太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)熱性能分析

太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)熱性能分析

0太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀能源行冷系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能加熱和驅(qū)動(dòng)吸收式冷卻的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的電、直燃式空調(diào)相比，由于能源行冷系統(tǒng)以太陽(yáng)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(hù)作用。國(guó)際上對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的研究,開(kāi)始于50年代,在70年代“能源危機(jī)”時(shí),太陽(yáng)能空調(diào)技術(shù)得到了進(jìn)一步的重視和發(fā)展。在各種利用太陽(yáng)能的空調(diào)系統(tǒng)中,比較成功的是應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機(jī)的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)。但目前對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的研究,還僅限于對(duì)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的闡述以及對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的分析。由于太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合多種多樣,其性能又受到地理及氣候等因素的影響,每個(gè)系統(tǒng)的試驗(yàn)或計(jì)算結(jié)果,不能反映太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)總體性能特征以及各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的分析,運(yùn)用一新無(wú)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(nèi)在聯(lián)系,并且通過(guò)運(yùn)用特征方程,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)長(zhǎng)期性能計(jì)算的簡(jiǎn)化。1蓄熱器夜間熱損失的計(jì)算太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)原則流程如圖1所示,由太陽(yáng)集熱器收集的熱量以熱水的形式儲(chǔ)存在蓄熱器中,吸收式制冷機(jī)從蓄熱器中提取熱水作為熱源,以產(chǎn)生冷量供空調(diào)之用。每日單位面積集熱器收集的熱量可表達(dá)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(shí)的光學(xué)效率,?為太陽(yáng)輻射日利用率,即為太陽(yáng)輻射中可利用的份額,Gcol為太陽(yáng)日輻射量[MJ/m2d]。對(duì)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(dāng)太陽(yáng)集熱器工作時(shí),蓄熱器的熱損失與集熱量相比,前者相對(duì)比較小,因此,在計(jì)算中只考慮夜間熱損失,單位面積集熱器對(duì)應(yīng)的蓄熱器的夜間熱損失表達(dá)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(duì)應(yīng)的蓄熱器的每日熱損失[MJ/m2d]Mt為蓄熱器中水的質(zhì)量[kg],cp為水的定壓比熱容[kJ/kg℃],Tmin為吸收式制冷機(jī)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(dāng)集熱器熱收集量qu等于蓄熱器的熱損失qL時(shí),所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)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(dá)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(duì)應(yīng)于日輻射臨界值時(shí)的太陽(yáng)輻射日利用率。2日制冷量的計(jì)算在太陽(yáng)能空調(diào)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(gè)重要參數(shù),由能量守恒定律,系統(tǒng)的日制冷量可表達(dá)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(jī)日平均性能系數(shù),聯(lián)立方程(2)和(3),單位面積集熱器對(duì)應(yīng)的蓄熱器的熱損失qL可表達(dá)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(yáng)日輻射量之間的數(shù)量關(guān)系,運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算一采用單級(jí)溴化鋰吸收式制冷機(jī)的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的日制冷量,模擬結(jié)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(yáng)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(guān)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(wú)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(yáng)日輻射量與日輻射臨界值,以及制冷機(jī)日平均性能系數(shù)等參數(shù)之間的線性函數(shù),這一結(jié)果使特征方程得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。3系統(tǒng)年制冷量的確定特征方程可用于分析太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的性能特征以及用來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的年制冷量。作為一個(gè)例子,本節(jié)討論運(yùn)用特征方程計(jì)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(yùn)用特征方程(10),系統(tǒng)年制冷量可表達(dá)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(yùn)行的天數(shù)。對(duì)于一定的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng),由于COPd和Γ為常數(shù),式(11)可簡(jiǎn)化為Qysc=AcCΟΡdFinη0Γr(ˉGcol-ˉG0)(12)Qysc=AcCOPdFinη0Γr(Gˉˉˉcol?Gˉˉˉ0)(12)式中,ˉGcolGˉˉˉcol為系統(tǒng)運(yùn)行期間日平均輻射量,ˉG0Gˉˉˉ0為系統(tǒng)運(yùn)行期間日平均輻射臨界值,它們分別表達(dá)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(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的年制冷量主要由下列5個(gè)參數(shù)決定:(1)吸收式制冷機(jī)日平均性能系數(shù)COPd,(2)無(wú)因次參數(shù)Γ,(3)系統(tǒng)在一年中運(yùn)行的天數(shù)r,(4)系統(tǒng)運(yùn)行期間日平均輻射量ˉGcol?(5)系統(tǒng)運(yùn)行期間日平均輻射臨界值ˉG0。因此,在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)時(shí),如能確定以上5個(gè)參數(shù),就能確定該系統(tǒng)的年制冷量。作為一個(gè)例子,這一方法用于計(jì)算在新加坡氣候條件下運(yùn)行的太陽(yáng)能空調(diào)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(zhì)量Mt=1500kg,制冷機(jī)為單級(jí)溴化鋰吸收式制冷機(jī),額定功率為7kW。系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)最低熱源溫度為75℃。計(jì)算得到?jīng)Q定系統(tǒng)年制冷量的5個(gè)重要參數(shù),