太阳能空调系统热性能分析

太阳能空调系统热性能分析

0太阳能空调系统的研究现状能源行冷系统是利用太阳能加热和驱动吸收式冷却的新技术。与传统的电、直燃式空调相比，由于能源行冷系统以太阳能为吸收式冷却，它不仅能节省大量的矿产资源，还起到了积极的环境保护作用。国际上对太阳能空调系统的研究,开始于50年代,在70年代“能源危机”时,太阳能空调技术得到了进一步的重视和发展。在各种利用太阳能的空调系统中,比较成功的是应用溴化锂吸收式制冷机的太阳能空调系统。但目前对太阳能空调系统的研究,还仅限于对系统试验结果的阐述以及对系统经济性的分析。由于太阳能空调系统的应用场合多种多样,其性能又受到地理及气候等因素的影响,每个系统的试验或计算结果,不能反映太阳能空调系统总体性能特征以及各参数之间的内在联系。本文通过对太阳能空调系统中能量转换过程的分析,运用一新无因次参数,建立了表征系统热性能特性的特征方程,揭示了系统热力参数之间的内在联系,并且通过运用特征方程,实现了系统长期性能计算的简化。1蓄热器夜间热损失的计算太阳能空调系统原则流程如图1所示,由太阳集热器收集的热量以热水的形式储存在蓄热器中,吸收式制冷机从蓄热器中提取热水作为热源,以产生冷量供空调之用。每日单位面积集热器收集的热量可表达为qu=FinηoϕGcol(1)式中,qu为每日单位面积集热器热收集量[MJ/m2d],Fin为集热器热迁移因子,ηo为集热器在光线垂直入射时的光学效率,ϕ为太阳辐射日利用率,即为太阳辐射中可利用的份额,Gcol为太阳日辐射量[MJ/m2d]。对于蓄热器,其每日热损失包括白天和夜间热损失两部分,但是,在白天当太阳集热器工作时,蓄热器的热损失与集热量相比,前者相对比较小,因此,在计算中只考虑夜间热损失,单位面积集热器对应的蓄热器的夜间热损失表达为:qL=Μtcp(Τmin-Τti)Ac(2)qL=Mtcp(Tmin−Tti)Ac(2)式中,qL为单位面积集热器对应的蓄热器的每日热损失[MJ/m2d]Mt为蓄热器中水的质量[kg],cp为水的定压比热容[kJ/kg℃],Tmin为吸收式制冷机的最低热源温度[℃],Tti为蓄热器早晨初始温度[℃],Ac为集热器面积[m2]。当集热器热收集量qu等于蓄热器的热损失qL时,所对应的太阳日辐射量即为日辐射临界值,联立方程(1)和(2),得到日辐射临界值表达式为G0=Μtcp(Τmin-Τti)AcFinηoϕ0(3)G0=Mtcp(Tmin−Tti)AcFinηoϕ0(3)式中,G0为日辐射临界值[MJ/m2d],ϕ0为对应于日辐射临界值时的太阳辐射日利用率。2日制冷量的计算在太阳能空调系统的各性能参数中,系统的日制冷量是表征系统热力性能的一个重要参数,由能量守恒定律,系统的日制冷量可表达为Qsc=AcCOPd(qu-qL)(4)式中,Qsc为系统日制冷量[MJ/d],COPd为吸收式制冷机日平均性能系数,联立方程(2)和(3),单位面积集热器对应的蓄热器的热损失qL可表达为qL=FinηoϕGo(5)将式(1)和(5)代入式(4),得Qsc=AcCOPdFinηo(ϕGcol-ϕoG0)(6)为了得到系统日制冷量与太阳日辐射量之间的数量关系,运用计算机模拟计算一采用单级溴化锂吸收式制冷机的太阳能空调系统的日制冷量,模拟结果如图2所示。图2显示,系统提供冷量的必要条件是太阳日辐射量必须大于日辐射临界值,并且系统的日制冷量可以回归为日辐射量与日辐射临界值之差的线性代数关系:Qsc=B(Gcol-Go)(7)式中,B为线性函数的比例系数,比较方程(6)和(7),得比例系数B为B=AcCΟΡdFinηoϕGcol-ϕ0G0Gcol-G0(8)B=AcCOPdFinηoϕGcol−ϕ0G0Gcol−G0(8)引入一新无因次参数Γ,定义为Γ=ϕGcol-ϕ0G0Gcol-G0(9)Γ=ϕGcol−ϕ0G0Gcol−G0(9)将式(9)代入式(8),再代入式(7),得到表征系统日制冷量的特征方程为Qsc=AcCOPdFinηoΓ(Gcol-G0)(10)该特征方程表明,系统日制冷量可表示为太阳日辐射量与日辐射临界值,以及制冷机日平均性能系数等参数之间的线性函数,这一结果使特征方程得到了相当广泛的应用。3系统年制冷量的确定特征方程可用于分析太阳能空调系统的性能特征以及用来计算系统的年制冷量。作为一个例子,本节讨论运用特征方程计算系统的年制冷量。系统在一年中所能提供的冷量,为系统在一年中每天所能提供冷量的总和,运用特征方程(10),系统年制冷量可表达为Qysc=r∑i=1∑i=1rAcCOPdFinη0Γ(GcoL,i-G0,i(11)式中,Qysc为系统年制冷量[MJ/年],r为系统运行的天数。对于一定的太阳能空调系统,由于COPd和Γ为常数,式(11)可简化为Qysc=AcCΟΡdFinη0Γr(ˉGcol-ˉG0)(12)Qysc=AcCOPdFinη0Γr(G¯¯¯col−G¯¯¯0)(12)式中,ˉGcolG¯¯¯col为系统运行期间日平均辐射量,ˉG0G¯¯¯0为系统运行期间日平均辐射临界值,它们分别表达为ˉGcol=r∑i=1Gcol,ir(13)G¯¯¯col=∑i=1rGcol,ir(13)ˉG0=r∑i=1G0,ir(14)G¯¯¯0=∑i=1rG0,ir(14)式(12)表明,太阳能空调系统的年制冷量主要由下列5个参数决定:(1)吸收式制冷机日平均性能系数COPd,(2)无因次参数Γ,(3)系统在一年中运行的天数r,(4)系统运行期间日平均辐射量ˉGcol‚(5)系统运行期间日平均辐射临界值ˉG0。因此,在设计太阳能空调系统时,如能确定以上5个参数,就能确定该系统的年制冷量。作为一个例子,这一方法用于计算在新加坡气候条件下运行的太阳能空调系统的年制冷量。系统所用的集热器面积为40m2,单位面积集热器上水的流量为0.013kg/m2s,FinUL=3.90W/m2℃,Finη0=0.60,蓄热器水的质量Mt=1500kg,制冷机为单级溴化锂吸收式制冷机,额定功率为7kW。系统的运行条件为:环境温度为30℃,冷媒水回水温度为14℃,冷却水塔送水温度为29.5℃,蓄热器早晨初始温度为65℃,制冷机最低热源温度为75℃。计算得到决定系统年制冷量的5个重要参数,