【关键词】太阳能,热水器,冰箱,复合机,实验
【论文摘要】在一种新型的、可同时提供热水和制冷的太阳能热水器冰箱复合机实验装置上进行了一系列实验，通过改变该装置的工况，使之在不同的工况下进行性能实验，得出了该装置的最优工况，为将来的进一步研究打下基础。
研究背景
随着地球人口的急剧增加，资源消耗加速，能源危机加剧，人类的命运受到日益严峻的挑战。利用取之不尽，用之不竭的丰富的太阳能，是当前国内外解决能源危机的重要手段。得到了日益重视和开发。我国是一个太阳能资源非常丰富的国家，这些资源都在白白浪费。以河北、山西等地为例，该地区的太阳辐射年总量在586～670 kJ／cm2，相当于燃烧标准煤200～230 kg。可见，有效地利用太阳能对于我们这个人口众多的国家具有非凡的意义。其中，太阳能热水器是太阳能光热利用的一个典型，中国在太阳能热水器的发展上独树一帜。据资料统计，1992年世界太阳能热水器销售总量为95万m2，而中国为50万m2，超过世界总量的一半。资料进一步表明，我国太阳能热水器保有量将由1995年的430万m2发展到2000年的1253万m2，年均产销量为250万m2。若按每户使用2 m2的集热器，到2000年中国至少有500万用户使用太阳能集热器作为家庭用热水的主要渠道。除此之外，随着社会的发展，人民生活水平的提高，空调和冰箱被广泛地应用。因为当前被普遍应用的空调和冰箱都采用氟利昂制冷，但是氟利昂对大气臭氧层的破坏作用，对人类的生存提出了挑战。所以利用太阳能来进行制冷，达到绿色、环保的目的是当今世界众多科研人士的努力方向。把太阳能热水器和太阳能制冷有效的结合起来，达到太阳能资源的综合利用，在一边提供热水的同时，一边制冷是一个全新的思维，现在我们在实验室里已经让它成为现实［1～3］。
1 太阳能热水器冰箱复合机实验装置
该装置构建思想如下：将吸附式制冷的吸附床直接装入太阳能热水器的热水箱内，从而在白天太阳能热水器系统的集热器所收集的太阳能热量，既可加热热水箱的水，又可加热吸附床，加热吸附床将会导致吸附床内的吸附剂解吸制冷剂；而到晚上，将热水箱内的热水用尽或放入另一保温水箱内供用户使用，同时将冷水放入装有吸附床的水箱内，吸附床由于受到冷水的直接冷却，温度很快降低至所要求温度。此时，让吸附床内的吸附剂吸附白天解吸出来的制冷剂而产生制冷效果，系统所得到的冷量可通过蓄冷装置在需要时向用户提供冷量。图1是该装置的系统简图。
图1 太阳能热水器冰箱复合机实验装置
1．热水箱；2．热水；3．吸附床；4，7，10．阀门；5．冷凝器；
6．贮液罐；8．绝热箱；9．蒸发器；11．真空管集热器
2 热水器冰箱复合机实验结果和分析
为了对该装置的性能有一个全面的了解，找出该装置的最优工况，先用电加热模拟太阳能。对太阳能集热器而言，通常集热器接受的平均太阳能辐射能量为500 W／m2，故选用1500 W的电加热器来模拟3 m2的集热器所收集的能量。在电加热器的电路上安装上了一个控温器，为了改变吸附床的最高解吸温度，来观察该装置的制冷COP随最高解吸温度的变化。分别将水温控制在92℃，81℃，72℃，吸附床温度则相应控制在85℃，73℃，66℃，得到的实验数据如表1至表3所示。表1 实验1原始参数的数据记录
 表2 实验2原始参数的数据记录
 表3 实验3原始参数的数据记录
 实验1水温控制在92℃，吸附床平均温度为85℃，冰箱内放入水9 kg，热水箱内放入水120 kg(为了具有可比性，以后两组实验热水箱内水均为120 kg），系统共运行22.6 h，耗电16.95 kW.h，得到92℃热水120 kg，－1.5℃冰9kg。系统循环运行过程中相关的原始参数如表1所示。
实验2水温控制在81℃，吸附床平均温度为73℃，冰箱内放入水6 kg，热水箱内放入水120 kg，系统共运行22.8 h，耗电12.36 kW.h，得到81℃热水120 kg，冰箱内温度－1.2℃。系统循环运行过程中相关的原始参数如表2所示。
实验3水温控制在72℃，吸附床平均温度为66℃，冰箱内放入水4.5 kg，热水箱内放入水120 kg，系统共运行19.5h，耗电10.95 kW.h，得到72℃热水120 kg，冰箱内温度－1.2℃。系统循环运行过程中相关的原始参数如表3所示。
处理原始数据，并进行作图、计算，计算结果如表4。其中图2至图10显示了在3种不同的工况下，热水箱内水温与吸附床温度随时间变化曲线、蒸发器内制冷剂与冰盒内水温度随时间变化曲线以及装置的热力循环图。计算时用如下公式：
COPsystem＝系统对外产生的冷量／外界提供给系统的总加热量 （1）
COPcycle＝系统对外产生的冷量／吸附床所得到的加热量 （2）
η＝系统对外界产生的热水热量／外界提供给系统的总加热量 （3）
COP60＝系统对外产生的冷量／（外界提供给系统的总加热量－60 kg水得到的热量－漏热） （4）表4 复合机装置实验性能结果
 由于实验装置的缺陷，存在着较大的漏热，使得系统的COP减小，并且该装置的热水箱比较大，如将复合机商用化无需120 kg水，家庭使用时只需60 kg即可，故在此模拟了60 kg热水系统，其对应的COP定义为COP60，计算COP60时，把外界提供给系统的总加热量减去60 kg水得到的热量再减去漏热来作为分母，公式如(4)。为此特意做了装置在92℃，81℃，72℃下的漏热实验，计算了漏热功率，分别得出每小时漏热0.61，0.31，0.2 kW.h。
下列各图中，图2至图4是92℃工况下系统的各参数随时间的变化图以及装置的热力循环图，图5至图7是81℃工况下的，图8至图10是72℃下的。
图2 实验1水箱内水温与吸附床温度随时间变化曲线
1．水箱内水温；2．吸附床温度
图3 实验1蒸发器内制冷剂与冰盒内水温度随时间变化曲线
1．蒸发器内制冷剂温度；2．冰盒内水温
图4 实验1热力循环图
图5 实验2水箱内水温与吸附床温度随时间变化曲线
1．水箱内水温；2．吸附床温度
图6 实验2蒸发器内制冷剂与冰盒内水温度随时间变化曲线
1．蒸发器内制冷剂温度；2．冰盒内水温
图7 实验2热力循环图
图8 实验3水箱内水温与吸附床温度随时间变化曲线
1．水箱内水温；2．吸附床温度
图9 实验3蒸发器内制冷剂与冰盒内水温度随时间变化曲线
1．蒸发器内制冷剂温度；2．冰盒内水温
图10 实验3热力循环图
从图中可以进行如下的说明：从图2，5，8中可看出，水箱内的水受电加热器加热时，从初始温度开始升高，随着加热的进行，水温升至所控温度，并保持恒定。在加热结束后，将水箱内的热水转移至另一水箱，而将冷水注入，此时，水箱内的水温下降至所注入的冷水水温。当吸附床开始吸附制冷剂后，由于吸附热的存在，故吸附过程中水箱内的水温略有升高，至20 h左右基本完成一个循环过程。从中还可看出，在加热过程中，吸附床的温度与水温有一个滞后(大约8℃)，这主要是由于吸附床金属壳体的表面接触热阻及活性炭之间的热阻所致。当加热结束后，水箱内放入冷水，吸附床在短时间内降至与所注入的冷水几乎相等的温度，从而使吸附床内的压力降低至蒸发压力，以使制冷剂产生蒸发制冷过程。由于水箱内的冷水作为强劲的冷源，故吸附过程中吸附床的温度基本不会升至很高，吸附制冷效果极好。图3，6，9表明，在加热解吸过程中，蒸发器内制冷剂的温度基本不变，而在吸附时，蒸发器内的制冷剂液体很快地下降到蒸发温度不变，把冷量传给水并使水结冰。从中还可看出，冰箱内水的温度下降与蒸发器内的制冷剂的温度下降基本同步，这充分表明了蒸发器的设计非常合理，能有效地把制冷剂相变潜热转化为水的冷量。冰盒内的水在下降至冰点后，由于结冰需要带走大量的潜热，故冰盒内水的温度在相变温度点长时期内保持不变，至结冰结束时产生过冷使温度进一步降低。图4，7，10显示了复合机系统在一个循环过程中吸附床的压力与温度的变化关系，这与理想循环过程中的定压加热解吸有一定的差距。
图11，12，13是装置的制冷COP随解吸温度的变化图。可以看到，在固定工况下，即吸附温度为22℃，23℃，外界环境温度为15℃(环境温度与冷凝温度有关)，蒸发温度为－2.5℃左右，在解吸温度的范围60℃至90℃之间，该装置的COP随最高解吸温度的上升而上升。由于太阳能热水器冰箱复合机利用水作为加热中间媒介，而水在正常压力下的沸点为100℃，并且由于水和吸附床之间存在传热温差，所以吸附床的最高温度会在92℃左右，故这组实验数据可以有效地表现该装置性能。这提醒了我们在以后用太阳能直接照射真空管集热器作为加热源时，应尽可能加热水，使水温达到90℃以上，而这可以通过合理的设计办到。在实验中发现，在高温工况下装置解吸得又快又好。这就给以启示，如果用40 MJ连续加热和把温度控制在70℃下输入40 MJ相比较，也许前者会比后者产生更大的制冷量。由于利用太阳能加热是无须控温的，类似于连续加热，故可以充分利用这一好处。为了进一步模拟太阳能，我们又做了以下实验：在工况蒸发温度为1.5℃，吸附温度为25℃，环境温度为24℃下连续加热40 MJ，45 MJ，50 MJ，55 MJ，实验结果如表5。
图11 COPsystem随解吸温度Tg的变化
图12 COPcycle随解吸温度Tg的变化
图13 COP60随解吸温度Tg的变化
表5 复合机装置实验性能结果
 3 总能利用效益分析
从前面的实验结果及分析计算可明显看出，太阳能供热与空调制冷一体化的复合机装置具有能量利用的两种效益：其一为太阳能制冷系数COPsystem，其二为太阳能热水器热利用率ηsystem，故总能利用率ηtotal为两部分之和，即有：
ηtotal＝COPsystem／ηe＋ηsystem （5）
其中ηe为热转成电的效率，通常ηe＝0.33，式(5)中COPsystem／ηe即展示了相当于电制冷所对应的效率。从热能制冷的角度来分析，复合机系统的总能利用率从实验结果数据及模拟计算看，ηtotal在0.6以上。进一步可把这种供热与制冷一体化的装置推广应用于工业领域内的余热、废热利用等场所，将能得到更可观的经济效益。
4 结论
通过了十几组实验，对该热水器冰箱复合机实验装置有了进一步的了解，为将来深一步的研究打下了基础。该实验装置COP随最高解吸温度的提高而提高(在60℃至90℃之间)，随加热量的增大而增大，提示了我们以后用太阳能直接照射真空管集热器作为加热源时，应尽可能加热水，使水温达到90℃以上，以达到最大的COP。采用这种装置，可紧密地结合太阳能热水器发展的新技术来改善复合机装置的性能及运行特性，达到综合、高效地利用太阳能的目的。太阳能热水器与制冷复合机装置的顺利实施，将为可持续发展下的绿色制冷、节能环保工作的开展提供一条极有实用价值的途径。
*上海市教委曙光计划资助项目及霍英东基金资助项目。
作者简介：寿海波，男，25岁，硕士。
作者单位：上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200030
参考文献
1 王如竹，李明，吴静怡，许煜雄．太阳能热水器冰箱复合机．中国发明专利，申请号：97106781．3．
2 Wang R Z,Li M,Wu J Y,Xu Y X.A new hybrid system of solar powered water heater and adsorption ice maker.Proceedings of the International Sorption Heat Pump conference,1999,Munich,Germany,123～128
3 李明，王如竹，许煜雄，吴静怡．太阳能热水器制冷空调复合机装置的实验．新能源，1999，21（2）：12～16(end)
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