太阳能热能辅助蒸汽压缩式制冷循环理论与实验研究

A novel solar thermal assisted vapor compression air conditioning cycle is proposed, aiming at improving the conversion efficiency from solar energy to cooling and offset the unstability of solar energy utlization. Compared with the traditional solar cooling measures, the novel cycle may increase the specific cooling outout for unit solar collector area and realize the steady cooling output despite of the big variation of solar radiation. It is expected that the mechanisms how the solar thermal can assist the vapor compression refrigeration cycle under dynamic operation mode will be investigated. Also studied is the efficient integration of solar absorption cooling section with vapor compression process under steady operation mode. The solar combined aborption and vapor compression air conditiong cycle will be intensively studied and optimized.A theoretical model derived from the thermal efficiency factor of solar collectors will be developed in consideration of the demand for effecting solar cooling process. The thermodynamic process operated under three temperature levels, namely, the solar collector temperature, the ambient temperature and the refrigeration temperature, will be evaluated and thermodynamically optimized. Moreover,the transient performance of the novel solar air conditioning system will be the core work for energy saving, the matching of configuration and operation parameters for the components, such as solar collecotrs, compressor, heat exchangfer and expansion valves, et al., as well as the impacts of the different parameters on the system performance, will be studied. The activities are helpful for developing a novel solar cooling technology, and could push the joint development of the principle of solar energy utlization and the thermodymanic theory. It will also pave a new way for releaving the sumer peak electric suppply for air conditioning.

针对实现太阳能制冷效应稳定性和高效化难题，提出太阳能热能利用与蒸汽压缩制冷循环耦合的太阳能热能辅助制冷新方法。与传统太阳能制冷方式相比，提高了单位太阳能集热面积对应制冷转换效率，克服了太阳能制冷受辐射间歇性影响不能连续高效制冷的限制。项目研究将揭示太阳能热能直接作用于蒸汽压缩制冷循环，在动态运行模式下，辅助压缩机实现节能的能量转换过程机理；构建太阳能热能驱动吸收制冷与蒸汽压缩制冷循环匹配耦合，实现运行节能的优化方案；建立基于太阳能制冷效应的集热循环热效率因子分析模型，和太阳能热能辅助蒸汽压缩制冷循环涉及的集热温度、环境温度和制冷温度三热源条件下的系统热力学模型，研究系统变工况动态运行特性，分析获得集热器、压缩机、换热器和吸收器等部件结构和运行参数和最优匹配关系。研究工作有望发展一种太阳能制冷新方法，对于促进太阳能工程学与工程热力学的交叉融合发展，利用太阳能缓解夏季空调用电负荷都有积极意义。

太阳能空调具有很好的季节匹配性，夏季太阳辐射越好时系统制冷量越大，规模化应用能够有效缓解夏季空调用电负荷。但太阳辐射能量密度较低且受天气影响较大，太阳能空调存在间歇性和不稳定性等问题；另一方面，很多场合太阳能装置安装空间有限，一定程度上限制了其推广应用。提高太阳能空调循环效率，减小集热器安装面积；实现多能互补，解决其运行稳定性，是太阳能空调发展的主要瓶颈。围绕上述问题，本文提出太阳能驱动风冷吸收式制冷与蒸汽压缩空调耦合循环，实现太阳能空调高效化和稳定性，利用太阳能制冷改善蒸汽压缩制冷循环效率，利用电驱动蒸汽压缩循环结合实现太阳能空调系统的稳定性。. 本文提出了风冷吸收式制冷与蒸汽压缩式空调之间的过冷却式和复叠式两种耦合循环方式，揭示了其能量耦合机理，论证了通过耦合方式可以充分利用较低温度水平的太阳能热能，拓宽太阳能热能的温度利用范围，实现节约压缩机电能和提高太阳能制冷转换效率双重目的。. 为解决太阳能空调系统长时间运行的连续性和稳定性问题，本文基于吸收式与蒸汽压缩式系统冷量与热量的同步耦合方式，提出了蒸汽压缩式热泵驱动溴化锂浓度差蓄冷的新循环。新循环在蓄冷过程中除热泵系统外无需其他形式的能量输入，蓄冷过程不受环境条件影响和制约。蓄冷能量密度大且热损小，相同的体积下可以蓄存的冷量增加且可以进行长时间的储存。通过该循环可以实现削峰填谷，保证太阳能空调系统长周期运行的连续性和经济性。. 建立了风冷吸收式与蒸汽压缩式制冷循环及相关耦合系统的理论模型。搭建了风冷吸收式溴化锂制冷机实验台，并进行了不同运行工况下的性能测试。在此基础上提出采用绝热闪蒸流程改进风冷溴化锂吸收式制冷的新循环，避免了二次换热损失，降低了对热源温度需求，从而提高COP。. 在此基础上，进一步搭建了相关实验系统对耦合循环及热泵驱动浓度差蓄冷系统进行了实验研究。结果显示，在热源水温为70℃-90℃之间时，复叠式耦合系统可以将COP由2.66提高至4.28-6.97，与蒸汽压缩空调循环独立运行时相比增加60.9%-162.0%。. 最后，基于实验结果和系统仿真模型，对风冷溴化锂吸收式制冷系统的参数优化以及与太阳能集热器类型的匹配进行了分析。