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由太阳能驱动供住宅使用的新型LiBr–H2O吸收式冷水机组设计原型
摘要：在这项研究中，在一个创新的太阳能驱动、直接空冷、单效、4.5千瓦的溴化锂/水吸收式制冷机原型上进行了试验。目的是给位于马德里的一个40平米的房间安装空调。太阳能设施包括一个真空平板集热器场，总孔径面积为42.2平方米，一个25千瓦的外部板式热交换器和一个1.5立方米的储罐。本文详细报告了研究结果，包括室外干球温度在30至37.7℃之间的一天的太阳能冷却设施温度和热功率、太阳能份额、COP和SCOP值。还给出了整个试验的每日结果。即使当发生器进料温度达到109℃时，原型内部也没有出现溶液结晶问题。最低冷冻水温度达到14.3℃，平均COP和SCOP含量值分别为0.53和0.06。这项研究是一个更大项目的一部分，该项目的目标是在住宅建筑中使用太阳能作为风冷吸收式制冷机的热源。
2011 Elsevier B.V .保留所有权利
命名法
A 面积(㎡)
COP 性能系数(-)
Cp 比热（J/kg℃）
E 能量(kWh)
G 太阳辐照度(W/m2)
H 每日太阳辐照能(kWh/m2)
m 质量流率（kg/s）
Q 热负荷（kW）
SCOP 太阳能性能系数（-）
SF 太阳能占比（%）
SFP 太阳能设备性能（-）
t 温度（℃）
W 电功率（kW）
下标
a 吸收器
a c 吸收器和冷凝器
c 冷凝器
col 集电极
conv 转换
chill 冷却
cd 冷却需求
e 蒸发器
elec 电
fcol 收集器流体
fsec 次级回路流体
fter 第三回路流体
g 发生器
icol 集热器入口
ie 蒸发器入口
ig 发电机入口
in 室内
itank 储罐入口（自二次回路）
max 最大值
min 最小值
oair 出风口
ocol 收集器出口
odb 室外干球温度
oe 蒸发器出口
ofc 风机盘管出口
og 发电机出口
otank 储罐出口（至二次回路）
prot 原型
t 倾斜度
tg 目标
th 热量
tank 储罐
W 水
希腊字母
eta; 效率
- 引言
科学界对能源消耗和GHG排放的担忧促使欧洲当局近年来采取了一系列措施。因此，欧洲议会通过了关于建筑物能源性能的第2002/91/CE号指令，以降低能耗和二氧化碳排放。其中，该指令涉及南欧国家机械压缩系统空调数量的增加，伴随而来的是电力系统的日间过载，以及优先考虑改善夏季建筑热性能的策略的需要[1]。2008年，欧洲议会颁布了旨在到2020年实现三重目标的立法:二氧化碳排放量减少20%，能效提高20%，可再生能源在欧盟消费中的份额达到20%。除了这项立法，这些目标应该通过鼓励在电力、供暖和制冷领域中使用可再生能源来实现[2]。
吸收式制冷机是试图减轻对电力的依赖(特别是在夏季过载期间)和环境问题的一个例子[3]。一方面，由于没有机械压缩机，这些冷却器可以利用余热或太阳能作为能源，另一方面，它们的工作流体由对环境无害的溶液(如NH3-H2O和LiBr-H2O)组成。单效吸收式制冷机在一次能源方面的效率低于风冷机械压缩式制冷机[4]。因此，当由商业燃料提供动力时，它们不是可行的解决方案。然而，当由太阳能驱动时，它们构成了一个值得探索的选择。最近，在保护环境的努力和新组件和系统的开发的支持下，太阳能收集器驱动的吸收式制冷机取得了进展[5–12]。太阳能冷却设施的主要优点是，当太阳辐射最强烈时(夏季)，冷却需求最高。这些设施遇到的主要问题包括它们对环境变量的依赖，如室外温度、太阳辐照度和风速，以及它们的高初始成本。太阳能制冷系统还不能与传统空调系统在经济上竞争，因为太阳能系统比传统的机械压缩设备运行成本更高[6，13]。尽管如此，当该设施设计用于夏季和冬季的空间供暖和太阳能家用热水(SDHW)，这些成本可以降低[14]。
在西班牙，2006年中低温热需求总量(t lt; 250℃)达到258 TWh，占总量的23%。服务部门(8.6%)和住宅部门(2.4%)的空调用热占该需求的11%。2006年，欧洲大约有70个太阳能热空调设施在运行，大部分在德国和西班牙。其中，59%配备了吸收式制冷机，11%配备了吸附式制冷机，23%配备了干燥剂系统[15]。Sparber等人估计太阳能总冷却能力约为9兆瓦，总集热器面积约为23，720平方米[16]。亨宁根据实际使用不同应用和收集器的设施提供的信息，计算出吸收系统的特定收集器面积为2.5平方米/千瓦[15]。根据Eicker和Pietruschka 进行的数值模拟，如果发电机在80℃下运行，马德里需要3平方米/千瓦的孔径面积才能达到80%的太阳能利用率[17]。
使用气冷式吸收式制冷机，即没有冷却塔的系统，不仅可以防止军团菌病（一种肺部疾病，通过污水与空调系统传播），还可以节约水、维护费用和空间，这是住宅区的关键考虑因素。缺点是需要特殊设计来减小组件尺寸[18]。文献包含水冷太阳能溴化锂吸收式制冷机的实验结果[19–23]。太阳能驱动、气冷式溴化锂/水吸收式制冷机的例子也有描述[24，25]。据作者所知，只有两台风冷溴化锂/水吸收式制冷机进入市场:一台35千瓦的双效机器，标称热性能系数为0.85 [26]，一台4.5千瓦的单效间接风冷冷水机组，额定热性能系数为0.67 [25]，目前两者都无法通过商业手段购买。尽管如此，对可行的商业风冷吸收式制冷机的追求并没有减弱，研究仍在继续[27，28]。
本文介绍了一种创新的直接空冷吸收式冷凝器，低功耗、单效溴化锂/水吸收式制冷机原型，该吸收式制冷机由太阳能设备驱动，采用真空平板太阳能集热器。原型性能从外部流体的角度进行评估。在论文的第一部分中，我们深入地讨论了在一个炎热的日子里，最大外侧干球温度为37.7℃的设备的工艺温度、传热速率和性能。第二部分报告了2009年夏天进行的为期10天的实验的每日总结。这项研究是一个更大项目的一部分，该项目的目标是在住宅建筑中使用太阳能作为风冷吸收式制冷机的热源。
图1 太阳能驱动吸收式制冷设备示意图
- 太阳能驱动吸收式制冷设备的说明
该设施(图1)包括一个太阳能热电厂、一个直接空冷单效溴化锂/水吸收式制冷机原型和一个风机盘管。其目的是在爱德华多·托罗哈建筑科学研究所(IETcc西班牙国家研究委员会机构)拥有的热泵实验室中调节一个40平方米的房间，面积80平方米，总体积240立方米，位于马德里东南部的阿尔甘达·德尔·雷伊镇，纬度40°18′。舒适罐的温度设定在23–25℃，该温度范围在2009年生效的《西班牙建筑热设施法规》中有规定[29]。
2.1. 太阳能热电厂
太阳能装置有三个液压回路，其主要部件如下：
·主回路包括24个真空平板太阳能收集器，总孔径面积为42.2平方米。据制造商称，集光器的光学效率为0.81，一阶热损失系数为2.61W/m2K，二阶热损失系数为0.008W/m2K2。数据显示，机器倾斜了30°角的水平，排列成四组六个，面向南面。热流体是30%乙二醇水溶液，标称流速为mfol=0.47千克/秒。一个295瓦的泵(P1)驱动热流体通过太阳能收集器，然后到达一个25千瓦的板式热交换器(PHE)的热端，该热交换器用30毫米厚的聚乙烯膜与外部隔离。在PHE，一回路热流体将热量传递给二回路热流体。
·二次回路由PHE的冷端、一个275瓦的泵(P2)和一个1.5立方米的储罐组成，总传热系数为0.45W/m2K。热流体是10%乙二醇水溶液，标称流速为mfsec= 0.36 kg/s。
·第三回路包括上述储罐、一个110瓦的泵(P3)、一个用于散热的11千瓦辅助风机盘管(散热器)和原型发电机。在试验中，P3以质量流量mfter= 0.28千克/秒的速度将10%的乙二醇从储罐泵送到原型发生器。
2.2. 吸收式制冷机原型
这是一台直接风冷单效溴化锂/水吸收式制冷机原型，标称冷却能力为4.5千瓦，尺寸为1立方米。建造于前述热泵实验室，原型受专利保护[30]。它的主要部件包括一个发生器、一个冷凝器、一个蒸发器、一个吸收器、一个翅片管换热器(以下简称为换热器(FTHE))、一个回热器、两个溶液泵和一个风扇。在回热器(PHE)中，来自发生器的溴化锂/水溶液将热量传递给来自吸收器的溴化锂/水溶液。有了这个PHE将带来两个好处。一方面，发生器的溶液入口温度越高，COP值越好。另一方面，吸收器入口溶液温度越低，制冷剂吸收过程进行得越好[31]。
原型的示意图如图2所示。该样机和市场上的单效吸收式制冷机的两个主要区别如下：
·直接空冷系统:现在市场上的溴化锂吸收式制冷机都是水冷的。这意味着吸收和冷凝热(Qa Qc)通过冷却塔转移到室外空气中。然而，这个原型通过强制对流将Qa和Qc直接转移到外部空气中。
·绝热扁平扇形板吸收器。该装置因其在气冷和水冷吸收式制冷机中的应用而获得专利[32]。在吸收室中，仅发生质量传递，发现平风扇片结构的传质系数比降膜(通常用于商用冷却器)和喷雾吸收器高一个数量级[33]。溶液从吸收器被泵送到FTHE，在那里通过强制对流将吸收热传递(Qa)排到室外空气中，然后返回吸收器。超临界热交换器中溶液达到的过冷提高了其对制冷剂蒸汽的亲和力[34]，这增强了吸收器中的吸收过程。
图2 原型原理图
原型作为一个整体进行了评估，结果是通过外部流体的立场获得的。内部工作流体是不含添加剂的溴化锂/水溶液，外部流体是冷热液压回路和室外空气。
·热回路:从储罐(mfter)抽取的10%乙二醇溶液在tig温度下进入原型发生器。在发生器中，它将Qg转移到溶液中，并将其温度降至tog。
·冷却回路:泵(P4，图1)将待冷却的水(mchill)输送至蒸发器。在那里，Qe被转移到制冷剂中，将冷却水的温度降低。然后水从蒸发器被抽到房间进行空气调节。
·室外空气:空气质量流量(mair)交叉流动，首先通过FTHE，然后通过冷凝器。在这个过程中，空气温度从30度上升到40度。
图3显示了太阳能集热器场、储罐和直接空冷原型。
- 环境变量
太阳能设施于2009年夏天进行了为期十天的测试。8月28日是一个特别热的日子，这一天的主要天气条件在下面的3.1节中讨论，而10个试验日中每一天最重要的变量在3.2节中总结。
3.1. 炎热天气
考虑的环境变量是倾斜表面上的太阳辐照度Gt(图4)和todb(图5)。这些变量被记录在一个气象站，气象站根据每2秒钟的读数计算每个变量的10分钟平均值。最后，按照Izquierdo等人[25]所述计算的日冷负荷(Qcd)绘制在图6中。Qcd峰值为4.6千瓦，工作时间(上午9:00-下午7:00，太阳时)的冷却能量需求为Ecd-worktime= 43.5千瓦时。
3.2. 试用期间
表1给出了倾斜表面上的每日太
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