太陽能熱水型制冷系統(tǒng)技術應用
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摘要：由于國民經(jīng)濟的發(fā)展以及人口結構的改變，我國實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的目標面臨著較大挑戰(zhàn)。與此同時，環(huán)保問題也成為整個社會急需解決的問題之一。太陽能作為優(yōu)質的可再生能源，擁有潔凈、無污染、用之不竭等特點，利用太陽能設計制冷系統(tǒng)能夠在滿足制冷要求的同時最大程度降低能耗，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
關鍵詞：太陽能；熱水型智能系統(tǒng)；技術應用
一、太陽能利用技術概述
隨著國內經(jīng)濟發(fā)展水平的日益提升，人們的生活品質與質量有了很大提升。但與此同時，環(huán)境污染、能耗大等問題越來越嚴重，對于整個社會及經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。在此過程中，太陽能的使用能夠有效代替其他能源，減少非必要的能源消耗，提高環(huán)保效果，也能夠滿足制冷需要。利用太陽能主要通過光電轉換、光熱轉換、光化學轉換等方式進行能量轉換，其優(yōu)點是免費，不需要運輸，也不污染環(huán)境。目前，在技術領域，對太陽能轉換、收集和儲存等方面的應用研究取得了重大進展。太陽能的利用主要分被動式利用（光熱轉換）和光電轉換兩種方式，雖然太陽能熱利用有著廣泛的應用領域，但主要應用范圍為太陽能熱發(fā)電（能源產(chǎn)出）和建筑用能等，具體包括采暖、空調和熱水等領域。基于聯(lián)合國的數(shù)據(jù)顯示，按照當前人口的增長趨勢，到2050年全球人口將增加到89億。隨著人口數(shù)量的變多，能源消耗自然也會變多，能耗將達到現(xiàn)在的三倍之多。可再生能源預計將在未來的能源占比中達到50%以上，是今天能源消耗水平的2倍之多。一些學者預估到2050年，煤炭占到國內能源消費總量的比重將達30%—50%，余下的50%—70%主要基于水力、核能與生物質，還有石油、天然氣等。基于不同種類可再生能源的特點，目前相關研究已就利用太陽能作為重要能源達成共識，其根本原因在于利用太陽能進行光伏發(fā)電的優(yōu)越性明顯：一是其實用性以及資源的大量性及其經(jīng)濟性；二是良好的清潔性、安全性；三是相對大的廣泛性；四是此類能源的長期性及免維護性。
二、太陽能熱水型制冷系統(tǒng)的工作原理
對于溴化鋰吸收式制冷機而言，其選取溴化鋰溶液當作吸收劑，選取水當作制冷劑，通過水在高真空狀態(tài)蒸發(fā)吸熱實現(xiàn)制冷。溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器和發(fā)生器組成。工作流程是：吸收器中的稀釋溶液通過溶液泵進入溶液熱交換器，然后進入發(fā)生器。稀釋溶液通過預熱產(chǎn)生冷媒蒸汽，進入冷凝器后用節(jié)流閥冷卻，轉化為低溫冷卻水，然后進入蒸發(fā)器，滴淋在冷水管上，吸收管內熱量，使冷水溫度降低，變?yōu)榈蜏厮Ｍ瑫r冷劑水自身又蒸發(fā)成冷劑蒸汽，進入吸收器內被濃溶液吸收成為稀溶液。這種重復循環(huán)導致不斷獲得低溫冷水，以達到最終冷卻目標。
（一）溴化鋰吸收式制冷機組的優(yōu)缺點
1.優(yōu)點
溴化鋰吸收式制冷機是將熱能轉化為能量，利用水作為冷卻液、溴化鋰作為吸收劑，通過循環(huán)系統(tǒng)等生成冷（熱）能源的裝置。和其他種類的制冷機比較，其具有突出的優(yōu)勢：一是明顯的節(jié)電效果，與其他種類的制冷設備相比，能量消耗明顯減少了。機組以熱能為原料，而且對熱能的要求范圍廣，不需要消耗電能。可以利用低品位熱源及廢氣、廢熱等，如高于20kPa（表壓）飽和蒸汽或高于75℃的熱水以及地熱、太陽能等，因此運行成本大大降低。二是噪聲較小。由于整個制冷機組除了屏蔽泵功耗極低之外，基本沒有其他的機械功能部分，所以震動小、噪聲小、工作環(huán)境安全，因此非常適合醫(yī)院、電影院、酒店等場所。三是制冷機運行安全性高。制冷機組是溴化鋰，運行時安全，無毒、無味、無爆炸危險，安全性高，也不會產(chǎn)生環(huán)境污染。四是冷氣調節(jié)覆蓋面大。在機組運轉時，外部負荷發(fā)生變化，機組的制冷量可以在10%到100%之間進行調整，在負荷調整中單元的散熱效率幾乎不降低，能夠靈活地適應外部負荷的變化。
2.缺點
首先，在有水分和空氣的存在時，溴化鋰水溶液對普通金屬材料有很大的侵蝕性。其次，由于溴化鋰冷卻液的氣密性要求較高，制冷機必須在真空中正常工作，容易透氣。最后，對于冷卻水的質量和要求也相當重要，對于水質較差的地區(qū)，在操作時，就必須處理好冷卻水，不然將妨礙機組正常工作。
（一）制冷負荷計算
例如，在某企業(yè)研發(fā)大樓安裝了新的空調系統(tǒng)。據(jù)估計，該科研大樓夏季的冷負荷為1164千瓦，由于研發(fā)樓層的特殊用途及當前樓層的研發(fā)人員存在特殊需要，因此只考慮夏季的負荷情況。
（二）冷源系統(tǒng)設計
1.主要工藝參數(shù)
經(jīng)計算，冷水流量達到110m3/h，加熱水流量、汽輪機抽汽壓力以及水溫分別達到28m3/h、0.15Mpa、220℃，使用汽輪機低壓段抽氣量達到1.5t/h，壓縮機升級完成之后的冷卻水以及汽輪機的低壓段抽氣通常是溴化鋰機組的熱源水熱量的重要來源，有時也會來源于發(fā)電廠內鍋爐里面的排污冷凝水。一級電站的供熱用鍋爐冷凝水吹除和壓縮機恢復供熱是二次供熱來源，也就是只有進行二級升溫后，才能對溴化鋰制冷機組進行冷卻。通過二段升溫后的熱水，將熱源水循環(huán)泵送至溴化鋰制冷機組冷卻。由于鍋爐排水和壓縮機冷卻的時間與建筑物的冷卻時間不一致，為了充分利用其熱量，鍋爐吹除冷凝液安裝儲熱罐，以平衡產(chǎn)生熱量和冷卻時間。溴化鋰機組制冷側采用一級變頻泵流量系統(tǒng)，溴化鋰機組定流量，末端變流量運行。供回水溫度7—12℃，如表1所示。
2、冷水機組選型
以某廠家為例，確定制冷設備額定容積首先確定了以下條件：環(huán)境溫度35℃，出水溫度7℃，熱源蒸汽壓力0.5兆帕。在機組的實際使用中，在改變運行模式時，機組的制冷設備數(shù)量和相應的能耗會隨環(huán)境溫度和輸出水溫的不同而變化，因此在選擇型號時應根據(jù)設計模式選擇相應的機組類型。首先，必須確定熱源及其功能。由于企業(yè)希望夏季降溫，冬季溫度適宜，因此初步確定了三種備選辦法。一是任何蒸汽機組都不能同時冷卻或發(fā)熱，蒸汽溴化鋰可用于夏季冷卻，冬季可用于換熱器。主要熱源是通過水蒸氣產(chǎn)生。二是熱水機不能同時進行冷卻或加熱，可采用熱水溴化鋰吸收式制冷機組進行夏季冷卻，冬季采用鍋爐換熱器，熱源是熱水。三是采用溴化鋰直接燃耗冷卻熱水機組，滿足夏季制冷和冬季供熱需求。熱量來源主要為天然氣，主要考慮熱源的價格、穩(wěn)定性和可靠性。由于該企業(yè)為大型化工企業(yè)，企業(yè)內部有熱電廠，熱電廠可以利用汽輪機廢氣作為蒸汽熱源，使用方便，同時也可以最大限度地利用資源，包括利用更環(huán)保和更經(jīng)濟的天然氣作為熱源。因此，最終選擇采用蒸汽溴化鋰吸收式制冷機組的方案，再加上一臺冬季供熱鍋爐。其次，需要確定機組的技術參數(shù)。在選擇吸收式制冷機組時，溴化鋰應考慮制冷劑本身和水系統(tǒng)的損失，一般應比空調計算冷負荷大10%—15%。據(jù)測算，該研究樓夏季冷負荷為1164千瓦，所以溴化鋰機組最大參數(shù)最大應為：1164ד-115%”=1339千瓦，因此，根據(jù)制冷設備基礎和工藝中所含參數(shù)表，選用了1339千瓦冷負荷下溴化鋰蒸汽的XZ-125型吸收式制冷裝置。如表2所示：研發(fā)廠房設計水溫為7℃，回水溫度為12℃，冷卻水量375m3/h，冷凍水量1453.5/（4.2）×999.8×5×3600=249m3/h，根據(jù)系統(tǒng)要求的流量和水頭，可根據(jù)冷卻水循環(huán)泵選擇下一步的冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔等裝置，最后確定機器的編號和價格。根據(jù)甲方特殊要求、安裝場地空間和經(jīng)濟性等綜合因素，選用型號為XZ-125的溴化鋰制冷機組。
3、板式換熱器選型
在本文中，第一次預熱選用水板式換熱器，考慮到熱源水對溴化鋰吸收冷卻的重要性，板換采用換熱量的2×55%裝機。第二次預熱選擇蒸汽水板式換熱器，板換同樣采用換熱量的2×55%裝機。具體參數(shù)如表3所示。
（三）水系統(tǒng)主要設備選型
第一，熱水系統(tǒng)的選擇。熱水系統(tǒng)采用單級泵系統(tǒng)。二是機器制冷系統(tǒng)的選擇，冷卻水系統(tǒng)采用的是變頻水泵抽水，冷卻水循環(huán)水泵兩用，與系統(tǒng)母管制連接。熱源水循環(huán)水泵、冷凍水循環(huán)水泵、冷卻水循環(huán)水泵等，電氣采用低壓配電柜（盤）。管道采用普通焊接碳鋼管等。熱工控制采用PLC或DCS控制系統(tǒng)。熱水型溴化鋰機組、熱源水循環(huán)水泵等布置在新建房屋內等。泵的參數(shù)如表4所示。
（四）投資估算和效益分析
此項目預計將耗費總資金460萬元，包括安裝工程花費、土建花費、設備購置成本以及其余成本，分別為145萬元、35萬元、170萬元以及110萬元。預計此項目供冷運行之后，每年節(jié)省的標準煤將達到163.49噸，根據(jù)市場統(tǒng)一標準煤價格550元/噸進行估算，大概一年將節(jié)約89919.5元，供冷方面根據(jù)市場統(tǒng)一價格約90元/m2估算，大概一年將節(jié)約88.2萬元，年總節(jié)約971919.5元。此項目的年運營總花費為50萬元，年凈收益將達47.192萬元，項目靜態(tài)投資回收期大概是9.75年。同時，由于每年節(jié)省的標準煤約為163.49噸，排出的SO2、CO2等有害氣體也隨之變少。以上論述為常規(guī)系統(tǒng)采用電廠燃氣輪機冷凝水余熱推動溴化鋰制冷機組產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，如果采用太陽能，假定初始投資成本不變，那么每年可節(jié)約標準煤186.71噸，比使用常規(guī)熱源，可以多節(jié)約23.22t/a，按照市場價計算，每年可多節(jié)約12771元，同時，對環(huán)境等的危害也降至更低。隨著能源價格上漲，按照2021年底秦皇島港口煤價普遍在1300元/t之上計算，節(jié)能效果將進一步顯現(xiàn)。因此從長遠來看，有必要大力研發(fā)更加緊湊、安全、節(jié)能的用太陽能驅動的溴化鋰機組，為經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展提供可選方案。
四、結論
在現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展中，如何在發(fā)展經(jīng)濟的同時保護環(huán)境，降低能耗是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。對太陽能的應用能夠有效減少制冷系統(tǒng)能耗，同時提高運行效率，在滿足制冷需要的同時實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。基于此，本文主要圍繞太陽能熱水型制冷系統(tǒng)技術的應用進行分析，以期為該領域的后續(xù)研究提供相應參考，促進該技術的進一步發(fā)展。
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作者:韓振興 單位:上海環(huán)球制冷設備有限公司
