程友良，劉 萌，劉志東，何傳金

（華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

太陽能熱驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)包括太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)、太陽能吸附式空調(diào)系統(tǒng)、太陽能噴射式空調(diào)系統(tǒng)等。 其中，太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用得比較廣泛，特別是以溴化鋰為循環(huán)介質(zhì)的太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)。 太陽能熱驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)不但實現(xiàn)了太陽能的有效利用，而且還大大降低了電力資源的消耗，減少了常規(guī)能源發(fā)電所帶來的環(huán)境污染[1]，[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)及其相關(guān)的重要設(shè)備進行了大量研究。 對于太陽能集熱器，賈檸澤[3]研制了一套聚光比為3.9 的非跟蹤式復(fù)合多曲面聚光器，利用該聚光器能夠提高北方寒冷地區(qū)太陽能建筑采暖系統(tǒng)的適用性。 對于儲能系統(tǒng)，傅杰[4]建立了相變儲能太陽能熱泵系統(tǒng)實驗平臺，實驗結(jié)果表明，相變儲能太陽能熱泵系統(tǒng)能夠滿足北方農(nóng)村的供暖需求。 毛前軍[5]選用KNO3-NaNO3作為蓄熱材料，分析結(jié)果表明，該相變蓄熱材料具有較強的導(dǎo)熱性能。 程友良[6]選用新型三元熔融鹽KNO3-NaNO3-NaNO2作為蓄熱材料，并對太陽能單罐蓄熱裝置的傳熱性能和蓄熱性能進行了模擬研究，分析結(jié)果表明，當(dāng)熔融鹽入口流速為0.03 m/s 時，該蓄熱裝置能夠保證較高的蓄熱效率以及較短的蓄熱周期。 對于太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)，Kim D S[7]提出了一種帶有平板太陽能集熱器的風(fēng)冷太陽能吸收式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)為低溫驅(qū)動的半效循環(huán)系統(tǒng)，可在炎熱和干燥地區(qū)使用。 王志敏[8]通過實驗分析了太陽能吸收式制冷系統(tǒng)在呼和浩特地區(qū)使用時的各項性能，分析結(jié)果表明，集熱器的高性能、當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源和冷卻水溫條件等是呼和浩特地區(qū)應(yīng)用太陽能吸收式制冷的保證，當(dāng)集熱器溫度為90 ℃時，太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)總效率為0.473。 徐震原[9]提出了一種基于太陽能中低溫利用的可變效吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)蒸發(fā)溫度為5 ℃，冷卻水溫度為32 ℃時，該循環(huán)的熱源驅(qū)動溫度為83.5～110 ℃，比單效循環(huán)的熱源溫度范圍擴大了2 倍，拓寬了吸收式空調(diào)機組對熱源溫度的利用范圍。

綜上可知，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)，以及太陽能集熱器、儲能系統(tǒng)進行了大量研究。 但對太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的小型化，以及機組與住宅能耗的匹配方面，仍須進一步研究。

本文基于不同熱工分區(qū)住宅全年能耗分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用 EES （Engineering Equation Solver）軟件進行建模（制冷量10 kW），而后利用TRNSYS 軟件進行模擬仿真，最后根據(jù)模擬結(jié)果對無輔助熱源的太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的各項參數(shù)進行分析。

1 數(shù)值模擬

1.1 太陽能集熱器數(shù)值模型

為了簡化計算，本文選用了 Hotel，Woertz，Whillier 以及Bliss 提出來的平板集熱器穩(wěn)態(tài)模型[10]。

模擬過程中的假設(shè)條件：①各部件對太陽能集熱器熱容的影響可忽略不計；②太陽能集熱器處于穩(wěn)定工況；③忽略管路的熱損失；④太陽能集熱器采光面無覆蓋和遮擋；⑤在研究區(qū)域內(nèi)，忽略環(huán)境溫度和太陽輻射強度的變化。

平板型太陽能集熱器的能量平衡方程、總有效能量收集率和集熱效率的計算式分別為

式中：Qa為單位時間內(nèi)太陽能集熱器吸收的太陽輻射能，W；Ql為單位時間內(nèi)太陽能集熱器的能量損失，W；Qu為單位時間內(nèi)太陽能集熱器的有用輸出能量，W；Qs為單位時間內(nèi)太陽能集熱器熱容的變化量，W；Cp為太陽能集熱器內(nèi)工質(zhì)的定壓比熱容，取 4.19 kJ/（kg·℃）；m 為太陽能集熱器內(nèi)工質(zhì)的流量，kg/s；T11為太陽能集熱器的出口溫度，℃；T12為太陽能集熱器的進口溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；η 為太陽能集熱器的集熱效率；Aa為太陽能集熱器的采光面積，m2；I 為太陽輻射強度，kW/m2；F′為太陽能集熱器的效率因子，該參數(shù)為太陽能集熱器結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，表征吸熱體與工質(zhì)之間的傳熱性能；τ 為蓋板的太陽光透過率；α 為吸熱板的太陽光透過率；UL為太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)，W/（m2·℃）。

1.2 小型吸收式機組模型

本文基于質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程[11]建立模型。 太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)為溴化鋰水溶液。 在模擬過程中利用EES 軟件獲得溴化鋰水溶液的物性參數(shù)。

為了便于建模以及動態(tài)研究，對小型吸收式機組模型作如下假設(shè)[12]，[13]：①不計管路阻力，忽略蒸發(fā)器與吸收器之間以及發(fā)生器與冷凝器之間的壓力差；②冷凝器出口的水處于飽和狀態(tài)，蒸發(fā)器出口的蒸汽處于飽和狀態(tài)；③忽略節(jié)流損失，即節(jié)流器內(nèi)的工質(zhì)處于等焓過程；④溶液發(fā)生、吸收結(jié)束時，均處于飽和狀態(tài)； ⑤機組在穩(wěn)態(tài)工況下運行。

機組內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量平衡方程為

機組的能量平衡方程為

式中：min為溶液進口質(zhì)量流量，kg/s；mout為溶液出口質(zhì)量流量，kg/s；hin為工質(zhì)的進口比焓，kJ/kg；hout為工質(zhì)的出口比焓，kJ/kg；xin為溴化鋰水溶液的進口濃度，%；xout為溴化鋰水溶液的出口濃度，%；Qin為各部件的進口熱量，kW；Qout為各部件的出口熱量，kW；W 為溶液泵輸出功率，kW。

1.3 太陽能集熱器集熱面積的計算

在太陽能蓄熱系統(tǒng)中，太陽能集熱器的集熱面積由蓄熱系統(tǒng)負(fù)荷、集熱器類型、氣象參數(shù)、太陽輻射強度等決定。 可以將模擬系統(tǒng)中的太陽能蓄熱系統(tǒng)看作為直接加熱式太陽能熱水系統(tǒng)。

太陽能集熱器集熱面積A 的計算式為

式中：f 為太陽能保證率；Ha為太陽能集熱器單位面積上的日平均太陽輻射量，kJ/（m2·d）；cw為太陽能集熱器內(nèi)水的比熱容，取 4.19 kJ/（kg·K）；mw為太陽能集熱器內(nèi)水的質(zhì)量流量，t/h；tout為太陽能集熱器的出水溫度；tin為太陽能集熱器的進水溫度；ηl為太陽能蓄熱系統(tǒng)的熱損失率。

2 模型建立

本文基于文獻[12]，選取北京農(nóng)村某戶單層住宅作為建模的依據(jù)。

圖1 為住宅的平面圖。

圖1 住宅的平面圖Fig.1 Residential plan

本文所研究的住宅坐北朝南，該住宅由3 個房間組成，室內(nèi)總面積為70.95 m2。 住宅的外墻由厚度為20 mm 的水泥砂漿、 厚度為370 mm 的重砂漿粘土以及厚度為20 mm 的石灰砂漿（由外向內(nèi)）組成，綜合傳熱系數(shù)為 1.52 W/（m2·K）；內(nèi)墻由厚度為20 mm 的水泥砂漿、 厚度為240 mm 的重砂漿粘土以及厚度為20 mm 的石灰砂漿（由外向內(nèi)）組成，綜合傳熱系數(shù)為 1.76 W/（m2·K）；平屋面由灰泥組成，傳熱系數(shù)為 1.64 W/（m2·K）；窗戶為單層玻璃，厚度為6 mm，傳熱系數(shù)為4.7 W/（m2·K）。

客廳的熱擾設(shè)置情況見表1。 表中的內(nèi)擾系數(shù)為對應(yīng)時間段內(nèi)擾量占最大內(nèi)擾量的比例，客廳中人數(shù)的最大值為4，人均發(fā)熱量為60 W，燈光的最大功率為60 W，設(shè)備的最大功率為100 W。臥室的熱擾設(shè)置情況見表2。臥室中人數(shù)的最大值為2，人均發(fā)熱量和燈光的最大功率與客廳相同，設(shè)備的最大功率為50 W。

表1 客廳的熱擾設(shè)置情況Table 1 Living room hot disturbance setting

表2 臥室的熱擾設(shè)置情況Table 2 Bedroom heat disturbance Settings

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

建筑負(fù)荷模型搭建完成后，對每個熱工分區(qū)的各項參數(shù)進行設(shè)定，而后利用DeST 軟件對建筑負(fù)荷進行計算，得到全年逐時建筑負(fù)荷的模擬結(jié)果。

3.1 不同熱工分區(qū)的負(fù)荷模擬及分析

本文基于不同的熱工分區(qū)，分析農(nóng)村住宅的冷、熱負(fù)荷。 嚴(yán)寒地區(qū)選取哈爾濱市，寒冷地區(qū)選取北京市，夏熱冬冷地區(qū)選取上海市，夏熱冬暖地區(qū)選取廣州市。在模擬過程中，為了保持研究對象的一致性，并未根據(jù)不同地區(qū)對建筑維護結(jié)構(gòu)的要求作相應(yīng)的修改，但全年住宅能耗的變化趨勢并不會受到影響。 不同熱工分區(qū)內(nèi)住宅能耗的全年變化情況，如圖2 所示。

圖2 不同熱工分區(qū)內(nèi)住宅能耗的全年變化情況Fig.2 Comparison chart of annual heat load of residential buildings in different thermal zones

由圖2 可看出，對于嚴(yán)寒地區(qū)，住宅熱負(fù)荷的最大值為 249.54 W/m2，出現(xiàn)在 1 月 8 日，冷負(fù)荷的最大值為109.53 W/m2，出現(xiàn)在8 月16 日，為了滿足最不利情況下的負(fù)荷需求，須選定額定功率為17 kW 的熱泵機組。對于寒冷地區(qū)，熱負(fù)荷的最大值為 188.58 W/m2，出現(xiàn)在1 月19 日，冷負(fù)荷的最大值為115.56 W/m2，出現(xiàn)在 8 月3 日，因此選用額定功率為13 kW 的熱泵機組可以滿足該地區(qū)全年的供熱需求和制冷需求。 對于夏熱冬冷地區(qū)，住宅熱負(fù)荷的最大值為106.91 W/m2，出現(xiàn)在1 月10 日，冷負(fù)荷的最大值為141.5 W/m2，出現(xiàn)在8 月16 日，住宅的冷負(fù)荷比熱負(fù)荷大，應(yīng)按照冷負(fù)荷量選定熱泵機組，因此，選擇額定功率為10 kW 的熱泵機組。對于夏熱冬暖地區(qū)，熱負(fù)荷和冷負(fù)荷的最大值分別出現(xiàn)在1 月27 日和8 月14日，二者分別為 51.45，148.84 W/m2，選擇額定功率為10 kW 的熱泵機組即可滿足全年的能耗需求，由于該地區(qū)冬季的熱負(fù)荷較小，因此，可以采用太陽能集熱器與蓄熱水箱直供的方法來滿足住宅的冬季供熱。

由圖2 還可以看出，不同熱工分區(qū)內(nèi)住宅的全年能耗差別較大。對于嚴(yán)寒地區(qū)，住宅的熱負(fù)荷占據(jù)了主導(dǎo)地位，僅在7 月至9 月有制冷需求，且冷負(fù)荷平均值不高，但大部分時間內(nèi)，住宅的熱負(fù)荷大于 150 W/m2，遠遠大于夏季冷負(fù)荷（50 W/m2）。 與嚴(yán)寒地區(qū)相比，寒冷地區(qū)的熱負(fù)荷有所下降，冷負(fù)荷有所增加，冷負(fù)荷需求時間為6 月初至9 月底，住宅的冷負(fù)荷量大部分時間內(nèi)低于100 W/m2，夏季需要7 kW 的制冷量即可滿足制冷需求。 夏熱冬冷地區(qū)內(nèi)最大制冷量高于最大制熱量，冬季熱負(fù)荷指標(biāo)達到100 W/m2時，可以滿足絕大多數(shù)的熱負(fù)荷需求，因此需要7 kW 功率機組即可滿足制熱需求。 夏熱冬暖地區(qū)住宅的冷負(fù)荷占據(jù)了主導(dǎo)地位，僅在1，12 月份內(nèi)的部分時間有熱負(fù)荷，且大部分時間內(nèi)低于50 W/m2。

綜上可知，不同熱工分區(qū)內(nèi)住宅的全年能耗存在很大的差異，因此在農(nóng)村住宅中使用太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)時，應(yīng)充分考慮所在地區(qū)住宅的全年能耗[13]，兼顧住宅的冷、熱負(fù)荷，合理選擇熱泵機組的額定功率[14]。

3.2 太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)模擬與分析

3.2.1 系統(tǒng)模擬及分析

對不同熱工分區(qū)內(nèi)的住宅能耗進行分析后，選取適合使用太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的夏熱冬暖地區(qū)作為研究對象，并以廣州地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)作為天氣模擬條件，選取利用EES 軟件得到的10 kW 制冷機，以及 TRNSYS 軟件中的集熱器（type1b）和分層蓄熱水箱（type4c）作為主要部件建立制冷系統(tǒng)。

圖3 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of solar absorption refrigeration system

太陽能吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。本文選取夏季7 月30 日-8 月6 日為模擬時段，制冷運行時間為9：00-18：00。為了保證太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)能快速啟動，在該系統(tǒng)中采用了大、小儲熱水箱。 為了防止太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵頻繁啟停，確定太陽能集熱系統(tǒng)的控制策略：當(dāng)太陽能集熱器的出水溫度比蓄熱水箱的出水溫度高10 ℃時，啟動太陽能集熱器循環(huán)泵，對蓄熱罐進行蓄熱；當(dāng)蓄熱水箱的出口溫度比太陽能集熱器的出口溫度低2 ℃時，關(guān)閉太陽能集熱器循環(huán)泵；在太陽能集熱過程中，當(dāng)蓄熱水箱的溫度高于100 ℃時，關(guān)閉太陽能集熱器循環(huán)泵；當(dāng)太陽能集熱器的出口溫度或者蓄熱水箱的出口溫度達到一定溫度時，開啟太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)。

為保證熱泵機組的運行溫度，確定太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的控制策略： 發(fā)生器的控制溫度設(shè)定為85 ℃，當(dāng)蓄熱水箱的出水溫度達到85 ℃時，啟動制冷機； 當(dāng)蓄熱水箱的出水溫度低于80 ℃時，吸收式機組停止運行。

圖4 為太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)各項參數(shù)隨時間的變化情況。

圖4 太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)各項參數(shù)隨時間的變化情況Fig.4 Variation of parameters of solar energy absorption air conditioning system with time

由圖4 可知，測試時間段內(nèi)，太陽輻射強度不穩(wěn)定。 其中，7 月 30 日、8 月 2 日-4 日，單位面積的太陽輻射量的最大值較高，為882.5 W/m2。測試時間段內(nèi)，單位面積太陽輻射量的平均值為210.1 W/m2。 由圖4 還可看出，測試時間段內(nèi)的前3 天，太陽能集熱器的集熱量主要用于提升蓄熱水箱的溫度。 對于以平板太陽能集熱器驅(qū)動的太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)，7 月 30 日 （5 040～5064 h），9：00太陽能集熱系統(tǒng)啟動，18：00 蓄熱水箱出口溫度達到 73.4 ℃；7 月 31 日（5 064～5 088 h），由于太陽輻射強度較弱，經(jīng)過一整天的蓄熱，蓄熱水箱溫度達到 80.8 ℃；8 月 1 日 （5 088～5 112 h），13：00蓄熱水箱出水溫度為85 ℃，達到了太陽能集熱系統(tǒng)的啟動溫度，不過此時蓄熱水箱溫度不高，僅能維持太陽能集熱系統(tǒng)持續(xù)運行1 h，而后太陽能集熱系統(tǒng)間斷運行，15：00 蓄熱水箱溫度降至 80℃，此時達到了吸收式空調(diào)機組的最低運行溫度，該機組停止運行，18：00 蓄熱罐溫度為82 ℃；8 月2-4 日，太陽能輻射強度高，并且由于蓄熱水箱的基礎(chǔ)溫度較高，因此蓄熱水箱出水溫度能夠滿足吸收式空調(diào)機組的運行溫度，太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的運行時間可以達到7 h，基本可以滿足住宅白天的制冷需求；8 月5-6 日，由于太陽輻照強度較弱，太陽能集熱系統(tǒng)無法獲得足夠的熱量，因此太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)僅運行了約2 h。

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3.2.2 能效分析

太陽能集熱器出口溫度和發(fā)生器進口溫度隨時間的變化情況如圖5 所示。

圖5 太陽能集熱器出口溫度和發(fā)生器進口溫度隨時間的變化情況Fig.5 The change of outlet temperature of solar collector and inlet temperature of generator with time

由圖5 可知：7 月30 日，在無輔助熱源加熱的情況下，發(fā)生器進口溫度達到70 ℃左右；7 月31 日，因太陽輻射強度不夠高，蓄熱水箱溫度略有升高，達到 80 ℃；8 月 1 日，發(fā)生器進水溫度達到設(shè)定的啟動溫度85 ℃。 8 月2-4 日，太陽輻射強度較好，發(fā)生器進水溫度維持在80～90 ℃，能夠驅(qū)動機組運行。 8 月5-6 日，太陽輻照強度減弱，發(fā)生器進水溫度低于了80 ℃，無法滿足系統(tǒng)的正常運行。

本文基于蓄熱水箱出水溫度的分析結(jié)果，以及式（4）～（6），并利用 EES 軟件進行數(shù)值模擬，得到制冷機的制冷量和運行效率COP，如圖6 所示。

圖6 制冷機制冷量和COP 隨熱源溫度的變化情況Fig.6 The change of cooling capacity and COP with the temperature of heat source

由圖6 可知： 當(dāng)熱源溫度由70 ℃逐漸升高至 80 ℃時，制冷機 COP 由 0.730 逐漸增加至0.736； 當(dāng)熱源溫度由80 ℃繼續(xù)升高時，制冷機COP 反而逐漸降低，這是由于隨著熱源溫度進一步升高，制冷劑氣體的產(chǎn)生量較多，所帶來的制冷量小于提高熱源溫度所耗費的能量，因此，隨著熱源溫度進一步升高，制冷機COP 會呈現(xiàn)出逐漸下降的變化趨勢。

由圖6 還可看出，當(dāng)驅(qū)動溫度為97 ℃時，制冷機的制冷量為10 kW，達到額定制冷量，此時，制冷機COP 為0.724； 當(dāng)吸收式空調(diào)機組熱源溫度為85 ℃時，制冷機的制冷量為8 kW，能滿足用戶大多數(shù)情況下的制冷需求，此時制冷機COP 為0.733。

4 結(jié)論與展望

本文針對太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)與不同熱工分區(qū)內(nèi)農(nóng)村住宅能耗的匹配性問題進行了研究。首先，利用DeST 軟件建立了農(nóng)村住宅模型，以不同熱工分區(qū)內(nèi)的城市作為研究對象；然后，利用所建模型對不同城市住宅全年的能耗進行了模擬分析；最后，基于DeST 軟件的計算結(jié)果為依據(jù)，利用TRNSYS 軟件建立太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)數(shù)值模型，并利用模擬結(jié)果分析了7 月30 日-8 月6 日的太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，得出如下結(jié)論。

①在嚴(yán)寒地區(qū)，熱負(fù)荷占全年能耗的比重較大，且冬季的光照強度不及夏季，因此，太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)在該地區(qū)的節(jié)能效果和經(jīng)濟性均較差； 在寒冷地區(qū)，熱負(fù)荷在全年能耗的占比仍較大，在該地區(qū)應(yīng)用太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)時，須要增加輔助熱源或者儲熱性能較好的蓄熱系統(tǒng)；在夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)，制冷量占比較大，這兩個地區(qū)的太陽輻照度較大，因此，太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)適合于這兩個地區(qū)。

②太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)對太陽輻射強度的依賴性較高，在無輔助熱源的情況下，若太陽輻照強度較高，該系統(tǒng)單日可運行6 h。此外，通過改善蓄熱裝置和集熱裝置的各項性能，可以在消耗少量輔助能源的條件下，滿足夏熱冬暖地區(qū)的制冷量和供熱量。

③當(dāng)太陽能集熱器出口溫度為95 ℃時，在太陽輻射強度較高的情況下，能夠滿足吸收式空調(diào)機組的熱驅(qū)動溫度；當(dāng)驅(qū)動溫度為85 ℃時，吸收式空調(diào)機組的制冷量可達到8 kW，性能系數(shù)為0.733。