张小曼 沈沁 朱诗君

摘 要：针对三个沿海地区，选取同一别墅作为模拟研究对象，建立了全玻璃真空管集热器的太阳能吸收式制冷与低温双效海水淡化联合系统数学模型，利用MATLAB语言编制程序进行求解，并进行了性能分析。结果表明：上海地区冷负荷最大，所需集热器的面积最大，设置的水箱容积也最大，深圳其次，大连最小；一天中， 8时前水箱水温只发生微降，8时后先随时间迅速升温然后再降低，14时刻达到最大值；产水速率在一天中随时间先变小后增大再变小，5时最小，16时最大。

关键词：真空管集热；太阳能吸收式制冷；海水淡化

太阳能吸收式制冷作为一种无需常规能源驱动、对环境无污染的绿色环保型技术，研究开发力量越来越强。但太阳能吸收式制冷系统仍然有大量冷凝热直接排入环境，造成能源浪费，因此冷凝热回收技术已受到国内外学者的重视，制冷与海水淡化联合装置，作为一门交叉研究领域，已开始被注意，但是研究报道并不多[1-4]。本文提出了一种真空管集热的太阳能吸收式制冷与低温多效海水淡化联合系统，并阐述了该联合系统的工作过程，该联合系统通过回收冷凝热，可同时实现制冷和生产淡水两种功能，极大的提高了能源利用率。

1.联合系统物理模型

如图1所示：真空管集热器收集辐射热加热循环工质水，进入储热水箱放出热量后再流回集热器；储热水箱的热水作为吸收式制冷机驱动热源达到发生器，在发生器放出热量后温度降低流回储热水箱；由于太阳辐射的间歇性，为保证系统稳定运行，制冷机驱动热水进水温度设置为95℃，如果热水温度高于设计值，则开启冷却器将水温降至设计值，如果热水温度低于设计值95℃，则开启辅助热源将水温升至设计值。发生器中的吸收剂稀溶液吸收驱动热水的热量后，在发生器中放出冷剂蒸汽，作为加热蒸汽引入海水淡化装置的第一效蒸发器，并在其中与供给海水换热；供给海水在海水淡化装置中经双效蒸发成为淡水（海水淡化装置工作原理见文献[5]）；加热蒸汽在海水淡化装置凝结放热后，变成凝结水，经节流阀节流流至蒸发器；吸收器中吸收剂稀溶液经过溶液泵升压之后进入溶液热交换器，在其中吸收来自发生器中吸收剂浓溶液的热量，进入发生器；蒸发器内设置有冷冻水管路，吸收器内设置有冷却海水管路。

2.联合系统数学模型

吸收式制冷热力计算数学模型、海水淡化热力计算数学模型采用文献[5]的算法，现只介绍集热器和储热水箱数学模型：

（1）单位集热面积有效集热量：

（1）

式中FR为集热器热转移因子；UL为集热器热损失系数，w/（m2*℃）；Ieff为集热管单位时间单位面积吸收的热量[6]，w/m2；Tf为为集热器流体进出口平均温度，℃；Ta为环境温度，℃。

（2）集热器面积

（2）

式中QE（t）为空调某时刻t的逐时冷负荷，kJ/h；Qd为太阳能集热器日总有效集热量，J/（m2*d）； 为制冷系统性能系数。

（3）储热水箱

采用水作为储热介质，储热水箱容量根据集热器的面积确定[8]，取80L/m2。水箱能量平衡方程式为：

（3）

式中，t为时刻，h；Ts为水箱内热水在的温度，℃；（MCp）s为水箱内水的质量与其定压比热之积，J/℃；Qs为集热器收集到的并储存在储热水箱中的热量，J/（ m2*h）；Mg为进入发生器的热水流量，kg/s；Tsz为进入发生器的设置热水温度，℃； （UF）s为水箱热损失系数与水箱表面积乘积，W/℃；Tw为水箱壁面温度，℃。

3.数学模型求解

利用MATLAB语言编制了程序对联合系统数学模型进行了求解，其中溴化锂吸收式制冷模块程序、低温多效海水淡化模块程序以及真空管集热器模块程序见文献[5-6]的，联合系统主程序见图2。

4.结论与分析

本文以大连、上海、深圳三个沿海城市为例，选取一栋空调面积为170m2、坐北朝南的两层别墅建筑作为模拟研究对象。采用文献[7]的方法计算这栋别墅建筑的夏季设计日逐时空调冷负荷，并计算得到了三个城市所需集热器面积和储热水箱容积，结果如表1和图3所示。由图3可知：三地夏季冷负荷最大时刻都在16时，而图4显示了三地区每小时有效集热量都在12时；还可知上海地区冷负荷最大，集热器收集的有效集热量最大，所需集热器的面积最大，设置的水箱容积也最大，深圳其次，大连最小。

发生微降，8点后，水箱水温先随时间迅速升温然后再降低，14时刻达到最大值，15点后，水箱水温下降迅速；比较这三个地区，水箱水温相差不明显。引起上述变化的原因如下：

（1）在0到8时刻，由于没有太阳辐射，水温低于吸收式制冷机热水进水温度设计值95℃，系统开启了辅助热源，只对进入发生器的热水进行加热，故水温只发生微降。

（2）8点后，由于集热器吸收了太阳辐射，水箱水温先随着集热量的逐渐增大而迅速升高，后随着集热量减小而降低。当水温高于吸收式制冷机热水进水温度设计值95℃，系统开启了冷却系统，只对进入发生器的热水进行冷却，故水箱中的水温上升得快。

（3）15点后，由于没有太阳辐射，水箱水温由于需要继续提供更大的逐时冷负荷，所以下降迅速。

（4）三地区的水箱容积是根据集热面积进行匹配，集热量大，水箱容积也大，故水箱水温相差不明显。

图6给出了产水速率随时间变化情况，由图6可知：在一天中，产水速率随时间先变小后增大再变小，5时最小，16时最大。比较三地区，上海地区的系统产水速率最大，深圳其次，大连最小。引起上述变化的原因如下：

（1）冷凝热回收量随冷负荷的变化成正比，5时冷负荷最小，需要的驱动热源就少，故产水速率慢，16时冷负荷最大，需要的驱动热源就大，故产水速率快

（2）上海地区的冷负荷最大，深圳其次，大连最小，因此上海地区的产水速率最大，深圳其次，大连最小。

参考文献：

[1] 李辉群，空调-海水淡化复合装置研究[D].西北工业大学硕士论文，2003.

[2] 沈超. 溴化锂吸收式制冷机与海水淡化联合运行装置[J]. 西北工业大学，2005，34（5）：39-41

[3] 胡松涛，热泵空调与海水淡化系统联合运行方式探讨[J].暖通空调，2006，，36（4）：30-33

[4] 李冰瑜，分布式冷热电联产和海水淡化耦合系统研究[D]，中国科学院研究生院硕士论文，2007年5月.

[5] 张小曼.热水电联产系统的性能分析与优化研究[D].大连理工大学，2008，24-27.

[6] 陈文博.真空管集热的太阳能海水淡化系统性能研究[D].大连理工大学，2011，21-30.

[7] 曾海平.夏热冬冷地区太阳能吸收式空调系统的模拟研究[D].武汉科技大学，2011，20-28.

[8] 顾晓燕.太阳能制冷及供暖综合系统研究[D].南京理工大学，2005，23.

作者简介：

张小曼（1983—），女，热能工程专业硕士，主要从事制冷空调与海水淡化研究.

湖南省教育厅科研项目，《沿海地区太阳能驱动的吸收式空調与海水淡化耦合系统数值模拟研究》，16C1043.