在压缩式制冷系统中,压缩机依靠电源供电,使制冷剂在系统内循环.为使系统热量能够在冷凝器内有效释放,在冷凝器侧安装了电机和叶片.电机供电后,叶片强制环境空气流过冷凝器进行换热,空气带走制冷系统的热量,实现制冷.制冷系统耗电量大,在炎热的夏季易产生用电高峰,造成供电紧张.因此,研究各类低耗电量或不用电的制冷系统,具有重大现实意义.

由于具有不依赖电力、不使用氟利昂作制冷剂、季节适应性好、无运动部件、可利用余热废热等优点,吸收式制冷系统在中央空调中得到广泛应用.但该系统节电不节能,能效低,能耗大,机组笨重且价格无优势,所以,吸收式制冷系统的发展也受到了一定的限制^{[1, 2, 3]}.相对于太阳能吸收式制冷系统,太阳能光伏制冷系统具有制冷效果好、能量利用率高及自身损失低等优点,尤其是近年来随着光伏电池产业的蓬勃发展以及光电转换效率的不断提高,太阳能光伏制冷显示出了强劲的发展势头.但光伏电池板和电能储存装置铅酸蓄电池在制造过程中耗能及污染都很大,且工作寿命短,不易维护,光伏转化效率仍然不高,光伏电池板也容易受自然因素的影响,同时成本的居高不下也大大限制了太阳能光伏制冷系统的发展^{[4, 5]}.

为此,提出了太阳能烟囱制冷系统,利用流过制冷系统冷凝器的高速太阳能烟囱热气流带走冷凝热,并驱动制冷系统压缩机进行制冷.该系统利用可再生的太阳能作为驱动能源,可不使用电能.

太阳能烟囱制冷系统结构示意图如图 1所示.它由烟囱系统、涡轮机系统和制冷系统组成.

图 1

Fig. 1

图 1 太阳能烟囱制冷系统结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of a solar chimney refrigeration system

烟囱系统主要包括烟囱、集热棚、支架及蓄热层等.烟囱通常采用玻璃纤维材质包覆木质竖直框架制成;集热棚用金属支架支撑,其上铺盖玻璃、薄膜等透明或半透明材料;蓄热层一般采用砂石或土壤制成.涡轮机系统包括涡轮机、传动轴及变速器等.涡轮机安装在烟囱底部入口处,主要作用是将热气流动能转化为机械能,并通过变速器驱动压缩机运转;变速器安装在涡轮机和压缩机之间,用以调节压缩机运转速度.制冷系统主要包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、储液罐、气液分离器及连接管等.压缩机为开启式制冷压缩机,安装在涡轮机下方;冷凝器按平铺方式安装在压缩机下方;蒸发器采用管壳式换热器,通过该蒸发器向外界提供冷媒水.

太阳能烟囱制冷系统的基本原理是利用温室效应、烟囱效应、风力涡轮机技术和制冷技术.太阳辐射透过集热棚透明材料使蓄热层和空气的温度升高,同时蓄热层也参与加热集热棚中的空气,使其密度小于集热棚外相同高度处的大气密度,从而和环境形成密度差.棚中央的烟囱起负压管的作用,加大了系统内外的压力差,形成强烈的上升气流.当系统内部空气以一定的速度进入烟囱入口时,热气流驱动设置在烟囱底部的涡轮机转动,从而推动压缩机运转进行制冷^[6].热气流一方面驱动涡轮机转动,另一方面也通过流经冷凝器带走制冷系统的冷凝热.反过来,冷凝器加热了热气流,对驱动涡轮机转动起到促进作用.

太阳能烟囱系统主要是将太阳能转化为空气内能,再转化为动能.其运行原理为集热棚构成了一个巨大的温室,空气在其内部受热产生密度差,在重力和烟囱负压的作用下产生上升的热气流.此外,蓄热层在白天存储的太阳能,可用于夜间加热空气,以保证烟囱系统在夜间也能产生上升气流驱动制冷系统进行制冷.

涡轮机安装在烟囱底部压力梯度变化最大处,由系统内部空气进入烟囱时形成的强烈上升气流推动,将空气流的动能部分转变为涡轮机的转动机械能,通过变速器调节转速最终驱动压缩机运转进行制冷.

当太阳辐射较低、环境温度低时,所需冷量较少,此时,涡轮机入口空气流速度也低.为保证涡轮机能正常驱动压缩机,变速器需同步降低压缩机转速,减小压缩机输入功率,减小冷量输出.反之,当太阳辐射较强时,所需冷量较多,此时涡轮机能提供压缩机较多功率,通过变速器提高压缩机转速,增大冷量输出.

在涡轮机的驱动下,制冷系统在蒸发器处吸收热量,在冷凝器处释放热量,从而通过蒸发器向外提供冷媒水,实现制冷.所采用的开启式制冷压缩机直接由涡轮机通过变速器进行驱动.由于原动机与制冷剂和润滑油不直接接触,原动机不必满足耐制冷剂和耐油的要求,因而该系统可采用氨制冷剂.该系统易拆卸,方便维修,但由于其密封性能较差,制冷剂易通过支承轴承向外泄漏,因此必须有轴封装置^[7].冷凝器为风冷式换热器,由于只作冷凝器使用,更适合采用结构紧凑、换热效率高的微通道换热器.为保证系统的正常运行,在压缩机进、出口处加装气液分离器和油分离器.此外,在冷凝器出口加装储液器.

对太阳能烟囱制冷系统进行设计时,首先要确定供冷负荷(额定制冷量),并由此计算涡轮机输入制冷系统的功率,再根据涡轮机输出功率对集热棚和烟囱进行设计,从而评估经济效益,确定设计方案.计算中假设:① 烟囱内不存在涡轮机;② 不考虑烟囱内空气在流动过程中产生的摩擦且烟囱壁面绝热;③ 系统内的气体近似为不可压缩流体.

假设制冷系统额定制冷量为Q₀,制冷剂采用R134a.制冷循环的压焓图如图 2所示,其中:h为焓;为压力;点1、2分别对应压缩机吸气口、排气口状态;点3对应冷凝器出口状态;点4对应蒸发器进口状态;点2_s为等熵压缩过程的终点.

图 2

Fig. 2

图 2 R134a压焓图 Fig. 2 Pressure-enthalpy curve for R134a

为分析制冷循环的性能,首先确定蒸发温度T_evap和冷凝温度T_cond,它们主要由集热棚内温度和 相关标准所决定,然后确定相对应的蒸发压力p_evap和冷凝压力p_cond,即压焓图中两条水平线段所代表 的压力.当已知过热度ΔT_sup和过冷度ΔT_sub后,则压缩机吸气口温度T₁和冷凝器出口温度T₃也随之确定,即

点1至点2_s为等熵压缩过程,压缩机单位理论压缩功为

给定等熵效率为η_c,则压缩机单位实际压缩功为

制冷剂循环流量为

冷凝器的热负荷为

制冷系数为

压缩机实际压缩功为

给定轴效率为η_e,则涡轮机需要输出的轴功率为

理论上,进入烟囱入口的质量流量为$\dot{m}$_a、流速为V_ch的热气流具有的可用功率为

理想情况下,太阳能烟囱系统中涡轮机的最大输出功率为

烟囱顶部和底部的压差^[10]为

由压差推动的烟囱入口处热气流的可用功率为

由式(9)、(11)和(12)联立求解得

令P_max=W_e,由式(11)和(13)联立求解得

由根据经验设定的烟囱流通截面积A_ch可计算烟囱直径;由式(14)计算出烟囱入口流速,代入式(13)即可确定烟囱高度.

集热棚中的空气被太阳辐射和蓄热层加热后,温度从T_a升高到T_a+ΔT时吸热量$\dot{Q}$可表示为

设太阳辐射强度为G,集热棚的热转换效率为η_coll,集热棚的采光面积为A_coll,则${\dot{Q}}$可表示为

由式(15)、(16)联立求解得

由采光面积A_coll即可计算集热棚直径.根据陈伟华^[11]的研究,在特定规模下,烟囱高度决定了系统的最大抽力.集热棚高度有一个最佳值,当离地高度大于该最佳值时,系统不能提供足够的内外压力差,多余的空气受热后形成不规则旋流,从入口处流出,带走部分热量,使系统效率降低.

太阳能烟囱制冷系统无需消耗电能但可实现制冷.相比于传统的电驱动式、吸收式和太阳能光伏制冷系统,具有明显的优势.不过,该制冷系统也存在一些本质上的不足.

(1) 设备简单,制冷不用电,运行成本低.太阳能烟囱制冷系统制冷不用电,其冷凝器也是采用高速热气流进行换热,所以运行成本较低.

(2) 转化效率高.制冷系统直接利用涡轮机机械能驱动压缩机进行制冷,减少了涡轮机机械能转换为电能,输送后转换为机械能,再驱动压缩机进行制冷等中间环节,所以系统转换效率高.

(3) 太阳能存储方便,夜间可制冷.蓄热层在白天存储了太阳能,在夜间加热集热棚内的空气,保证了系统持续稳定供冷,降低了对太阳光照变化的依赖性.

(4) 可有效解决热带及沙漠地区的供冷及供电问题,如中东地区、非洲的赤道地区等.将系统进行改进后,利用涡轮机一部分机械能驱动发电机,则该系统既能供冷,又能供电.

(5) 该制冷系统以太阳辐射为动力源,空气为驱动工质,不会产生氮、硫氧化物等化石能源所带来的污染气体,也不会产生二氧化碳、甲烷等温室效应气体,无任何环境污染,具有良好的环境效应.

(1) 规模大,前期投资成本高.由于太阳能转换为机械能的效率不高,使得所需的土地面积相当大,对应的集热棚和烟囱规模也要很大,所以导致投资成本很高;

(2) 冷凝温度高,对制冷效果影响大.冷凝器安装在烟囱底部入口处,所处环境温度很高,导致制冷系统的冷凝温度高,所以冷凝器的安装位置有待进一步研究.

提出了太阳能烟囱制冷系统,将太阳能烟囱与制冷系统相结合进行制冷,实现制冷不用电.介绍了该制冷系统的结构特点、工作原理以及系统相关参数的计算方法.分析结果表明,太阳能烟囱制冷系统结构简单,制冷不用电,运行成本低,能有效解决热带及沙漠地区的供冷及供电问题,无污染,具有良好的环境效应.总体上看,太阳能烟囱制冷系统在解决能源短缺和环境问题等方面,具有良好的应用前景,但其商业化尚需在今后的实践中进一步探索和研究.