太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯產系統性能分析

代寶民，趙佳儀，劉圣春，楊海寧，李偉鋒，章立標，陳 月

（1.天津大學 醫學工程與轉化醫學研究院，天津 300072；2.天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134；3.浙江國祥股份有限公司，浙江上虞 3123001）

0 引言

海水淡化是重要的增量水源，對緩解沿海地區和海島水資源短缺，保障水安全具有重要意義［1］。但是海水淡化過程不僅能耗高、成本高，還會產生環境污染、溫室效應等不利影響［2］。當前我國沿海地區對制冷的需求不斷增加，尤其是在商超食品冷凍和冷藏方面［3］。為了提高能源利用率和經濟效益，近年來海水淡化和制冷等應用集成的多聯產研究受到廣泛關注［4］。

為了同時滿足淡水和制冷需求，目前關于淡水制冷聯產的研究重點是多效蒸餾海水淡化和制冷系統的結合。ESFAHANI 等［5］提出了一種新型制冷和淡水聯產的系統，將多效蒸發吸收熱泵與蒸汽壓縮制冷循環相結合。WANG 等［6］提出了一種主要消耗低品位熱量生產冷量和淡水的系統，將吸收式制冷系統與多效蒸餾海水淡化系統相結合，并進行了經濟分析。FARSI 等［7］首次提出了將增壓多效蒸餾（MED）系統與跨臨界CO2制冷系統相結合，并對系統性能進行了初步研究。

商超食品冷凍和冷藏有制冷的需求，然而目前商用制冷系統大多采用高全球變暖潛值（GWP）的常規制冷劑［8］。在《基加利修正案》正式生效的背景下，采用綠色環保的自然工質CO2是商場領域制冷劑替代的可靠解決方案［9］。CO2具有臨界溫度（31.1 ℃）低、臨界壓力（7.38 MPa）高的特點［10］，跨臨界CO2制冷系統的壓縮機排氣余熱可進一步回收利用［11］，如可作為海水淡化過程的驅動熱源［4］，也可作為吸收式制冷機的驅動熱源進行制冷［12］。

我國夏季大部分地區氣候炎熱，導致CO2制冷系統的能效偏低，因此可采用吸收式過冷技術降低CO2節流前的溫度，以提高制冷循環效率。DAI 等［13］研究表明太陽能-余熱驅動吸收過冷CO2制冷系統的COP可提高3.05%～42.30%。

我國太陽能資源豐富，開發利用潛力巨大［14］。在太陽能熱利用的方式中，太陽能吸收式制冷是目前應用最廣泛、效果最好的制冷形式［15-16］。

基于以上研究可以發現，對于CO2制冷-淡水聯產系統的研究，前人很少關注可再生能源對系統性能的貢獻和影響。因此，在滿足商超制冷需求的同時，可綜合利用CO2制冷系統的壓縮機排氣余熱和商超建筑屋頂的太陽能驅動海水淡化系統和吸收式制冷機，分別生產淡水和冷量，實現雙重目的。

因此，針對缺水地區對制冷與淡水的共同需求，本文提出太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷CO2制冷-淡水聯產系統。通過建立系統的熱力學模型，對系統的運行參數進行優化，探索不同氣候條件對系統年度性能系數（APF）、淡水產量等關鍵指標的影響規律，為同時生產淡水和滿足制冷需求開拓了思路。

1 太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯產系統

1.1 系統原理

基礎CO2增壓制冷-淡水聯產系統（Base-CWCS）由CO2增壓制冷子系統和增強多效蒸餾海水淡化子系統兩部分組成。該系統利用高壓級壓縮機出口的CO2流體作為熱源，驅動第一效蒸發器蒸餾海水，再由第一效蒸發器產生的蒸汽驅動第二效蒸發器蒸餾海水，以此類推可連續驅動多效蒸發器生產淡水，同時在第一效蒸發器釋熱后的CO2流體可繼續作為增強效蒸發器的驅動熱源，進一步生產淡水，實現能量的高效梯級利用，系統原理如圖1 所示。

在Base-CWCS 系統的基礎上，集成太陽能-余熱聯合驅動吸收式制冷子系統，構建太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷CO2制冷-淡水聯產系統（Abs-CWCS），其中太陽能和壓縮機排氣的熱能可存儲于儲熱罐中，通過提取儲熱罐中的熱能驅動吸收式制冷子系統進行制冷，可實現對氣體冷卻器出口的CO2流體過冷，從而減少CO2制冷系統的節流損失，提高CO2制冷系統能效。當CO2制冷系統達到最大過冷度且太陽能仍有剩余時，可實現太陽能和壓縮機排氣余熱對海水淡化系統的共同驅動，以實現太陽能和壓縮機排氣余熱的充分利用，系統原理如圖2 所示。

圖2 太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯產系統（Abs-CWCS）原理Fig.2 Schematic of hybrid solar energy and waste heat driving absorption subcooling CO2 refrigeration-desalination cogeneration system（Abs-CWCS）

1.2 數學模型

1.2.1 太陽能集熱器模型集熱器的效率與太陽輻射強度、環境溫度和集熱器入口溫度有關，可由下式確定［17］：

式中，ηcol為集熱器的效率，%；Tcol，in為集熱器進口流體的溫度，℃；Tamb為環境溫度，℃；Isolar為太陽輻射強度，W/m2。

式中，Qsolar為集熱器的負荷，W；Acol為集熱器面積，m2。

1.2.2 吸收式制冷系統模型

式中，COPabs為吸收式制冷系統性能系數；Qevap，abs為蒸發器制冷量，W；Qgen為驅動發生器的熱量，W；Wpump為溶液泵功耗，W。

1.2.3 吸收式過冷CO2制冷系統模型

式中，COP為吸收式過冷CO2制冷系統性能系數；Qevap，CO2為蒸發器制冷量，W；Wtot為壓縮機和風扇的總功耗，W。

1.2.4 增強多效蒸餾海水淡化系統模型質量守恒［8］：

式中，mbr為濃鹽水質量流量，kg/s；mf為進料海水質量流量，kg/s；i為效數，i=2，3，…，6；mv為蒸汽質量流量，kg/s。

鹽度守恒：

式中，wsw為海水鹽度，10-6；wbr為濃鹽水鹽度，10-6。

能量守恒：

式中，Qeffect，1為第一效蒸發器功耗，W；mCO2為CO2質量流量，kg/s；Boo 為增強效蒸發器；hfg為海水潛熱焓值，kJ/kg；Qeffect，Boo為增強效蒸發器功耗，W；Qi為第i效蒸發器功耗，W。

2 結果和討論

2.1 模型驗證

為驗證本文模型的正確性，選取FARSI 等［4，6-7］的跨臨界CO2制冷和多效海水淡化集成系統的結果進行了模型驗證。模型邊界條件見表2，結果對比及誤差見表3。可以看出誤差均在5%以內，驗證了本文壓縮機排氣余熱驅動的增強器多效蒸餾海水淡化模型可靠性。

表1 多效蒸餾海水淡化系統參數Tab.1 Parameters of multi-effect distillation system

表2 模型驗證及誤差Tab.2 Model validation and deviation

表3 系統設計參數Tab.3 System design parameters

2.2 太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯產系統運行特性

本文選取常規超市作為供冷對象，其面積為1 844 m2。中溫展示柜和低溫展示柜的平均日冷負荷與每日環境溫度呈正相關［18］。系統設計參數見表3。

圖3 示出了Base-CWCS 與Abs-CWCS 系統在太陽輻射強度為300～1 200 W/m2，環境溫度為0～35 ℃時COP的變化情況。

圖3 不同系統COP 隨著環境溫度及太陽輻射的變化規律Fig.3 Effect of ambient temperature and solar radiation on COP of different systems

可以看出集成太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷子系統后，系統COP顯著提升，尤其是在環境溫度較高，即系統處于跨臨界運行的工況下，并且Abs-CWCS 的COP提升率與太陽輻射強度直接相關。然而當環境溫度低于15 ℃時，COP不受太陽輻射強度的影響。當環境溫度為30 ℃，太陽輻射強度從300 W/m2增加到1 200 W/m2時，COP從1.17 增加到1.55，提升率為32.71%。而當環境溫度為35 ℃時，COP從1.00 增高到了1.41，提升率高達41.00%。這是由于環境溫度較高時需要更高的過冷度來提高CO2制冷系統的COP，而更高的太陽輻射強度可提供更多的熱量驅動吸收式制冷子系統，以產生更多的冷量。而環境溫度較低時系統所需的過冷度相對較低，少量熱能即可驅動吸收式制冷子系統滿足過冷要求，所以太陽輻射強度對系統COP影響很小。綜上所述，利用太陽能吸收式過冷系統可以有效地解決CO2制冷系統在溫暖或炎熱氣候下能效較低的問題。

與環境溫度和太陽輻射強度相對應的過冷度的變化情況如圖4 所示。可以看到當環境溫度≤25 ℃，即系統處于亞臨界模式運行時，太陽輻射強度可以滿足最大過冷度需求。所以當環境溫度較低時，在不同的太陽輻射強度的情況下，過冷度為常數，如在環境溫度為0，5，10，15 ℃時，過冷度分別恒定為6.47，7.42，12.02，12.20 ℃。當環境溫度為30，35 ℃時，且太陽輻射強度達到1 200 W/m2時，吸收式過冷系統能有效過冷CO2制冷系統，其過冷度分別達到了30.36，26.50 ℃。

圖4 過冷度隨環境溫度及太陽輻射的變化規律Fig.4 Effect of ambient temperature and solar radiation on subcooling degree

當環境溫度為35 ℃時，氣體冷卻器出口溫度升高，排氣壓力升高，過冷度未遵循整體增長規律，這是由于更高的過冷度需要更多能量驅動，即更高的太陽輻射強度。當環境溫度一定時，COP的變化趨勢與過冷度一致，這也證明了增加太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷子系統能夠顯著降低節流前CO2流體溫度，有效提高系統能效。

當CO2制冷系統在環境溫度低于26 ℃的情況下工作時，系統為亞臨界狀態，排氣壓力由環境溫度決定，無需優化。而當環境溫度高于26 ℃，即系統在跨臨界模式下運行時，需優化排氣壓力以獲得最大能效。圖5 示出了不同系統排氣壓力隨環境溫度的變化情況。可以看到系統排氣壓力均隨著環境溫度的升高而增加。相對Base-CWCS 系統，Abs-CWCS 系統可顯著降低排氣壓力，當太陽輻射強度為900 W/m2時，采用Abs-CWCS 的排氣壓力最高可降低6.86%，并且排氣壓力隨著太陽輻射強度的增加而逐漸降低。

圖5 不同系統排氣壓力隨環境溫度及太陽輻射的變化規律Fig.5 Effect of ambient temperature and solar radiation on discharge pressure of different systems

圖6示出了在不同環境溫度與太陽輻射強度下，Abs-CWCS 達到最大能效時，太陽能-余熱聯合驅動吸收式過冷子系統性能系數（COPabs）的變化情況。在環境溫度低于15 ℃的亞臨界運行區域，COPabs隨環境溫度的升高而逐漸降低，且幾乎不受太陽輻射強度的影響。當環境溫度為25，35 ℃時，COPabs隨太陽輻射的增強而顯著降低。這是由于COPabs與冷凝溫度、蒸發溫度以及蒸發和冷凝溫度的差值直接相關，后者與過冷度呈正相關。COPabs的變化趨勢與圖4 所示的過冷度的變化趨勢相反，表明過冷度越高，太陽能-余熱聯合驅動吸收式過冷子系統的能效越低。

圖6 COPabs 隨著環境溫度和太陽輻射強度的變化規律Fig.6 Effect of ambient temperature and solar radiation on COPabs

圖7 示出了在不同環境溫度與太陽輻射強度下，Base-CWCS 與Abs-CWCS 系統淡水產量的變化情況。可以看到在環境溫度一定時，Abs-CWCS 系統淡水產量隨著太陽輻射強度的增加而增加，且都高于Base-CWCS。當環境溫度較低時，Abs-CWCS 的最高過冷度較低，需要的太陽能熱量較少，即可用于海水淡化的熱量更多，所以在環境溫度低于25 ℃時，太陽輻射強度的增加對淡水產量影響顯著。當CO2制冷系統處于跨臨界運行模式時，隨著環境溫度升高，用于CO2制冷系統過冷所需的熱量更多，導致用于驅動海水淡化子系統的熱量大幅降低，淡水產量有所降低，并且淡水產量隨太陽輻射強度變化不明顯。當太陽輻射強度為1 200 W/m2時，與Base-CWCS 系統相比Abs-CWCS 系統淡水產量增長了0.8～28.6 倍。

圖7 不同系統淡水產量隨著環境溫度及太陽輻射的變化規律Fig.7 Effect of ambient temperature and solar radiation on freshwater production of different systems

2.3 太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷CO2 制冷-淡水聯產系統全年運行特性

考慮氣候條件的影響，選擇位于中國不同氣候區的5 個典型缺水城市作為系統的使用地點，對系統的APF進行分析，以上城市均分布于沿海地區，海水資源豐富且均屬于缺水城市。不同城市Base-CWCS 和Abs-CWCS 系統的年度性能系數，如圖8 所示。可以看到Abs-CWCS 的APF明顯高于Base-CWCS，且APF基本隨城市緯度的增加而增加。APF提升率定義為Abs-CWCS 相對Base-CWCS 的APF提升率。可以看到以上5個典型缺水城市的APF提升率相當，其中天津最高，為3.76%；上海最低，為3.55%。

圖8 不同系統在5 個城市使用時的年性能系數Fig.8 Annual performance factor of different system in 5 typical cities

Base-CWCS 和Abs-CWCS 在5 個典型缺水城市運行的年淡水產量如圖9 所示。可以看到增加太陽能-余熱聯合驅動吸收過冷子系統后，各個城市年淡水產量都得到顯著提升，表明采用太陽能和壓縮機排氣余熱的Abs-CWCS 系統可顯著提升淡水產量，提升率可達9.54%～64.62%。Base-CWCS 系統僅由CO2制冷系統的壓縮機排氣余熱驅動海水淡化系統，其淡水產量隨環境溫度的升高而增加，所以Base-CWCS 的淡水產量基本隨緯度的增加而降低。其中大連淡水產量最低，為337.50 m3/a，海口可達到489.70 m3/a。而Abs-CWCS 則是由環境溫度和太陽輻射強度共同影響，導致其變化規律不明顯。

圖9 不同系統在5 個典型缺水城市使用時的年淡水產量Fig.9 Freshwater production of different system in 5 typical cities

3 結論

（1）采用Abs-CWCS 系統可顯著提高CO2制冷系統的性能系數。當太陽輻射強度為1 200 W/m2，環境溫度為35 ℃時，COP可提升41.02%。

（2）采用Abs-CWCS 系統可降低排氣壓力。在太陽輻射強度為1 200 W/m2、環境溫度為34 ℃時，排氣壓力可降低7.86%，過冷度隨著環境溫度和太陽輻射強度的增加而增加。

（3）采用Abs-CWCS 系統可有效提高系統年度性能系數APF，在天津使用時最高可提升3.76%。

（4）采用Abs-CWCS 可有效提高淡水產量，當太陽能輻射強度為1 200 W/m2時，與Base-CWCS系統相比，Abs-CWCS系統淡水產量增加了0.8～28.6 倍。全年淡水產量提升率可達到9.54%～64.62%。