太陽(yáng)能熱水型制冷系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

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摘要：由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口結(jié)構(gòu)的改變，我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)面臨著較大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，環(huán)保問(wèn)題也成為整個(gè)社會(huì)急需解決的問(wèn)題之一。太陽(yáng)能作為優(yōu)質(zhì)的可再生能源，擁有潔凈、無(wú)污染、用之不竭等特點(diǎn)，利用太陽(yáng)能設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)能夠在滿足制冷要求的同時(shí)最大程度降低能耗，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；熱水型智能系統(tǒng)；技術(shù)應(yīng)用

一、太陽(yáng)能利用技術(shù)概述

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的日益提升，人們的生活品質(zhì)與質(zhì)量有了很大提升。但與此同時(shí)，環(huán)境污染、能耗大等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)于整個(gè)社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。在此過(guò)程中，太陽(yáng)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(yáng)能主要通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換等方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，其優(yōu)點(diǎn)是免費(fèi)，不需要運(yùn)輸，也不污染環(huán)境。目前，在技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、收集和儲(chǔ)存等方面的應(yīng)用研究取得了重大進(jìn)展。太陽(yáng)能的利用主要分被動(dòng)式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，雖然太陽(yáng)能熱利用有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但主要應(yīng)用范圍為太陽(yáng)能熱發(fā)電（能源產(chǎn)出）和建筑用能等，具體包括采暖、空調(diào)和熱水等領(lǐng)域。基于聯(lián)合國(guó)的數(shù)據(jù)顯示，按照當(dāng)前人口的增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(huì)變多，能耗將達(dá)到現(xiàn)在的三倍之多。可再生能源預(yù)計(jì)將在未來(lái)的能源占比中達(dá)到50%以上，是今天能源消耗水平的2倍之多。一些學(xué)者預(yù)估到2050年，煤炭占到國(guó)內(nèi)能源消費(fèi)總量的比重將達(dá)30%—50%，余下的50%—70%主要基于水力、核能與生物質(zhì)，還有石油、天然氣等。基于不同種類可再生能源的特點(diǎn)，目前相關(guān)研究已就利用太陽(yáng)能作為重要能源達(dá)成共識(shí)，其根本原因在于利用太陽(yáng)能進(jìn)行光伏發(fā)電的優(yōu)越性明顯：一是其實(shí)用性以及資源的大量性及其經(jīng)濟(jì)性；二是良好的清潔性、安全性；三是相對(duì)大的廣泛性；四是此類能源的長(zhǎng)期性及免維護(hù)性。

二、太陽(yáng)能熱水型制冷系統(tǒng)的工作原理

對(duì)于溴化鋰吸收式制冷機(jī)而言，其選取溴化鋰溶液當(dāng)作吸收劑，選取水當(dāng)作制冷劑，通過(guò)水在高真空狀態(tài)蒸發(fā)吸熱實(shí)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(guò)溶液泵進(jìn)入溶液熱交換器，然后進(jìn)入發(fā)生器。稀釋溶液通過(guò)預(yù)熱產(chǎn)生冷媒蒸汽，進(jìn)入冷凝器后用節(jié)流閥冷卻，轉(zhuǎn)化為低溫冷卻水，然后進(jìn)入蒸發(fā)器，滴淋在冷水管上，吸收管內(nèi)熱量，使冷水溫度降低，變?yōu)榈蜏厮Ｍ瑫r(shí)冷劑水自身又蒸發(fā)成冷劑蒸汽，進(jìn)入吸收器內(nèi)被濃溶液吸收成為稀溶液。這種重復(fù)循環(huán)導(dǎo)致不斷獲得低溫冷水，以達(dá)到最終冷卻目標(biāo)。

（一）溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的優(yōu)缺點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)

溴化鋰吸收式制冷機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)化為能量，利用水作為冷卻液、溴化鋰作為吸收劑，通過(guò)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(jī)比較，其具有突出的優(yōu)勢(shì)：一是明顯的節(jié)電效果，與其他種類的制冷設(shè)備相比，能量消耗明顯減少了。機(jī)組以熱能為原料，而且對(duì)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?zé)帷⑻?yáng)能等，因此運(yùn)行成本大大降低。二是噪聲較小。由于整個(gè)制冷機(jī)組除了屏蔽泵功耗極低之外，基本沒(méi)有其他的機(jī)械功能部分，所以震動(dòng)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(chǎng)所。三是制冷機(jī)運(yùn)行安全性高。制冷機(jī)組是溴化鋰，運(yùn)行時(shí)安全，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)爆炸危險(xiǎn)，安全性高，也不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。四是冷氣調(diào)節(jié)覆蓋面大。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，外部負(fù)荷發(fā)生變化，機(jī)組的制冷量可以在10%到100%之間進(jìn)行調(diào)整，在負(fù)荷調(diào)整中單元的散熱效率幾乎不降低，能夠靈活地適應(yīng)外部負(fù)荷的變化。

2.缺點(diǎn)

首先，在有水分和空氣的存在時(shí)，溴化鋰水溶液對(duì)普通金屬材料有很大的侵蝕性。其次，由于溴化鋰?yán)鋮s液的氣密性要求較高，制冷機(jī)必須在真空中正常工作，容易透氣。最后，對(duì)于冷卻水的質(zhì)量和要求也相當(dāng)重要，對(duì)于水質(zhì)較差的地區(qū)，在操作時(shí)，就必須處理好冷卻水，不然將妨礙機(jī)組正常工作。

三、太陽(yáng)能熱水型制冷系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

（一）制冷負(fù)荷計(jì)算

例如，在某企業(yè)研發(fā)大樓安裝了新的空調(diào)系統(tǒng)。據(jù)估計(jì)，該科研大樓夏季的冷負(fù)荷為1164千瓦，由于研發(fā)樓層的特殊用途及當(dāng)前樓層的研發(fā)人員存在特殊需要，因此只考慮夏季的負(fù)荷情況。

（二）冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.主要工藝參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，冷水流量達(dá)到110m3/h，加熱水流量、汽輪機(jī)抽汽壓力以及水溫分別達(dá)到28m3/h、0.15Mpa、220℃，使用汽輪機(jī)低壓段抽氣量達(dá)到1.5t/h，壓縮機(jī)升級(jí)完成之后的冷卻水以及汽輪機(jī)的低壓段抽氣通常是溴化鋰機(jī)組的熱源水熱量的重要來(lái)源，有時(shí)也會(huì)來(lái)源于發(fā)電廠內(nèi)鍋爐里面的排污冷凝水。一級(jí)電站的供熱用鍋爐冷凝水吹除和壓縮機(jī)恢復(fù)供熱是二次供熱來(lái)源，也就是只有進(jìn)行二級(jí)升溫后，才能對(duì)溴化鋰制冷機(jī)組進(jìn)行冷卻。通過(guò)二段升溫后的熱水，將熱源水循環(huán)泵送至溴化鋰制冷機(jī)組冷卻。由于鍋爐排水和壓縮機(jī)冷卻的時(shí)間與建筑物的冷卻時(shí)間不一致，為了充分利用其熱量，鍋爐吹除冷凝液安裝儲(chǔ)熱罐，以平衡產(chǎn)生熱量和冷卻時(shí)間。溴化鋰機(jī)組制冷側(cè)采用一級(jí)變頻泵流量系統(tǒng)，溴化鋰機(jī)組定流量，末端變流量運(yùn)行。供回水溫度7—12℃，如表1所示。

2、冷水機(jī)組選型

以某廠家為例，確定制冷設(shè)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(jī)組的實(shí)際使用中，在改變運(yùn)行模式時(shí)，機(jī)組的制冷設(shè)備數(shù)量和相應(yīng)的能耗會(huì)隨環(huán)境溫度和輸出水溫的不同而變化，因此在選擇型號(hào)時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)模式選擇相應(yīng)的機(jī)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(jī)組都不能同時(shí)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(guò)水蒸氣產(chǎn)生。二是熱水機(jī)不能同時(shí)進(jìn)行冷卻或加熱，可采用熱水溴化鋰吸收式制冷機(jī)組進(jìn)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(jī)組，滿足夏季制冷和冬季供熱需求。熱量來(lái)源主要為天然氣，主要考慮熱源的價(jià)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(nèi)部有熱電廠，熱電廠可以利用汽輪機(jī)廢氣作為蒸汽熱源，使用方便，同時(shí)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(jì)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(jī)組的方案，再加上一臺(tái)冬季供熱鍋爐。其次，需要確定機(jī)組的技術(shù)參數(shù)。在選擇吸收式制冷機(jī)組時(shí)，溴化鋰應(yīng)考慮制冷劑本身和水系統(tǒng)的損失，一般應(yīng)比空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷大10%—15%。據(jù)測(cè)算，該研究樓夏季冷負(fù)荷為1164千瓦，所以溴化鋰機(jī)組最大參數(shù)最大應(yīng)為：1164ד-115%”=1339千瓦，因此，根據(jù)制冷設(shè)備基礎(chǔ)和工藝中所含參數(shù)表，選用了1339千瓦冷負(fù)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(shè)計(jì)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(jī)器的編號(hào)和價(jià)格。根據(jù)甲方特殊要求、安裝場(chǎng)地空間和經(jīng)濟(jì)性等綜合因素，選用型號(hào)為XZ-125的溴化鋰制冷機(jī)組。

3、板式換熱器選型

在本文中，第一次預(yù)熱選用水板式換熱器，考慮到熱源水對(duì)溴化鋰吸收冷卻的重要性，板換采用換熱量的2×55%裝機(jī)。第二次預(yù)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(jī)。具體參數(shù)如表3所示。

（三）水系統(tǒng)主要設(shè)備選型

第一，熱水系統(tǒng)的選擇。熱水系統(tǒng)采用單級(jí)泵系統(tǒng)。二是機(jī)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(jī)組、熱源水循環(huán)水泵等布置在新建房屋內(nèi)等。泵的參數(shù)如表4所示。

（四）投資估算和效益分析

此項(xiàng)目預(yù)計(jì)將耗費(fèi)總資金460萬(wàn)元，包括安裝工程花費(fèi)、土建花費(fèi)、設(shè)備購(gòu)置成本以及其余成本，分別為145萬(wàn)元、35萬(wàn)元、170萬(wàn)元以及110萬(wàn)元。預(yù)計(jì)此項(xiàng)目供冷運(yùn)行之后，每年節(jié)省的標(biāo)準(zhǔn)煤將達(dá)到163.49噸，根據(jù)市場(chǎng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格550元/噸進(jìn)行估算，大概一年將節(jié)約89919.5元，供冷方面根據(jù)市場(chǎng)統(tǒng)一價(jià)格約90元/m2估算，大概一年將節(jié)約88.2萬(wàn)元，年總節(jié)約971919.5元。此項(xiàng)目的年運(yùn)營(yíng)總花費(fèi)為50萬(wàn)元，年凈收益將達(dá)47.192萬(wàn)元，項(xiàng)目靜態(tài)投資回收期大概是9.75年。同時(shí)，由于每年節(jié)省的標(biāo)準(zhǔn)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?xì)廨啓C(jī)冷凝水余熱推動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)組產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，如果采用太陽(yáng)能，假定初始投資成本不變，那么每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)價(jià)計(jì)算，每年可多節(jié)約12771元，同時(shí)，對(duì)環(huán)境等的危害也降至更低。隨著能源價(jià)格上漲，按照2021年底秦皇島港口煤價(jià)普遍在1300元/t之上計(jì)算，節(jié)能效果將進(jìn)一步顯現(xiàn)。因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，有必要大力研發(fā)更加緊湊、安全、節(jié)能的用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的溴化鋰機(jī)組，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供可選方案。

四、結(jié)論

在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，如何在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)保護(hù)環(huán)境，降低能耗是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。對(duì)太陽(yáng)能的應(yīng)用能夠有效減少制冷系統(tǒng)能耗，同時(shí)提高運(yùn)行效率，在滿足制冷需要的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。基于此，本文主要圍繞太陽(yáng)能熱水型制冷系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，以期為該領(lǐng)域的后續(xù)研究提供相應(yīng)參考，促進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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作者:韓振興 單位:上海環(huán)球制冷設(shè)備有限公司