羅 遲，孫培杰，章 愷，呂小靜，翁一武

(1.上海交通大學(xué) 中英國際低碳學(xué)院，上海 200240; 2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109； 3.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

太陽能利用方式主要有太陽能光伏和太陽能光熱2種方式，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了大量光熱轉(zhuǎn)換及光電技術(shù)方面的研究[1]。太陽能熱除了用于太陽能干燥[2]、太陽熱能儲(chǔ)存[3]外，還可用在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(CCHP)中加熱工質(zhì)[4]。太陽能噴射式制冷技術(shù)可將包含太陽能在內(nèi)的低品位熱能作為驅(qū)動(dòng)能源，節(jié)能環(huán)保，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用。在噴射式制冷系統(tǒng)中，噴射器無動(dòng)力學(xué)部件，且結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠[5]。鄭彬等[6-7]針對(duì)低溫?zé)嵩吹奶攸c(diǎn)及陸用分布式供能系統(tǒng)的要求，研究了一種太陽能有機(jī)工質(zhì)噴射式電冷系統(tǒng)，建立了相應(yīng)的熱力學(xué)模型，選取R245fa為循環(huán)工質(zhì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。

筆者在太陽能噴射式電冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究了一種新型太陽能噴射式電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用冬季電熱聯(lián)供、夏季電冷聯(lián)供。這種分布式發(fā)電供熱制冷方式既降低了傳統(tǒng)能源的消耗，又減少了環(huán)境污染。首先，給出了電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，在Matlab軟件平臺(tái)上建立系統(tǒng)的熱力學(xué)模型及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型；其次，以西北地區(qū)某地太陽輻照強(qiáng)度和典型用戶電冷熱的需求，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了夏季和冬季給定工況下的仿真計(jì)算，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性；最后，對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估和分析。這為太陽能噴射式電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論和數(shù)據(jù)支撐，對(duì)促進(jìn)太陽能熱利用和低碳生活具有一定的參考價(jià)值。

1 太陽能噴射式電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)

太陽能噴射式電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由太陽能集熱器、補(bǔ)燃裝置、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電裝置、噴射器、冷凝器、工質(zhì)泵、儲(chǔ)液罐、節(jié)流閥和制冷蒸發(fā)器組成，當(dāng)太陽能不足時(shí)可以利用燃?xì)庋a(bǔ)燃。系統(tǒng)在工作過程中，利用來自太陽能集熱器的熱量加熱其內(nèi)部的導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油流經(jīng)蒸發(fā)器后使液態(tài)有機(jī)工質(zhì)吸熱汽化為飽和或過熱狀態(tài)的氣體，氣體進(jìn)入膨脹機(jī)后做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向外輸出電功。發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的電能通過AC/DC/AC裝置為用戶供電，額外的電能儲(chǔ)存在蓄電池中。

圖1 太陽能噴射式電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topological structure diagram of solar jet co-supply system for heating or cooling and power

該系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)閥門來切換不同季節(jié)下的運(yùn)行模式。在夏季，閥門2打開，閥門1關(guān)閉，系統(tǒng)為電冷聯(lián)供系統(tǒng)。膨脹機(jī)排出的氣體作為壓力相對(duì)較高的工質(zhì)流體進(jìn)入噴射器，在噴射器的噴嘴中減壓增速，制冷蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)壓力降低、有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)，出口側(cè)的氣流引射至噴射器中與工質(zhì)流體混合，然后擴(kuò)壓進(jìn)入冷凝器中冷凝。冷凝器出口的液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)液罐。儲(chǔ)液罐內(nèi)的工質(zhì)在出口分為2路，一路經(jīng)工質(zhì)泵升壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，另一路經(jīng)過節(jié)流閥降壓進(jìn)入制冷蒸發(fā)器換熱完成制冷循環(huán)。

在冬季，閥門1打開，閥門2關(guān)閉，系統(tǒng)為電熱聯(lián)供系統(tǒng)。膨脹機(jī)排出的氣體直接進(jìn)入冷凝器冷凝換熱從而制熱。冷凝器出口的液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)液罐進(jìn)行存儲(chǔ)。儲(chǔ)液罐出口的液態(tài)工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵升壓后進(jìn)入蒸發(fā)器。

太陽能噴射式電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)由3個(gè)子循環(huán)組成：太陽能熱轉(zhuǎn)換循環(huán)、有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)及噴射式制冷循環(huán)。其中，有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)和噴射式制冷循環(huán)通過噴射器相連接，有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)中的膨脹機(jī)出口壓力高于傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)，該能量作為制冷子循環(huán)的動(dòng)力源進(jìn)行利用。在噴射式制冷循環(huán)中，噴射器取代了壓縮機(jī)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、維護(hù)操作簡單且性能穩(wěn)定可靠。在本文的研究中，工質(zhì)應(yīng)滿足如下要求：(1) 較好的熱力學(xué)性能；(2) 對(duì)環(huán)境友好，即對(duì)臭氧層無破壞、溫室效應(yīng)低；(3) 安全性好；(4) 價(jià)格低廉。綜合考慮工質(zhì)各方面特性后，選取標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為14.9 ℃、臨界溫度為154.05 ℃的R245fa作為工質(zhì)[8]。

為方便計(jì)算，進(jìn)行以下假設(shè)：(1) 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；(2) 忽略系統(tǒng)各部件及管道連接處的摩擦阻力和壓力損失；(3) 蒸發(fā)器出口處的工質(zhì)為飽和蒸汽；(4) 除各部件與環(huán)境的能量交換外，忽略熱量損失；(5) 節(jié)流閥內(nèi)降壓過程為等焓過程。

系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)參數(shù)參考文獻(xiàn)[9]，以電加熱器作為熱源，通過選取不同的電加熱器輸入功率來模擬不同太陽的輻照強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)2 kW的電功率輸出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 太陽能噴射式電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of solar jet co-supply system for heating or cooling and power

2 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

針對(duì)3個(gè)子系統(tǒng)各部件建立熱力學(xué)模型，并進(jìn)行系統(tǒng)性能的仿真計(jì)算。

2.1 太陽能熱轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)

根據(jù)能量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)太陽能集熱器收集到的有效熱流量Qu等于太陽能集熱器吸收的太陽輻射能量減去其損失的能量：

Qu=AscFR[G(τα)e-UL(Ti-Ta)]

(1)

太陽能集熱器的瞬時(shí)效率ηsc為：

(2)

式中：Asc為太陽能集熱器有效面積，m2；G(τα)e為太陽輻照強(qiáng)度，W/m2；τα為太陽能集熱器中透明蓋板的有效透過率與吸收板對(duì)太陽輻射的吸收率的乘積；UL為太陽能集熱器總熱損失系數(shù)，W/(m2·K)；Ti為傳熱流體入口處溫度，℃；FR(τα)e為太陽能集熱器吸收系數(shù)；FR為太陽能集熱器熱轉(zhuǎn)移因子。

2.2 朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)和噴射式制冷子系統(tǒng)

2.2.1 蒸發(fā)器

太陽能集熱器收集的熱能通過傳熱介質(zhì)經(jīng)蒸發(fā)器傳輸給朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)，計(jì)算公式如下：

Qg=qm,g(h3-h2)

(3)

式中：qm,g為蒸發(fā)器中工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；Qg為太陽能集熱器傳輸給朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)的熱流量，kJ/s；h2、h3分別為工質(zhì)在蒸發(fā)器入口和出口處的比焓，kJ/kg。

2.2.2 膨脹機(jī)

系統(tǒng)選用輸出功率較小的渦旋式膨脹機(jī)，轉(zhuǎn)速低且膨脹比大，膨脹比為3。工質(zhì)在膨脹機(jī)中膨脹做功推動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，其焓變?yōu)椋?/p>

We=qm,g(h3-h4)

(4)

式中：We為工質(zhì)焓變，kJ/s；h4為工質(zhì)在膨脹機(jī)出口處的比焓，kJ/kg。

2.2.3 噴射器

噴射系數(shù)u為噴射器中引射流體的質(zhì)量流量與蒸發(fā)器中工質(zhì)質(zhì)量流量之比：

u=qm,e/qm,g

(5)

能量平衡方程為：

qm,gh4+qm,eh7=qm,ch5

(6)

連續(xù)性方程為：

qm,g+qm,e=qm,c

(7)

式中：qm,e為噴射器中引射流體的質(zhì)量流量，kg/s；h5和h7分別為噴射器出口處和制冷蒸發(fā)器出口處的比焓，kJ/kg；qm,c為通過冷凝器的工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s。

2.2.4 冷凝器

Qc為系統(tǒng)向外界排放的熱量，即工質(zhì)在冷凝器中的焓變，計(jì)算公式如下：

Qc=qm,c(h5-h1)

(8)

式中:h1為工質(zhì)在工質(zhì)泵入口處的比焓，kJ/kg。

2.2.5 制冷蒸發(fā)器

Qe為系統(tǒng)的制冷功率，即工質(zhì)在制冷蒸發(fā)器中的焓變，計(jì)算公式如下：

Qe=qm,e(h7-h6)

(9)

式中：h6為工質(zhì)在制冷蒸發(fā)器入口處的比焓，kJ/kg。

2.2.6 工質(zhì)泵

工質(zhì)泵消耗功Wp為：

Wp=qm,g(h2-h1)

(10)

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)模型

系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)模型中成本計(jì)算涉及到投資、運(yùn)營、管理和維護(hù)等方面費(fèi)用。系統(tǒng)投資總成本包含設(shè)備購買成本和系統(tǒng)的運(yùn)營及管理成本[10]。參照文獻(xiàn)[11]選取系統(tǒng)后期運(yùn)維成本與土地租借成本(占系統(tǒng)投資總成本的2%)、耗材(占系統(tǒng)投資總成本的0.3%)以及管理和安全措施的費(fèi)用(占系統(tǒng)投資總成本的0.7%)。

設(shè)備購買成本為CB,t，包含太陽能集熱器成本(CB,col)、蒸發(fā)器成本(CB,eva)、透平成本(CB,tur)、冷凝器成本(CB,con)、噴射器成本(CB,jet)、工質(zhì)泵成本(CB,pum)和蓄電裝置成本(CB,sto)。

CB,t=CB,col+CB,eva+CB,tur+CB,con+

CB,jet+CB,pum+CB,sto

(11)

系統(tǒng)各部件的成本CB[12]為：

CB=CP×FB

(12)

式中：CP為系統(tǒng)部件基礎(chǔ)成本；FB為修正因子。

其中，CP計(jì)算公式[13]如下：

lgCP=K1+K2×lgSx+K3×(lgSx)2

(13)

式中：K1、K2、K3為與設(shè)備成本相關(guān)的常數(shù)；Sx為透平和工質(zhì)泵的輸出功或消耗功，也可以為蒸發(fā)器或冷凝器的換熱面積。

修正因子為：

FB=B1+B2FMFp

(14)

lgFp=C1+C2lgp+C3(lgp)2

(15)

式中：FM和Fp分別為材料修正系數(shù)和壓力修正系數(shù)；p為各部件壓力，Pa；C1、C2、C3、B1、B2均為常數(shù)。

上述公式中各系數(shù)的具體數(shù)值見表2。

化工成本指數(shù)(CEPCI)b可表征將原始設(shè)備成本修正到當(dāng)前的價(jià)格水平，b1996=381.7,b2017=623.5?？紤]到意外偶發(fā)事故，系統(tǒng)投資總成本Ctot為設(shè)備購買成本的1.18倍，計(jì)算公式[14]如下：

(16) 表2 各部件投資費(fèi)用系數(shù)Tab.2 Investment cost coefficient of each component

以電力生產(chǎn)成本(LEC)QLEC作為指標(biāo)，通過計(jì)算每生產(chǎn)1 kW·h電量所需的成本費(fèi)用，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。QLEC的計(jì)算公式[15]如下：

(17)

(18)

式中：Top為該系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)長，設(shè)定為7 000 h；QCOM為運(yùn)維成本，包含人工管理、土地租借和系統(tǒng)安裝等其他成本，設(shè)定為系統(tǒng)投資總成本的3%；tCRF為系統(tǒng)投資回收周期；r為銀行利率，取5%；tLT為系統(tǒng)運(yùn)行年限，設(shè)定為20 a。

4 案例仿真結(jié)果分析

在上述建立的系統(tǒng)熱力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用Matlab軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，選取西北地區(qū)某建筑物7月份和1月份某一天作為案例，分別進(jìn)行夏季和冬季2種情況的研究，建筑物占地約80 m2，常駐人口為3人。充分考慮氣候條件，計(jì)算并分析了系統(tǒng)在該應(yīng)用場(chǎng)景的運(yùn)行特性和經(jīng)濟(jì)性能。計(jì)算所用的太陽輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)取自國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心[16]。

4.1 熱力性能分析

分別從系統(tǒng)供給側(cè)和用戶需求側(cè)的角度考慮，計(jì)算了不同季節(jié)不同時(shí)段下系統(tǒng)發(fā)電量和制熱(冷)量的變化，并與用戶的用電、用熱(冷)需求量進(jìn)行對(duì)比，從而檢驗(yàn)該系統(tǒng)是否能滿足用戶需求。

在用戶需求側(cè)，主要電負(fù)荷如表3所示，電負(fù)荷隨時(shí)間的變化如圖2所示，據(jù)此可以分配系統(tǒng)的電量。在用戶熱(冷)需求側(cè)，一年中僅有6月份～9月份需要冷量進(jìn)行制冷，且11月份～次年2月份需要熱量進(jìn)行供暖，主要熱量和冷量需求見表4。圖3給出了該地區(qū)1月份和7月份某一天平均太陽輻照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。由圖3可以看出，在1月份，從8：00至18：00均有太陽輻照強(qiáng)度，且13：00達(dá)到最大平均輻照強(qiáng)度(752.94 W/m2)。在7月份，從6：00至19:00均有太陽輻照強(qiáng)度，且12：00達(dá)到最大平均太陽輻照強(qiáng)度(1 305.88 W/m2)。

表3 建筑物主要電負(fù)荷Tab.3 Main electrical load of a building

圖2 電負(fù)荷隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of electrical load with time

表4 建筑物熱量和冷量需求Tab.4 Heating and cooling requirements for a building kW·h

圖3 1月份和7月份太陽輻照強(qiáng)度變化Fig.3 Variation of solar radiation intensity in January and July

根據(jù)圖3，對(duì)1月份和7月份某天內(nèi)不同時(shí)間段的系統(tǒng)發(fā)電功率及制熱(冷)功率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。在保持其他參數(shù)不變的情況下，在同等太陽能集熱器面積下，系統(tǒng)的熱力學(xué)效率隨太陽輻照強(qiáng)度的增大提高緩慢，但系統(tǒng)發(fā)電功率和制冷功率隨太陽輻照強(qiáng)度增大而增加，主要是由于太陽能集熱器獲得的輻射能增加。仿真計(jì)算結(jié)果與依托上海交通大學(xué)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)試驗(yàn)裝置所得試驗(yàn)結(jié)果一致。

表5 1月份和7月份系統(tǒng)發(fā)電功率及制熱(冷)功率Tab.5 Capacity of power generation and heating or cooling supply of the system in January and July

圖4給出了1月份和7月份系統(tǒng)發(fā)電功率隨時(shí)間的變化。由圖4可以看出，在1月份，13：00時(shí)系統(tǒng)有最大發(fā)電功率2.74 kW和最大制熱功率2.96 kW，在7月份，12：00時(shí)系統(tǒng)有最大發(fā)電功率5.42 kW和最大制冷功率7.26 kW。

圖4 1月份和7月份系統(tǒng)發(fā)電功率變化Fig.4 Variation of power generation of the system in January and July

根據(jù)圖4，系統(tǒng)在夏季的發(fā)電功率遠(yuǎn)大于冬季，故系統(tǒng)只要在冬季能滿足用戶用電需求，在夏季同樣可滿足用戶用電需求。圖5給出了1月份系統(tǒng)發(fā)電功率與電負(fù)荷的對(duì)比。由圖5可以看出，從6：00至17：00，系統(tǒng)發(fā)電功率均高于對(duì)應(yīng)時(shí)段的最大電負(fù)荷，可滿足該建筑物的用電需求；17：00至次日6：00則需要蓄電裝置進(jìn)行供電。

圖5 1月份系統(tǒng)發(fā)電功率與電負(fù)荷對(duì)比Fig.5 Comparison of power generation of the system and electrical load in January

將白天系統(tǒng)過剩的發(fā)電量儲(chǔ)存到蓄電裝置中，在無光照的工況下為建筑物持續(xù)供電。經(jīng)計(jì)算分析，6：00至17：00能儲(chǔ)存額外電量11.658 kW·h，17:00至次日6:00則需使用蓄電裝置進(jìn)行額外供電，所需電量為4.529 kW·h。由于當(dāng)前蓄電設(shè)備電能轉(zhuǎn)化率為60%，系統(tǒng)白天的額外發(fā)電量通過蓄電裝置可以滿足該建筑物夜間的用電需求。

在此基礎(chǔ)上，參照西北某地區(qū)12個(gè)月份的太陽輻照強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)電量和制冷量的計(jì)算，每月平均的日發(fā)電總量和日制熱(冷)總量如表6所示。其中11月份～次年2月份對(duì)應(yīng)日制熱總量，6月份～9月份對(duì)應(yīng)日制冷總量。根據(jù)表3，該建筑物每日用電需求總量約為13.03 kW·h。故可知該系統(tǒng)全年均可滿足該建筑物的用電、用熱(冷)需求。

表6 日發(fā)電總量和日制熱(冷)總量Tab.6 Total capacity of daily power generation and heating or cooling supply kW·h

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得出該系統(tǒng)的LEC為0.755元/(kW·h)。根據(jù)表7，太陽能燃?xì)饴?lián)合循環(huán)(ISCC)系統(tǒng)的LEC為0.799元/(kW·h)，太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)[17]的LEC為1.090元/(kW·h)，柴油發(fā)電機(jī)輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)[18]的LEC為3.0元/(kW·h)。以上系統(tǒng)中太陽能噴射式電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)的LEC最低，且在發(fā)電基礎(chǔ)上還可以供熱(制冷)。

表7 不同發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Tab.7 Economic comparison of different power generation systems

5 結(jié) 論

(1) 太陽能噴射式電熱(冷)聯(lián)供系統(tǒng)在正常工作的情況下能滿足該建筑物各時(shí)段的用電需求，且在11月份～次年2月份可滿足用戶的供熱需求，在6月份～9月份可滿足用戶的制冷需求。

(2) 在7月份的太陽輻照強(qiáng)度條件下，該系統(tǒng)能滿足建筑物的日常用電和制冷需求，有最大發(fā)電功率5.42 kW和最大制冷功率7.26 kW；在1月份的太陽輻照強(qiáng)度條件下，該系統(tǒng)能滿足建筑物的日常用電和制熱需求，有最大發(fā)電功率2.74 kW和最大制熱功率2.96 kW。

(3) 在考慮系統(tǒng)初投資及運(yùn)維成本的條件下，該系統(tǒng)的LEC為0.755元/(kW·h)，其能源供給方式和經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于現(xiàn)有其他方案，且在可供熱(制冷)等方面更具優(yōu)勢(shì)。