太阳能沼气驱动吸收式制冷空调的仿真研究

第 24 卷第 1 期 郭平生，等：太阳能沼气驱动吸收式制冷空调的仿真研究 ·7· 文章编号：1671-6612（2010）01-007-04 太阳能沼气驱动吸收式制冷空调的仿真研究 郭平生 唐贤健 时丽娜 李 峰 (广西师范大学物理科学与技术学院 桂林 541004) 【摘 要】 因全球能源危机和环境污染日益严峻，加上建筑空调需求量的增长和电力成本增加，考虑到吸收 式制冷具有无比的优越性，提出了将可再生能源—太阳能和沼气联合驱动吸收式制冷空调的思想， 建立了此系统主要性能参数的数学模型，按照三种不同的运行 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，运用 matlab/simulink 软件分 别建立其仿真模块并对主要性能参数进行仿真计算，仿真结果够很好的反映太阳能沼气吸收式制 冷空调运行的特点。为可再生能源应用于建筑空调的研究与应用、缓解化石能源供给的危机和保 护环境提出了有意义的参考。 【关键词】 太阳能；沼气；吸收式制冷；空调 中图分类号 TK5 文献标识码 A Simulation Study on absorption refrigeration air-conditioning drived by the solar energy and biogas Guo Pingsheng Tang Xianjian Shi Lina Li Feng （College of Physics Science and Technology , Guangxi Normal University, Guilin 541004, China） 【Abstract】 Because the global energy crisis and environmental pollution became increasingly serious, coupled with the growth in demand for buildings and air-condition, taking into account the absorption refrigeration has incomparable superiority, this paper presents the idea that renewable energy—solar energy combined with biogas drives absorption refrigeration air-conditioning.The mathematical models of key performance parameters of the system have been established.According to three different running schemes,their respective simulation modules have been established and the simulation calculation of key performance parameters is done with simulink. These simulation results can primely reflect the run characteristics of absorption refrigeration air-conditioning using solar energy combined with biogas.The system designed in this paper provides a meaningful reference for the research and application of building air-conditioning using renewable energy and for alleviating the crisis in fossil energy supply and for environmental protection. 【Keywords】 solar energy；biogas；absorption refrigeration；air-conditioning 基金项目：973 国家重点基础研究发展 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 资助项目（G2000026307） 作者简介：郭平生（1963-），男，副教授，博士。 收稿日期：2009-09-29 0 引言 当今随着技术的发展，吸收式制冷相对蒸汽压 缩式制冷已经成了一个经济有效的选择，电力成本 的增长和环境的污染的加剧使得吸收式制冷的应 用对家庭住宅和工业更具有吸引力，因为它们能被 热水、蒸汽或直接燃烧天然气等驱动，具有性能好、 成本低、节能环保等优点；由于它们能被低品位的 热能驱动，因此可以使用可再生能源，而不是电力， 也不像压缩式那样会破坏臭氧层，而且可以减缓温 室效应[1~4]。随着人们生活水平的提高，建筑房屋 业的拉动使我国空调的需求量增长很快，因此对空 调技术、空调节能、特别对在用电高峰时段或电力 资源贫乏的地区为空调供能问题引起人们更多的 关注。太阳是光和热以辐射的形式把能量传到地球 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面，太阳能作为一种辐射能，不带任何化学物质， 而且可再生，是最洁净、最可靠的能源。沼气是一 第 24 卷第 1 期 2010 年 2 月 制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning Vol.24 No.1 Feb. 2010.7～10 ·8· 制冷与空调 2010 年 种重要的生物质能，也是一种可再生能源，是利用 生物质制取清洁能源的有效途径，沼气在开发过程 中能减少废弃物对环境的影响，具有良好的去污性 能[5]。国内外很多文献对太阳能制冷技术已经作了 一些研究，但太阳辐射度是不稳定的，会为此项技 术更好的应用带来一些不便。本文提出了将太阳能 联合沼气驱动吸收式制冷空调的思想，旨在使它们 尽显其优势，达到完美结合；建立了此系统主要性 能参数的数学模型，运用Matlab/simulink软件对模 型在几种方案下进行了仿真研究。 1 系统的组成 太阳能沼气吸收式制冷空调系统包括热能驱 动子系统和吸收式制冷子系统等结构，系统工艺流 程图见图1。热能驱动子系统设计为由太阳能集热 器和沼气热水器的联合。太阳能的利用有几种，本 文对太阳能的利用主要是热利用，太阳能集热器是 太阳能利用系统的关键部件。沼气的产气过程中可 以利用太阳能增温来提高产气率，在此不作研究， 本文对沼气的利用是将原本燃烧石油液化气或煤 气的燃气热水器改用燃烧沼气为系统提供热能。吸 收式制冷子系统包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸 收器、溶液热交换器、水箱和风机盘管等部件，本 系统采用的工质对为溴化锂—水。 1.太阳能集热器；2.沼气热水器；3.发生器； 4.溶液热交换器；5.吸收器；6.冷凝器；7.蒸发器； 8.冷媒水箱；9.风机盘管 图 1 太阳能沼气驱动吸收式制冷空调系统的工艺流程图 2 数学模型的建立 2.1 太阳能集热器及沼气热水器模型 （1）设该系统选用平板式集热器，根据能量 守恒和传热方程则有： v A LQ Q Q= − （1） 1( )v w wA owgQ C G t t= − （2） (A eQ AI= τα) （3） 其中 Qv：集热器在单位时间内输出的有用能 量，W（其计算方法参照文献[6]）；QA：同一时段 内入射在集热器上的太阳辐射能量，W；QL：同一 时间内集热器对周围环境散失的能量，W；Cw：水 的定压比热容，J/(kg·℃)；towg、t1—进、出集热器 时热水温度，℃；A：集热器面积，m2；I：太阳辐 射度，W/m2；（τα）e：透明盖板透射比与吸热板吸 收比的有效乘积。 （2）燃气热水器改用燃烧沼气，把热量传给水使 之升温，其传热方程如下： 2( )r a b b w wB owgq G c G t tη η = − （4） 其中ηr：燃烧效率；ηa：换热效率；qb：沼气低 位热值，J/kg；Gb：燃烧沼气流量，kg/s；t2：沼气 热水器出口水温，℃。 2.2 吸收式制冷子系统模型 对吸收式制冷系统，每一组件可以视为一个带 有流量进出口、能传热、能进行工质相互作用的控 制容器，无论是系统的热力学计算模型还是仿真模 型都必须满足系统和各个部件的质量、能量平衡方 程以及各部件的传热方程[7,8]。假设各个控制容积 内忽略流量的损失，各部件必须满足式（5）-（7）。 质量守恒： in outG G=∑ ∑ （5） 能量守恒： ( ) ( ) 0out inQ Gh Gh− + =∑ ∑ （6） 传热方程：Q KA= Δt （7） 单效溴化锂吸收式制冷机的性能系数的方程 为： ( ) ( ) e we w iwe owe g wg iwg owg Q G C t tCOP Q G h h −= = − （8） 设冷却水进口温度为 29.5℃，COP 与 tiwg 的关 系为[9]： 20.04 0.0135 0.00007iwg iwgCOP t t= + − （9） 风机盘管的送风温度的数学模型采用文献[9]的 方法，其中一个重要的公式为： aout ain wt t Q= − ，a a/C （10） 根据能量守恒可列出房间模型的数学表达式： 0 1 2 /a nQ Q Q q VC dt dt− + + =ρ （11） 2 2( )nQ KA t t= − （12） 第 24 卷第 1 期 郭平生，等：太阳能沼气驱动吸收式制冷空调的仿真研究 ·9· 参考文献[10]可得： Q0-Q1=GaCa(taout-tn) （13） 其中G：质量流量，kg/s；h：相应流体的焓值， J/kg；t：工质温度，℃；dtn/dt：温度对时间的导数； Q：部件与外界交换的热量，W；K：传热系数， W/（m2·℃）；A：传热面积，m2；C：比热，J/(kg·℃)； ρ：空气密度，kg/m3；V：房间体积，m3；q：室内 照明、设备、人体散热量，W；下标：in：进入设 备；out—流出设备；w：水；a：空气；g：发生器； e：蒸发器；0：空调送风；1：空调向室外排风；2： 室外环境；n：空调房间。 3 仿真方案及模块设计 在不同地区、不同时间太阳能的辐射度是不 同，因此为了满足吸收式制冷机所需要的驱动热 能，又能节约能源，让此模型尽显其优势，现设计 三种方案对上述系统进行仿真。 方案一：在晚上或者阴雨天，让沼气热水器单 独提供系统的驱动热能，在图 1 中关闭阀门 A 开 启阀门 B，此时 GwB=Giwg。仿真时设定 tiwg 随时间 的变化来预测系统主要的性能参数。 方案二：在白天太阳辐射度较强时，让太阳能 热器单独提供系统的驱动热能，在图 1 中关闭阀门 B 开启阀门 A，此时 GwA=Giwg。仿真时设定辐射度 I 随时间的变化来预测系统主要的性能参数。 方案三：为了保证进入发生器热水的温度不 变，在图 1 中同时开启阀门 A 和阀门 B，让太阳能 集热器和沼气热水器共同提供系统的驱动热能，根 据太阳辐射度的变化调节燃烧沼气的流量，达到混 合热水温度不变，设此时 GwＡ=GwB=Giwg/2。 在所建立的数学模型和设计三种方案的基础 上，利用 Matlab/Simulink 软件作为平台，分三种 情况分别建立太阳能沼气吸收式制冷空调系统的 总体仿真模块及其各子系统的仿真模块。建立模块 时作了几点假设：①发生器出口热水温度等于太阳 能集热器或沼气热水器的进水温度：②冷媒水出口 温度等于风机盘管冷水的进水温度；③系统按照这 三种方案在开机运行时热水温度已达到 80℃或 80 ℃以上（温度过低时先用沼气热水器加热）。建立 的仿真模块很多，其中三种方案下求空调房间的温 度的子系统模块如图 2 所示。 1 tn 25 室内设定平均温度 34 t2 1305.6 q Subtract Relay Product2 1.554 K 1 s Integrator 0.001 -K- GaCa1 -K- GaCa -K- 1/ρVCa 208 A 1 taout 图 2 空调房间温度的子系统模块 4 仿真结果及分析 仿真时间设为 150s,数值解法采用变步长中的 龙格库搭法数值计算软件包 old45。分别运行三种 方案下所建的仿真模块，仿真结果分别为图 3、图 4、图 5 所示（每个图中左上角的曲线图为设定值）。 图 3 沼气驱动系统的仿真结果 ·10· 制冷与空调 2010 年 图 4 太阳能驱动系统的仿真结果 图 5 太阳能沼气联合驱动系统的仿真结果 从上面三个图可以看出，仿真结果能够很好的 反映太阳能沼气吸收式制冷空调运行的特点。单效 溴化锂吸收式制冷机制冷性能系数一般在 0.7 左 右；在夏季空调房间温度一般为 24~26℃；太阳能 单独驱动系统时房间温度相对较高；发生器热水的 进口温度随时间变化趋势与太阳辐射度或燃烧沼 气流量的变化趋势几乎相同；当太阳能与沼气联合 驱动系统时，太阳辐射度与燃烧沼气流量形成互 补，使得制冷性能系数保持不变，空调房间温度的 变化几乎很小；燃烧沼气单独驱动系统比太阳能沼 气联合驱动系统所需要的燃烧沼气流量要大。 5 结论 本文提出了将原本燃烧石油液化气或煤气的 燃气热水器改用燃烧沼气，联合太阳能集热器来驱 动吸收式制冷空调的思想，设计了系统的工业流程 图，在建立其基本的数学模型的基础上，运用 matlab/simulink软件设计了在三种不同的运行方案 下的仿真模块并进行了仿真计算。仿真结果能够很 好的反映太阳能沼气吸收式制冷空调运行的特点， 说明了本文提出的系统具有可行性，特别对于在用 电高峰时段或电力资源贫乏的地区来说使用该系 统是一种很好的选择，而且具有很好的优越性，弥 补了太阳辐射度不足时为系统带来的缺陷。总之， 本文为可再生能源应用于建筑空调的研究与应用、 缓解化石能源供给的危机和保护环境提出了有意 义的参考。 参考文献： [1] Marina Donate, Luis Rodriguez. 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