環保材料作為工質，符合節能和環保要求；（3）太陽能溴化鋰吸收式制冷系統可以將夏季制冷、冬季采暖和提供熱水結合起來，顯著地提高了太陽能系統的利用率和經濟性。但是，太陽能溴化鋰吸收式制冷系統在推廣應用過程中也存在著一些問題：（1）該系統的初期投資比較大，只適用于有限的富裕用戶，還很難在廣大農村地區推廣應用；（2）由于存在著太陽能的不連續性以及自然條件下太陽能輻射密度不高，小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統要做到連續運行，必須增加燃氣或天然氣等輔助熱源，勢必提高了系統的投資，降低了系統制冷性能系數（COP）。總之，小型太陽能溴化鋰吸收式制冷系統在有效降低成本，提高系統集熱效率的條件下，具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻

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作者簡介：王建輝（1977-），男，河北省科學院能源研究所工程師。

（責任編輯：周 瓊）