太阳能热水型制冷系统技术应用
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摘要：由于国民经济的发展以及人口结构的改变，我国实现可持续经济发展的目标面临着较大挑战。与此同时，环保问题也成为整个社会急需解决的问题之一。太阳能作为优质的可再生能源，拥有洁净、无污染、用之不竭等特点，利用太阳能设计制冷系统能够在满足制冷要求的同时最大程度降低能耗，符合可持续发展的要求。
关键词：太阳能；热水型智能系统；技术应用
一、太阳能利用技术概述
随着国内经济发展水平的日益提升，人们的生活品质与质量有了很大提升。但与此同时，环境污染、能耗大等问题越来越严重，对于整个社会及经济的可持续发展产生了不利影响。在此过程中，太阳能的使用能够有效代替其他能源，减少非必要的能源消耗，提高环保效果，也能够满足制冷需要。利用太阳能主要通过光电转换、光热转换、光化学转换等方式进行能量转换，其优点是免费，不需要运输，也不污染环境。目前，在技术领域，对太阳能转换、收集和储存等方面的应用研究取得了重大进展。太阳能的利用主要分被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式，虽然太阳能热利用有着广泛的应用领域，但主要应用范围为太阳能热发电（能源产出）和建筑用能等，具体包括采暖、空调和热水等领域。基于联合国的数据显示，按照当前人口的增长趋势，到2050年全球人口将增加到89亿。随着人口数量的变多，能源消耗自然也会变多，能耗将达到现在的三倍之多。可再生能源预计将在未来的能源占比中达到50%以上，是今天能源消耗水平的2倍之多。一些学者预估到2050年，煤炭占到国内能源消费总量的比重将达30%—50%，余下的50%—70%主要基于水力、核能与生物质，还有石油、天然气等。基于不同种类可再生能源的特点，目前相关研究已就利用太阳能作为重要能源达成共识，其根本原因在于利用太阳能进行光伏发电的优越性明显：一是其实用性以及资源的大量性及其经济性；二是良好的清洁性、安全性；三是相对大的广泛性；四是此类能源的长期性及免维护性。
二、太阳能热水型制冷系统的工作原理
对于溴化锂吸收式制冷机而言，其选取溴化锂溶液当作吸收剂，选取水当作制冷剂，通过水在高真空状态蒸发吸热实现制冷。溴化锂吸收式制冷系统主要由蒸发器、吸收器、冷凝器和发生器组成。工作流程是：吸收器中的稀释溶液通过溶液泵进入溶液热交换器，然后进入发生器。稀释溶液通过预热产生冷媒蒸汽，进入冷凝器后用节流阀冷却，转化为低温冷却水，然后进入蒸发器，滴淋在冷水管上，吸收管内热量，使冷水温度降低，变为低温水。同时冷剂水自身又蒸发成冷剂蒸汽，进入吸收器内被浓溶液吸收成为稀溶液。这种重复循环导致不断获得低温冷水，以达到最终冷却目标。
（一）溴化锂吸收式制冷机组的优缺点
1.优点
溴化锂吸收式制冷机是将热能转化为能量，利用水作为冷却液、溴化锂作为吸收剂，通过循环系统等生成冷（热）能源的装置。和其他种类的制冷机比较，其具有突出的优势：一是明显的节电效果，与其他种类的制冷设备相比，能量消耗明显减少了。机组以热能为原料，而且对热能的要求范围广，不需要消耗电能。可以利用低品位热源及废气、废热等，如高于20kPa（表压）饱和蒸汽或高于75℃的热水以及地热、太阳能等，因此运行成本大大降低。二是噪声较小。由于整个制冷机组除了屏蔽泵功耗极低之外，基本没有其他的机械功能部分，所以震动小、噪声小、工作环境安全，因此非常适合医院、电影院、酒店等场所。三是制冷机运行安全性高。制冷机组是溴化锂，运行时安全，无毒、无味、无爆炸危险，安全性高，也不会产生环境污染。四是冷气调节覆盖面大。在机组运转时，外部负荷发生变化，机组的制冷量可以在10%到100%之间进行调整，在负荷调整中单元的散热效率几乎不降低，能够灵活地适应外部负荷的变化。
2.缺点
首先，在有水分和空气的存在时，溴化锂水溶液对普通金属材料有很大的侵蚀性。其次，由于溴化锂冷却液的气密性要求较高，制冷机必须在真空中正常工作，容易透气。最后，对于冷却水的质量和要求也相当重要，对于水质较差的地区，在操作时，就必须处理好冷却水，不然将妨碍机组正常工作。
（一）制冷负荷计算
例如，在某企业研发大楼安装了新的空调系统。据估计，该科研大楼夏季的冷负荷为1164千瓦，由于研发楼层的特殊用途及当前楼层的研发人员存在特殊需要，因此只考虑夏季的负荷情况。
（二）冷源系统设计
1.主要工艺参数
经计算，冷水流量达到110m3/h，加热水流量、汽轮机抽汽压力以及水温分别达到28m3/h、0.15Mpa、220℃，使用汽轮机低压段抽气量达到1.5t/h，压缩机升级完成之后的冷却水以及汽轮机的低压段抽气通常是溴化锂机组的热源水热量的重要来源，有时也会来源于发电厂内锅炉里面的排污冷凝水。一级电站的供热用锅炉冷凝水吹除和压缩机恢复供热是二次供热来源，也就是只有进行二级升温后，才能对溴化锂制冷机组进行冷却。通过二段升温后的热水，将热源水循环泵送至溴化锂制冷机组冷却。由于锅炉排水和压缩机冷却的时间与建筑物的冷却时间不一致，为了充分利用其热量，锅炉吹除冷凝液安装储热罐，以平衡产生热量和冷却时间。溴化锂机组制冷侧采用一级变频泵流量系统，溴化锂机组定流量，末端变流量运行。供回水温度7—12℃，如表1所示。
2、冷水机组选型
以某厂家为例，确定制冷设备额定容积首先确定了以下条件：环境温度35℃，出水温度7℃，热源蒸汽压力0.5兆帕。在机组的实际使用中，在改变运行模式时，机组的制冷设备数量和相应的能耗会随环境温度和输出水温的不同而变化，因此在选择型号时应根据设计模式选择相应的机组类型。首先，必须确定热源及其功能。由于企业希望夏季降温，冬季温度适宜，因此初步确定了三种备选办法。一是任何蒸汽机组都不能同时冷却或发热，蒸汽溴化锂可用于夏季冷却，冬季可用于换热器。主要热源是通过水蒸气产生。二是热水机不能同时进行冷却或加热，可采用热水溴化锂吸收式制冷机组进行夏季冷却，冬季采用锅炉换热器，热源是热水。三是采用溴化锂直接燃耗冷却热水机组，满足夏季制冷和冬季供热需求。热量来源主要为天然气，主要考虑热源的价格、稳定性和可靠性。由于该企业为大型化工企业，企业内部有热电厂，热电厂可以利用汽轮机废气作为蒸汽热源，使用方便，同时也可以最大限度地利用资源，包括利用更环保和更经济的天然气作为热源。因此，最终选择采用蒸汽溴化锂吸收式制冷机组的方案，再加上一台冬季供热锅炉。其次，需要确定机组的技术参数。在选择吸收式制冷机组时，溴化锂应考虑制冷剂本身和水系统的损失，一般应比空调计算冷负荷大10%—15%。据测算，该研究楼夏季冷负荷为1164千瓦，所以溴化锂机组最大参数最大应为：1164ד-115%”=1339千瓦，因此，根据制冷设备基础和工艺中所含参数表，选用了1339千瓦冷负荷下溴化锂蒸汽的XZ-125型吸收式制冷装置。如表2所示：研发厂房设计水温为7℃，回水温度为12℃，冷却水量375m3/h，冷冻水量1453.5/（4.2）×999.8×5×3600=249m3/h，根据系统要求的流量和水头，可根据冷却水循环泵选择下一步的冷却水循环泵、冷却塔等装置，最后确定机器的编号和价格。根据甲方特殊要求、安装场地空间和经济性等综合因素，选用型号为XZ-125的溴化锂制冷机组。
3、板式换热器选型
在本文中，第一次预热选用水板式换热器，考虑到热源水对溴化锂吸收冷却的重要性，板换采用换热量的2×55%装机。第二次预热选择蒸汽水板式换热器，板换同样采用换热量的2×55%装机。具体参数如表3所示。
（三）水系统主要设备选型
第一，热水系统的选择。热水系统采用单级泵系统。二是机器制冷系统的选择，冷却水系统采用的是变频水泵抽水，冷却水循环水泵两用，与系统母管制连接。热源水循环水泵、冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵等，电气采用低压配电柜（盘）。管道采用普通焊接碳钢管等。热工控制采用PLC或DCS控制系统。热水型溴化锂机组、热源水循环水泵等布置在新建房屋内等。泵的参数如表4所示。
（四）投资估算和效益分析
此项目预计将耗费总资金460万元，包括安装工程花费、土建花费、设备购置成本以及其余成本，分别为145万元、35万元、170万元以及110万元。预计此项目供冷运行之后，每年节省的标准煤将达到163.49吨，根据市场统一标准煤价格550元/吨进行估算，大概一年将节约89919.5元，供冷方面根据市场统一价格约90元/m2估算，大概一年将节约88.2万元，年总节约971919.5元。此项目的年运营总花费为50万元，年净收益将达47.192万元，项目静态投资回收期大概是9.75年。同时，由于每年节省的标准煤约为163.49吨，排出的SO2、CO2等有害气体也随之变少。以上论述为常规系统采用电厂燃气轮机冷凝水余热推动溴化锂制冷机组产生的经济效益，如果采用太阳能，假定初始投资成本不变，那么每年可节约标准煤186.71吨，比使用常规热源，可以多节约23.22t/a，按照市场价计算，每年可多节约12771元，同时，对环境等的危害也降至更低。随着能源价格上涨，按照2021年底秦皇岛港口煤价普遍在1300元/t之上计算，节能效果将进一步显现。因此从长远来看，有必要大力研发更加紧凑、安全、节能的用太阳能驱动的溴化锂机组，为经济社会的可持续发展提供可选方案。
四、结论
在现代经济发展中，如何在发展经济的同时保护环境，降低能耗是实现可持续发展的关键。对太阳能的应用能够有效减少制冷系统能耗，同时提高运行效率，在满足制冷需要的同时实现节能环保。基于此，本文主要围绕太阳能热水型制冷系统技术的应用进行分析，以期为该领域的后续研究提供相应参考，促进该技术的进一步发展。
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作者:韩振兴 单位:上海环球制冷设备有限公司
