不同环境参数对太阳能供热与制冷联合循环机组热力性能的影响

随着当前能源的大量消耗，人们越来越注重节能与环保性。太阳能在时间与空间的分布规律和供热制冷高度匹配，且太阳能无任何污染，能源丰富，使得太阳能供热与制冷联合循环机组被广泛应用[1,2]。研究不同环境参数对太阳能供热与制冷联合循环机组热力性能的影响具有重要意义，能够为循环机组的设计提供有效依据[3,4]。

针对热力性能评价指标机组制冷系数、供热效率以及效率，研究不同环境参数对太阳能供热与制冷联合循环机组热力性能的影响。由于环境参数中，蒸发压力、冷凝温度、太阳辐射量最具有代表性，因此从这三个方面分别进行研究[5]。

图1 太阳能供热与制冷联合循环机组
Fig.1 Solar heating and cooling combined cycle unit

1 机组热力分析

1.1 试验装置构建

图1描述的是太阳能供热与制冷联合循环机组试验装置，其主要由太阳能制冷系统与太阳能热水系统两部分构成，与这两个系统连接的是吸附集热器复合体，其外形为板壳状结构，同时在它的中间层安装太阳能集热器芯片，图2描述的是吸附集热器复合体结构图。这里，吸附器能够采集光的区域大小为0.85 m2，采用的吸附剂重18 kg，板壳质量为14 kg，周边通过厚度为3.8 mm的聚氨酯泡沫材料进行保温。集热芯片由铜管与铝翅片组成，其中铜管直径为18 mm，铝翅片长28 mm。

图2 吸附集热器复合体结构图
Fig.2 Structure diagram of adsorbent aggregate complex

工作原理：白天将水阀门1、真空阀1以及真空阀2关闭，通过阳光照射使吸附器升温，此时其内部制冷剂压力逐渐增高，当与吸附温度对应的压力相同时，将真空阀1开启，通过冷凝器对制冷剂气体进行冷凝，将得到的冷凝液体注入贮液器，然后利用节流阀将液体精确注入蒸发器。傍晚太阳照射停止，将真空阀1关上，开水阀1开启，换热水箱中的水采用太阳能集热器芯片完成循环，把吸附器中吸附剂与壳体热量传给换热水箱，由此提升换热水箱中水的温度。在水温与吸附集热器复合体温度平衡时，打开水阀门2让水流入贮热水箱，此时打开水阀门3使用热水，若水温太高，则将水阀门3打开，使外接水箱中的冷水流入换热水箱，由此中和水温。夜间吸附器制冷剂气体压力逐渐降低，当降至与吸附温度对应压力相同时，将真空阀1与真空阀2打开，吸附集热器对蒸发器中的制冷剂进行吸附，由此实现制冷，为了防止获取的冷量散失，采用冰箱进行保温，便于使用者之后使用。在吸附时，对于产生的吸附热量，可采用集热器芯片把其传至换热水箱里。

根据上述内容可知，在安装太阳能集热器芯片后，可把吸附器中吸附热量以及外壳热量循环传至换热水箱，这样在夜晚制冷时不用在玻璃盖上开窗口，吸附器散热问题可得到有效处理。最关键的是，吸附器中的热量能够被充分的利用。最终，完成对于试验装置的构建。

1.2 机组模型

利用上文构建的试验装置，对太阳能供热与制冷联合循环机组模型进行构建，首先构建热机模型，热机能在发生器热源与吸附器冷源间正常工作[6,7]，按照热机模型构建构成对冷机模型进行构建，无需赘述。

热机能够在热容为Cg的发生器热源Hg与热容为Ca的吸附器冷源Ha间正常工作[8]。用Wg表示单位时间热机在发生器热源吸取的热量，用Wa表示单位时间热机对吸附器冷源传递的热量，二者可通过下式描述：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，依次用于描述发生器与吸附器的工质温度；δg、δa依次用于描述发生器与吸附器的效能；λg、λa依次用于描述发生器与吸附器的热导率。

根据热力学第一定律[9]，能够确定循环的输出功率，即：

P=Wg-Wa

(5)

根据热力学第二定律[10]，可知循环中的熵产率ΔErg,in不小于0，公式描述如下：

(6)

为了防止量化过程中不可逆性对循环效果造成干扰，将引用参数Lrg，其表达式为[11]

(7)

式(7)中，ΔEg表示等温过程流入工质的熵流率；ΔEa等温过程流出工质的熵流率。这里，0<Lrg≤1，若Lrg=1，则表示循环为可逆；若0<Lrg<1，则表示循环为不可逆。

在给出发生器吸热率Wg和循环的输出功率P的情况下，通过式(8)可求出热效率，将该值最大化为目标函数，构建热机模型：

(8)

1.3 机组热力分析

根据上文构建的构建热机模型，太阳能供热与制冷联合循环机组循环过程用图3进行描述。

图3 循环过程示意图
Fig.3 Schematic diagram of cycle process

假设机组处于稳定状态，太阳能集热器、冷凝器等装置和环境无热交换，冷凝器出口工质是饱和液体[12,13]，则机组热力分析如下：

1.3.1 过程1-2

工质在泵升压作用下被传输至太阳能集热器中，预期是1～2 s，在泵加压的过程中，工质接收的外功可通过式(9)求出：

(9)

式(9)中，JP,ide表示泵的理想功耗；χp表示泵等熵效表示集热器内工质的质量流量。

通过式(10)对泵的不可逆损失进行计算：

(10)

1.3.2 过程2-4

太阳能集热器把太阳能转变成热能，对有机工质进行加热处理，形成高温高压的蒸汽，工质吸收热量可描述成

(11)

太阳能集热器不可逆损失计算公式如下：

(12)

式(12)中，T0表示初始温度；TA表示高温热源平均温度。

1.3.3 过程4-5

蒸汽驱动汽轮机旋转，同时使发电机发电，形成的蒸汽温度明显减少。在理想情况下，汽轮机膨胀是可逆绝热的[15,16]，在此期间，工质对外做的功可描述成

(13)

通过式(14)对汽轮机输出的有效功进行计算：

J=JTχm

(14)

式(14)中，JT,ide表示汽轮机的理想功耗；χT表示汽轮机等熵效率，χm表示汽轮机的机械效率。

由此确定汽轮机内的不可逆损失，其计算公式如下：

(15)

1.3.4 过程5-1

由汽轮机出来的低温低压工质经冷凝器处理后变成液体，冷凝时工质放出的热量可描述成：

(16)

对于冷凝器内的不可逆损失通过式(17)求出：

(17)

式(17)中，TC表示冷源温度。

1.3.5 计算循环的热效率

公式如下：

(18)

1.3.6 计算系统总不可逆损失

公式如下：

(19)

通过以上步骤完成对于机组的热力分析。

2 机组热力性能试验研究

2.1 热力性能评价指标

热力性能评价指标主要有机组制冷系数、供热效率以及效率[17]。

太阳能供热与制冷联合循环机组有两种输出功能，其中一种是制冷效应，其性能指标即为制冷系数[18]，计算公式如下：

(20)

式(20)中，i(t)用于描述太阳辐射强度；用于描述太阳一天内辐射总量；Qref用于描述制冷量；Qcc用于描述制冷剂由冷凝温度冷却至蒸发温度期间散发的热量；Ac用于描述采光面积。

在循环机组被冷却至对应蒸发压力的情况下，吸附剂吸附新的制冷剂，以实现蒸发制冷，同时形成吸附热。制冷量可通过式(21)求出：

Qref=ΔxMaLe

(21)

式(21)中，Ma用于描述吸附剂质量；Le用于描述制冷剂的汽化潜热；Δx=xconl-xdil，xconl、xdil依次用于描述脱附前和吸附前吸附剂对制冷剂的吸附量。

太阳能供热与制冷联合循环机组另一种输出功能是供热效应，其性能指标是供热效率，计算公式如下：

(22)

式(22)中，MH2O用于描述水的质量；cH2O用于描述水的比热容。

效率计算公式如下：

(23)

式(23)中，Er用于描述系统输入；Wnet用于描述机组发电量，Ee用于描述向外输出的冷量，二者之和为输出。效率从第二定律的角度研究机组热力性能，为工质做工性能的物理量体现，效率能够从能量质量的角度体现能量传输时系统做功性能。最终，确定出机组的热力性能评价指标。

2.2 模型验证

依照机组制冷系数、供热效率以及效率等评价指标，使用本文模型验证不同环境参数对机组热力性能的影响。首先，本文选择400 MW的联合循环机组，利用制冷系数公式、供热效率公式、效率计算公式等得出循环机组的各项实际值。为了检验本文模型的真实可靠性，将模型得出的数值结果与实际的数值结果进行比较，比较结果如表1所示。

表1 本文模型数值结果和实际结果比较
Table 1 Comparison between numerical results and practical results in this paper

根据表1中的数据能够得知，本文建立模型得出的数值结果和所对应实际结果基本一致，上下误差不超过0.03。因此，可以说明本文建立的热力学模型能够有效体现出不同环境参数下对实际机组热力性能的影响情况。

2.3 蒸发压力对机组热力性能的影响

在太阳能供热与制冷联合循环机组中，蒸发压力对发电量与制冷量有直接影响。因此使用本文模型，首先分析随着蒸发压力的改变，机组吸热量、制冷量与净输出功的变化情况，如图4所示。

图4 机组吸热量、制冷量与净输出功随蒸发压力的改变情况
Fig.4 The change of heat absorption, refrigerating capacity and net output power of the unit with evaporation pressure

根据图4能够得知，在其余条件保持不变的状态下，当机组蒸发压力逐渐升高时，蒸发器吸热量将越来越低，这主要是因为蒸发压力升高，会导致工质质量流量降低，使得从热源位置处吸收的换热量降低，也表明随着压力的升高，热源利用率越低。而机组净输出当蒸发压力达到2 MPa时达到最高，然后逐步呈下降趋势。制冷量却一直处于升高趋势。

之后，对太阳能供热与制冷联合循环机组热力性能进行试验，得出的机组热效率、效率、制冷系数改变情况如图5所示。

图5 系统不同热力性能指标随蒸发压力的改变情况
Fig.5 The change of different thermal performance indexes of the system with evaporation pressure

分析图5可知，随着蒸发压力的逐渐升高，机组热效率、效率以及制冷系数均呈升高趋势。机组不同热力性能评价指标的改变一方面是因为净输出供与制冷量累计值处于不断升高的状态中，另一方面是因为机组从热源吸收的热量降低，损降低，效率增强。

2.4 冷凝温度对机组热力性能的影响

在太阳能供热与制冷联合循环机组中，将冷凝器出口饱和液态工质温度当成冷凝温度进行研究。机组工作时，差异冷凝温度对应差异冷凝压力，对汽轮机背压产生影响，造成净输出功出现改变。在制冷时，冷凝压力变化会导致引射器混合流体出口压力出现改变，对机组制冷量产生影响。

在机组其余参数保持不变的情况下，令机组压力是4 MPa，把冷凝温度从20 ℃升高至30 ℃，机组蒸发器吸收量、净输出功、制冷量随冷凝温度的改变情况用图6进行描述。

图6 机组蒸发器吸收量、净输出功、制冷量随冷凝温度的改变情况
Fig.6 Changes of absorption capacity, net output power and refrigerating capacity of evaporator in unit with condensing temperature

分析图6可以看出，冷凝温度的升高会导致蒸发器吸热量在一定程度上有所降低，然而影响程度较小。在机组工作时，工质冷凝温度的升高会造成汽轮机背压增加，汽轮机膨胀比降低，造成机组净输出功降低。冷凝温度增加时，机组净输出功与制冷量的降低会造成机组不同热力性能评价指标降低，结果用图7进行描述。

图7 机组不同热力性能指标随冷凝温度的改变情况
Fig.7 The change of different thermal performance indexes of condensing units with condensation temperature

分析图7可知，当冷凝温度为26 ℃时，机组热效率、机组效率与制冷系数都达到最大，分别为25%、47%、3。但随着冷凝温度的不断增加，机组热效率逐渐降低，机组效率与制冷系数也都呈下降趋势。

2.5 机组热力性能随太阳辐射量的变化情况

在太阳辐射量逐渐升高的情况下，蓄热水箱中的水储存热量逐渐增多，温度逐渐升高。试验在晴天进行，对制冷系数、热效率与效率进行计算，结果用图8进行描述。

图8 机组热力性能随太阳辐射量的改变情况
Fig.8 Variation of thermal performance of unit with solar radiation

分析图8可知，机组热力性能和太阳辐射量有关，在一天内随着时间的推移，太阳辐射量的逐渐升高，机组制冷系数、热效率和效率均有所升高。当时间超过12点后，虽然太阳辐射量降低，但水箱中水的温度仍逐渐增加，使得制冷系数、热效率和效率没有降低，反而在一定程度上有所升高，说明太阳能供热与制冷联合循环机组热力性能高。

3 结论

研究不同环境参数对太阳能供热与制冷联合循环机组热力性能的影响，将机组制冷系数、供热效率以及效率作为机组热力性能评价指标，从蒸发压力、冷凝温度、太阳辐射量三个方面进行相关试验，结果发现：

建立模型数值结果和对应实际结果基本一致，说明建立热力学模型可有效体现实际机组的热力情况。

随着蒸发压力的逐渐升高，机组热效率、效率以及制冷系数均呈升高趋势。

冷凝温度升高时，机组热效率逐渐降低，机组效率与制冷系数也呈下降趋势。

机组热力性能和太阳辐射量有关，在一天内，随着太阳辐射量的逐渐升高，机组制冷系数、热效率和效率均有所升高，且在太阳辐射量降低的情况下，水箱中水的温度仍逐渐增加，使得制冷系数、热效率和效率没有降低，反而在一定程度上有所升高。

综上，不同的环境参数对太阳能供热与制冷联合循环机组热力性能有一定影响，并且随着参数的提高，且热力性能较高。