太陽能空調系統(tǒng)熱性能分析

太陽能空調系統(tǒng)熱性能分析

0太陽能空調系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀能源行冷系統(tǒng)是利用太陽能加熱和驅動吸收式冷卻的新技術。與傳統(tǒng)的電、直燃式空調相比，由于能源行冷系統(tǒng)以太陽能為吸收式冷卻，它不僅能節(jié)省大量的礦產(chǎn)資源，還起到了積極的環(huán)境保護作用。國際上對太陽能空調系統(tǒng)的研究,開始于50年代,在70年代“能源危機”時,太陽能空調技術得到了進一步的重視和發(fā)展。在各種利用太陽能的空調系統(tǒng)中,比較成功的是應用溴化鋰吸收式制冷機的太陽能空調系統(tǒng)。但目前對太陽能空調系統(tǒng)的研究,還僅限于對系統(tǒng)試驗結果的闡述以及對系統(tǒng)經(jīng)濟性的分析。由于太陽能空調系統(tǒng)的應用場合多種多樣,其性能又受到地理及氣候等因素的影響,每個系統(tǒng)的試驗或計算結果,不能反映太陽能空調系統(tǒng)總體性能特征以及各參數(shù)之間的內在聯(lián)系。本文通過對太陽能空調系統(tǒng)中能量轉換過程的分析,運用一新無因次參數(shù),建立了表征系統(tǒng)熱性能特性的特征方程,揭示了系統(tǒng)熱力參數(shù)之間的內在聯(lián)系,并且通過運用特征方程,實現(xiàn)了系統(tǒng)長期性能計算的簡化。1蓄熱器夜間熱損失的計算太陽能空調系統(tǒng)原則流程如圖1所示,由太陽集熱器收集的熱量以熱水的形式儲存在蓄熱器中,吸收式制冷機從蓄熱器中提取熱水作為熱源,以產(chǎn)生冷量供空調之用。每日單位面積集熱器收集的熱量可表達為qu=Finηo?Gcol(1)式中,qu為每日單位面積集熱器熱收集量[MJ/m2d],Fin為集熱器熱遷移因子,ηo為集熱器在光線垂直入射時的光學效率,?為太陽輻射日利用率,即為太陽輻射中可利用的份額,Gcol為太陽日輻射量[MJ/m2d]。對于蓄熱器,其每日熱損失包括白天和夜間熱損失兩部分,但是,在白天當太陽集熱器工作時,蓄熱器的熱損失與集熱量相比,前者相對比較小,因此,在計算中只考慮夜間熱損失,單位面積集熱器對應的蓄熱器的夜間熱損失表達為:qL=Μtcp(Τmin-Τti)Ac(2)qL=Mtcp(Tmin?Tti)Ac(2)式中,qL為單位面積集熱器對應的蓄熱器的每日熱損失[MJ/m2d]Mt為蓄熱器中水的質量[kg],cp為水的定壓比熱容[kJ/kg℃],Tmin為吸收式制冷機的最低熱源溫度[℃],Tti為蓄熱器早晨初始溫度[℃],Ac為集熱器面積[m2]。當集熱器熱收集量qu等于蓄熱器的熱損失qL時,所對應的太陽日輻射量即為日輻射臨界值,聯(lián)立方程(1)和(2),得到日輻射臨界值表達式為G0=Μtcp(Τmin-Τti)AcFinηo?0(3)G0=Mtcp(Tmin?Tti)AcFinηo?0(3)式中,G0為日輻射臨界值[MJ/m2d],?0為對應于日輻射臨界值時的太陽輻射日利用率。2日制冷量的計算在太陽能空調系統(tǒng)的各性能參數(shù)中,系統(tǒng)的日制冷量是表征系統(tǒng)熱力性能的一個重要參數(shù),由能量守恒定律,系統(tǒng)的日制冷量可表達為Qsc=AcCOPd(qu-qL)(4)式中,Qsc為系統(tǒng)日制冷量[MJ/d],COPd為吸收式制冷機日平均性能系數(shù),聯(lián)立方程(2)和(3),單位面積集熱器對應的蓄熱器的熱損失qL可表達為qL=Finηo?Go(5)將式(1)和(5)代入式(4),得Qsc=AcCOPdFinηo(?Gcol-?oG0)(6)為了得到系統(tǒng)日制冷量與太陽日輻射量之間的數(shù)量關系,運用計算機模擬計算一采用單級溴化鋰吸收式制冷機的太陽能空調系統(tǒng)的日制冷量,模擬結果如圖2所示。圖2顯示,系統(tǒng)提供冷量的必要條件是太陽日輻射量必須大于日輻射臨界值,并且系統(tǒng)的日制冷量可以回歸為日輻射量與日輻射臨界值之差的線性代數(shù)關系:Qsc=B(Gcol-Go)(7)式中,B為線性函數(shù)的比例系數(shù),比較方程(6)和(7),得比例系數(shù)B為B=AcCΟΡdFinηo?Gcol-?0G0Gcol-G0(8)B=AcCOPdFinηo?Gcol??0G0Gcol?G0(8)引入一新無因次參數(shù)Γ,定義為Γ=?Gcol-?0G0Gcol-G0(9)Γ=?Gcol??0G0Gcol?G0(9)將式(9)代入式(8),再代入式(7),得到表征系統(tǒng)日制冷量的特征方程為Qsc=AcCOPdFinηoΓ(Gcol-G0)(10)該特征方程表明,系統(tǒng)日制冷量可表示為太陽日輻射量與日輻射臨界值,以及制冷機日平均性能系數(shù)等參數(shù)之間的線性函數(shù),這一結果使特征方程得到了相當廣泛的應用。3系統(tǒng)年制冷量的確定特征方程可用于分析太陽能空調系統(tǒng)的性能特征以及用來計算系統(tǒng)的年制冷量。作為一個例子,本節(jié)討論運用特征方程計算系統(tǒng)的年制冷量。系統(tǒng)在一年中所能提供的冷量,為系統(tǒng)在一年中每天所能提供冷量的總和,運用特征方程(10),系統(tǒng)年制冷量可表達為Qysc=r∑i=1∑i=1rAcCOPdFinη0Γ(GcoL,i-G0,i(11)式中,Qysc為系統(tǒng)年制冷量[MJ/年],r為系統(tǒng)運行的天數(shù)。對于一定的太陽能空調系統(tǒng),由于COPd和Γ為常數(shù),式(11)可簡化為Qysc=AcCΟΡdFinη0Γr(ˉGcol-ˉG0)(12)Qysc=AcCOPdFinη0Γr(Gˉˉˉcol?Gˉˉˉ0)(12)式中,ˉGcolGˉˉˉcol為系統(tǒng)運行期間日平均輻射量,ˉG0Gˉˉˉ0為系統(tǒng)運行期間日平均輻射臨界值,它們分別表達為ˉGcol=r∑i=1Gcol,ir(13)Gˉˉˉcol=∑i=1rGcol,ir(13)ˉG0=r∑i=1G0,ir(14)Gˉˉˉ0=∑i=1rG0,ir(14)式(12)表明,太陽能空調系統(tǒng)的年制冷量主要由下列5個參數(shù)決定:(1)吸收式制冷機日平均性能系數(shù)COPd,(2)無因次參數(shù)Γ,(3)系統(tǒng)在一年中運行的天數(shù)r,(4)系統(tǒng)運行期間日平均輻射量ˉGcol?(5)系統(tǒng)運行期間日平均輻射臨界值ˉG0。因此,在設計太陽能空調系統(tǒng)時,如能確定以上5個參數(shù),就能確定該系統(tǒng)的年制冷量。作為一個例子,這一方法用于計算在新加坡氣候條件下運行的太陽能空調系統(tǒng)的年制冷量。系統(tǒng)所用的集熱器面積為40m2,單位面積集熱器上水的流量為0.013kg/m2s,FinUL=3.90W/m2℃,Finη0=0.60,蓄熱器水的質量Mt=1500kg,制冷機為單級溴化鋰吸收式制冷機,額定功率為7kW。系統(tǒng)的運行條件為:環(huán)境溫度為30℃,冷媒水回水溫度為14℃,冷卻水塔送水溫度為29.5℃,蓄熱器早晨初始溫度為65℃,制冷機最低熱源溫度為75℃。計算得到?jīng)Q定系統(tǒng)年制冷量的5個重要參數(shù),