太陽能熱驅(qū)動的吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)性能測試

彭佳杰， 潘權(quán)穩(wěn)， 葛天舒， 王如竹

(上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所， 上海 200240)

傳統(tǒng)化石燃料的大量消耗及其導(dǎo)致的環(huán)境污染成為人們高度關(guān)注的問題[1]，太陽能具有分布廣泛[2]、清潔環(huán)保[3]和可利用總量大等優(yōu)點，在社會的能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用.其中，太陽能制冷是太陽能利用的重要方面，具有季節(jié)匹配性強[2]、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢[4-6].制冷方式一般分為吸收式和吸附式.吸收式一般以溴化鋰吸收式制冷為主[7]，所需的熱源溫度通常在85 ℃以上，對太陽能集熱器的要求較高，且有效運行時間短[8].與吸收式相比，吸附式不存在蒸餾(氨-水)、腐蝕或結(jié)晶(溴化鋰-水)等問題[9]，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低等優(yōu)點[10].吸附式一般以硅膠-水吸附式制冷為主，所需的驅(qū)動熱源溫度通常為55～90 ℃[11]，能很好地匹配目前常用的太陽能平板和真空集熱器的制熱溫區(qū)[12].

目前，太陽能熱驅(qū)動的硅膠-水吸附式制冷系統(tǒng)均只輸出冷量，僅滿足建筑空調(diào)使用.上海交通大學(xué)研制了硅膠-水吸附式制冷機[13]，并成功應(yīng)用于太陽能空調(diào)系統(tǒng)[14].此外，大量學(xué)者致力于提升系統(tǒng)整體性能的研究，Sinha等[15]采用多壁碳納米管/石墨烯納米流體作為換熱流體以提高傳熱性能；Pan等[16]通過研究變循環(huán)時間的運行策略，實現(xiàn)了變熱源條件下的最優(yōu)運行；Jaiswal等研究了循環(huán)時間和集熱面積[17]以及不同氣候條件[18]對系統(tǒng)性能的影響；Sah等[19]總結(jié)了影響系統(tǒng)性能的多種因素；Deshmukh等[20]針對吸附床結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能進行了改善.

太陽能熱驅(qū)動的吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在蒸發(fā)器側(cè)輸出冷量的同時，可以在吸附床和冷凝器側(cè)分別利用吸附熱和冷凝熱實現(xiàn)熱量輸出，可減少因熱量耗散帶來的能量消耗，增大熱量輸出并減少熱量的品位損失.本文對太陽能熱驅(qū)動的硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)進行實驗研究，探討其運行性能及性能影響因素.

1 實驗系統(tǒng)

1.1 吸附式制冷機在住宅冷熱聯(lián)供中的應(yīng)用

用于住宅冷熱聯(lián)供的吸附系統(tǒng)如圖1所示，屋頂為太陽能集熱器，用于收集太陽能熱，加熱水箱中的水.本文研究的冷風(fēng)機組是該系統(tǒng)的核心：高溫?zé)嵩创偈怪评鋭┱舭l(fā)，為室內(nèi)空調(diào)提供冷量；冷卻水通過吸收吸附熱和冷凝潛熱提升自身溫度，為日常生活提供熱需求.冷風(fēng)機組利用熱管原理實現(xiàn)機組的緊湊化，與冷水機組相比，可以更為高效地利用太陽能[21].

圖1 用于住宅的吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of an adsorption cooling and hea-ting cogeneration system for residential buildings

1.2 機組結(jié)構(gòu)

硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的外觀如圖2所示.2個吸附床、1個蒸發(fā)器和1個冷凝器都安裝在殼體內(nèi)部，閥門等部件安裝在殼體外部.抽真空口與真空泵相連，為機組內(nèi)部創(chuàng)造真空環(huán)境，可以防止空氣中不凝結(jié)氣體對實驗結(jié)果的影響.機組控制柜可以對閥門進行程序控制，實現(xiàn)機組的自動連續(xù)運行，同時可以檢測外界熱水、冷卻水和冷風(fēng)的溫度情況，方便操作人員對機組的運行進行實時監(jiān)控.

圖2 吸附式冷熱聯(lián)供機組外觀圖Fig.2 Appearance of an adsorption cooling and heating cogeneration cooler

1.3 工作原理

硅膠-水吸附式冷風(fēng)機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，冷風(fēng)機共有2條水回路(驅(qū)動熱水、冷卻水回路)和1條冷風(fēng)回路.機組共有8個閥門，其中4個三通閥(V1～V4)用于不同水回路之間的切換，4個兩通閥(V5～V8)用于吸附床和蒸發(fā)器、冷凝器的連接切換.1個完整的工作循環(huán)包括2個制冷過程和2個預(yù)熱預(yù)冷過程.

圖3 吸附式冷熱聯(lián)供機組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of an adsorption cooling and heating cogeneration cooler

(1) 制冷過程1(吸附床A1解吸，吸附床A2吸附，閥門V5和V7關(guān)閉)：熱水通過V4進入A1，使A1溫度上升至發(fā)生解吸反應(yīng)，制冷劑氣體從A1中釋放出來，并通過V6進入冷凝器C遇冷冷凝.冷卻水通過V1經(jīng)C進入A2，使A2溫度降低至發(fā)生吸附反應(yīng)，冷卻水自身溫度則不斷升高.打開V8，在壓力差的作用下蒸發(fā)器E內(nèi)的制冷劑液體不斷蒸發(fā)并產(chǎn)生冷量.風(fēng)機將空氣送入機組，利用熱管帶走E的冷量實現(xiàn)降溫，排出冷風(fēng).

(2) 預(yù)熱預(yù)冷過程1(兩通閥均關(guān)閉)：驅(qū)動熱水通過V4進入A2，使A2溫度上升至解吸溫度；冷卻水通過V1經(jīng)C進入A1，使其溫度降低至吸附溫度.為下一個解吸、吸附過程做準(zhǔn)備.

(3) 制冷過程2(吸附床A1吸附，吸附床A2解吸，閥門V6和V8關(guān)閉)：閥門開閉情況與制冷過程1中的相反，此時A1處于吸附狀態(tài)，A2處于解吸狀態(tài).

(4) 預(yù)熱預(yù)冷過程2(兩通閥均關(guān)閉)：熱水通過V4進入A1，使其溫度上升至解吸溫度；冷卻水通過V1經(jīng)C進入A2，使其溫度降低至吸附溫度.為下一個解吸、吸附過程做準(zhǔn)備.

1.4 性能測試

整個機組的閥門均采用電動閥門，通過控制箱內(nèi)的可編程邏輯控制器來實現(xiàn)硅膠與水的吸附、解吸的交替控制和系統(tǒng)的連續(xù)運行.測試系統(tǒng)由1臺硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供機組、1個常壓熱水鍋爐、1臺冷卻塔、1臺熱線式風(fēng)速儀、2臺溫濕度記錄儀和2臺電磁流量計組成.整個測試系統(tǒng)共有3條回路，其中驅(qū)動熱水、冷卻水回路為封閉式回路，冷風(fēng)回路為封閉式回路(將冷風(fēng)回路與環(huán)境視為一體).測試過程中，利用電加熱的方式模擬太陽能熱加熱鍋爐中的水，將熱水作為高溫?zé)嵩?在水泵驅(qū)動作用下，驅(qū)動熱水從鍋爐流進吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，最終流回至鍋爐.冷卻水經(jīng)冷卻塔噴淋降溫后流入吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，在為吸附床降溫的同時吸收吸附熱，自身溫度不斷提高，最終流回冷卻塔.冷風(fēng)在環(huán)境與吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)之間構(gòu)成循環(huán)，其經(jīng)過熱管帶走蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量，并將冷量通過送風(fēng)機輸送到環(huán)境中.

測試系統(tǒng)的4個溫度傳感器分別安裝在驅(qū)動熱水和冷卻水的進、出口處，溫度傳感器采用A級Pt100型溫度傳感器，精度為0.15 ℃.電磁流量計安裝在泵的出口處，其中用于測量冷卻水流量的規(guī)格為ZK-LDE-25-PO-4，精度為0.5%；用于測量驅(qū)動熱水流量的規(guī)格為ICF300F，精度為-15%～10%.冷風(fēng)進出口的溫度、濕度采用TH22R-EX型溫濕度記錄儀測量，測量精度分別為 ±0.1 ℃、±1.5% 相對濕度.風(fēng)速采用AR866型熱線式風(fēng)速儀測量，精度為±3%±0.1 dgt.數(shù)據(jù)的收集采用威綸通HMI觸摸屏，編程軟件為EB8000，采集時間間隔為4 s.

2 實驗結(jié)果與誤差分析

2.1 參數(shù)計算

制冷量(φc)的計算采用空氣焓差法原理[22]，性能系數(shù)(COP)的計算分為制冷性能系數(shù)(COPC)[23]和綜合性能系數(shù)(COPT)：

(5)

式中：φh和φco分別為消耗的驅(qū)動熱水能量和冷卻水獲得的能量；qm_air為空氣進口處的質(zhì)量流量；Hin和Hout分別為干空氣進、出口處的焓值；din和dout分別為空氣進、出口處的含濕量；ΔH為水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的汽化潛熱；i為數(shù)據(jù)采集儀的掃描編號；n為若干個循環(huán)周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集的總次數(shù)；ch和qm_h分別為驅(qū)動熱水的比熱容和質(zhì)量流量；Thw_in和Thw_out分別為驅(qū)動熱水的進、出口溫度；cco和qm_co分別為冷卻水的比熱容和質(zhì)量流量；Tcw_in和Tcw_out分別為冷卻水的進、出口溫度.

2.2 溫度變化曲線

硅膠-水吸附式冷風(fēng)機在運行期間各換熱流體進出口狀態(tài)隨時間(t)的變化如圖4和5所示，圖5中：RHcha_in和RHcha_out分別為冷風(fēng)進、出口處的相對濕度；Tcha_in和Tcha_out分別為冷風(fēng)進、出口處的溫度.

圖4 驅(qū)動熱水和冷卻水進出口狀態(tài)變化Fig.4 Variation of driving hot water and cooling water inlet and outlet

圖5 冷風(fēng)進出口狀態(tài)變化Fig.5 Variation of cold air inlet and outlet

圖中不同換熱流體的進出口溫度隨時間的變化具有較為一致的周期性規(guī)律，這些周期性變化體現(xiàn)了吸附式冷風(fēng)機的運行特性及對外界冷熱源產(chǎn)生的影響.

(1) 運行特性.在1個制冷過程開始時，驅(qū)動熱水出口溫度在短時間內(nèi)明顯下降，當(dāng)降至45 ℃左右時，溫度出現(xiàn)反彈，不斷縮小與熱水進口溫度的溫差.這是由于在初始階段解吸床的溫度比較低，會不斷帶走熱水的熱量；隨著制冷過程的不斷深入，解吸反應(yīng)逐漸減弱，所需的熱量減少，導(dǎo)致熱水進出口溫差縮小.冷卻水的溫度曲線有類似的變化規(guī)律：在1個制冷過程開始時，冷卻水的溫度快速上升，升高至70 ℃附近出現(xiàn)回落，最后冷卻水的溫度與進口溫度的溫差不斷縮小.這是因為隨著制冷過程的進行，吸附反應(yīng)逐漸減弱，所需的熱量不斷減少，導(dǎo)致冷卻水進出口的溫差縮小.

(2) 系統(tǒng)運行對外界冷熱源的影響.在1個循環(huán)周期內(nèi)，驅(qū)動熱水的進口溫度變化較大：在制冷過程前期，熱水進口溫度較為平穩(wěn)，約為85 ℃；當(dāng)制冷過程即將結(jié)束時，熱水進口溫度降至約60 ℃，然后迅速回升至約85 ℃.這是因為鍋爐本身的熱容可維持前期熱水進口溫度的平穩(wěn)；然后，驅(qū)動熱水隨閥門切換進入另一個吸附床，此時耗熱量巨大，驅(qū)動熱水進口溫度明顯下降；最后，熱水逐漸帶走吸附床的熱量，進口溫度迅速恢復(fù)至約85 ℃.冷卻水和冷風(fēng)的進口溫度幾乎保持不變，前者得益于冷卻塔的高精度控制，后者得益于外部環(huán)境的溫度變化小.冷風(fēng)出口處的相對濕度波動范圍較小，而冷風(fēng)進口處的相對濕度在較小時間范圍內(nèi)有一定的波動，可能原因為實驗測試季節(jié)為夏季，測試環(huán)境為車間內(nèi)部，環(huán)境空氣的相對濕度不夠穩(wěn)定，車間內(nèi)的人員活動也會導(dǎo)致冷風(fēng)進口處相對濕度的變化.整體而言，冷風(fēng)進、出口相對濕度的波動范圍分別在5.5%、3.1%以內(nèi).

經(jīng)過計算，在驅(qū)動熱水、冷卻水的進口平均溫度為85.1 ℃、29.9 ℃，冷風(fēng)進口平均溫度為29.5 ℃的情況下，制冷機可以產(chǎn)生22.4 ℃的冷風(fēng)，符合我國室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的夏季空調(diào)的溫度要求(22～28 ℃)[24].同時，冷卻水出口平均溫度高達40.1 ℃，可滿足生活用水的需求.

2.3 換熱流體溫度的影響

硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在不同驅(qū)動熱水進口溫度工況下的實驗結(jié)果如圖6所示.在冷卻水溫度基本相同的情況下，隨著驅(qū)動熱水進口溫度的升高(從62.1 ℃升至85.1 ℃)，系統(tǒng)的φc從0.95 kW增至2.53 kW，增幅166%；COPC從0.24增至0.40，增幅67%；COPT從1.48增至1.86，增幅26%.當(dāng)溫度從75 ℃升至80 ℃時，系統(tǒng)的φc、COPC和COPT均有較大的增加，這表明熱水進口溫度達到80 ℃時基本能夠完全釋放硅膠-水工質(zhì)對的制冷能力.此后繼續(xù)升高溫度，系統(tǒng)的COPC和COPT變化不大，且維持在一個較大值，這表明保持熱水進口溫度80℃以上可以使機組獲得較好的運行效果.

圖6 系統(tǒng)性能隨熱水進口溫度的變化Fig.6 System performance versus different hot water inlet temperatures

硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在不同冷卻水進口溫度工況下的實驗結(jié)果如圖7所示.在熱水進口溫度基本相同的情況下，隨著冷卻水進口溫度的升高(從28.4 ℃升至31.9 ℃)，系統(tǒng)的φc從2.76 kW降至1.64 kW，降幅68%；COPC從0.46降至0.33，降幅39%；COPT從1.91降至1.78，降幅7%.整體而言，性能曲線隨著冷卻水進口溫度的變化呈近似線性的下降趨勢，這是因為隨著冷卻水溫度的降低，硅膠的吸附能力提升，可以吸附更多的制冷劑氣體，從而運行效果更佳.

圖7 系統(tǒng)性能隨冷卻水進口溫度的變化Fig.7 System performance versus different cooling water inlet temperatures

硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在不同冷風(fēng)出口溫度工況下的實驗結(jié)果如圖8所示.隨著冷風(fēng)出口溫度的降低(從27.9 ℃降至22.6 ℃)，系統(tǒng)性能下降.φc從2.57 kW降至1.37 kW，降幅47%.COPC從0.43降至0.22，降幅49%；而COPT的變化很小，從2.04降至1.94，降幅5%.當(dāng)冷風(fēng)出口溫度高于25 ℃時，COPT增速減緩，這是因為只有當(dāng)環(huán)境溫度降低時，機組的運行效果才會有明顯的下降趨勢；而當(dāng)環(huán)境溫度較高時，機組降溫效果雖明顯但是下降趨勢不大.

圖8 系統(tǒng)性能隨冷風(fēng)出口溫度的變化Fig.8 System performance versus different cold air outlet temperatures

通過對比可以看出，實驗符合逆卡諾循環(huán)：熱水進口溫度對系統(tǒng)φc的影響更加顯著，而冷卻水進口溫度對系統(tǒng)COP的影響更顯著.為了使機組高效地運行，在滿足實際工況要求的條件下，應(yīng)該盡量提高驅(qū)動熱水的進口溫度，同時降低冷卻水的進口溫度.

2.4 制冷時間的影響

硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的性能隨著制冷工作過程時間(t′)的變化如圖9所示.隨著t′的增加，系統(tǒng)的φc和COPC先增大后小幅下降，COPT變化幅度較小.φc的最大值出現(xiàn)在750 s附近：當(dāng)小于750 s時，制冷過程中的吸附反應(yīng)發(fā)展得不夠充分，因而φc相對較低，而此時φh較大，導(dǎo)致COPC較低；當(dāng)大于750 s時，吸附反應(yīng)趨于完全，φc變化不大，而φh增大，因而COPC出現(xiàn)小幅下降.

圖9 系統(tǒng)性能隨制冷時間的變化Fig.9 System performance versus different cooling times

2.5 熱水流量的影響

硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的性能隨著熱水體積流量(qV_h)的變化如圖10所示.隨著qV_h的增加(從0.7 m3/h增至1.3 m3/h)，系統(tǒng)的φc從1.84 kW增至2.19 kW，增幅19%；COPC從0.28增至0.40，增幅43%；COPT從1.56增至1.75，增幅12%.結(jié)果表明，適當(dāng)提高熱水的流量可以提高系統(tǒng)的性能，結(jié)果與文獻[25]相符.

圖10 系統(tǒng)性能隨熱水流量的變化Fig.10 System performance versus different hot water fluxes

3 節(jié)能分析

以房屋面積為100 m2的三口之家為例，通常情況下空調(diào)的冷量需求約為15.0 kW，日常生活用熱水量需求為200 L.吸附式冷風(fēng)機在家庭中使用的經(jīng)濟性價值為

(6)

Whe=chVρΔT

(7)

式中：We為空調(diào)消耗的電能；Qc為冷量需求；t*為空調(diào)使用時間；COPC取均值3；Whe為加熱熱水所消耗的電能；V為熱水體積；ρ為水的密度；ΔT為溫差，取10 ℃.

以全天8 h運行為例，使用太陽能熱驅(qū)動的吸附式冷風(fēng)機可以節(jié)省空調(diào)用電量40.0 kWh，加熱熱水用電量2.3 kWh，共可節(jié)省電量42.3 kWh，相當(dāng)于減少33.0 kg CO2的排放，具有優(yōu)異的節(jié)能環(huán)保效益.

4 結(jié)論

本文介紹了硅膠-水冷風(fēng)機組的主要結(jié)構(gòu)與工作原理，針對62～85 ℃的熱水工況進行實驗，得出以下結(jié)論：

(1) 硅膠-水吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)可以利用平均溫度為85.1 ℃的熱水產(chǎn)出22.4 ℃的冷風(fēng)，符合我國室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于夏季空調(diào)的溫度要求(22～28 ℃).同時，機組產(chǎn)生的冷卻水平均溫度為40.1 ℃，滿足日常生活用水需求.

(2) 系統(tǒng)的φc和COP隨著熱水進口溫度、冷風(fēng)出口溫度的升高和冷卻水進口溫度的降低而增大.為了達到更好的降溫效果并滿足生活用水需求，應(yīng)適當(dāng)提高熱水的進口溫度同時降低冷卻水的進口溫度.

(3) 機組的最佳制冷時間為750 s，處于最佳制冷時間下運行的系統(tǒng)能夠提供更多冷量，具有更好的制冷效果.

(4) 適度增加熱水流量可以提高機組的φc和COP，使得機組運行狀態(tài)最佳.

(5) 太陽能驅(qū)動的吸附式冷熱聯(lián)供系統(tǒng)在一家一戶的家庭中具有廣闊的應(yīng)用前景，機組的推廣與使用將會減少大量CO2的排放.