基于全工况热经济学方法的太阳能辅助制冷系统优化

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太阳能辅助制冷系统可有效降低建筑能耗,然而由于其热力经济性能偏差,其可行性有待提高。一方面,现有的热力经济研究未能在全工况范围内对优化潜力较大的组件实现最优设计。另一方面,使用低价格材料组件如铝制换热器虽然有利于降低系统总投资成本,但其存在可靠性低、使用寿命短等问题,反而可能降低系统的热力经济性能。因此,本文以太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统作为研究对象,基于热经济学方法在全工况范围内对组件尺寸优化及其低价格材料替换开展分析,旨在提升太阳能辅助制冷系统性能及可行性。本文主要研究结论如下:结果表明,尽管压缩机是系统中(火用)损以及内生可避免(火用)损最大的组件,但压缩子系统冷凝器的改进可降低60%以上的压缩机外生(火用)损以及约70%的压缩子系统节流过程的外生(火用)损,即压缩子系统冷凝器拥有最大的总可避免(火用)损,是系统优化潜力最大的组件。此外,压缩机、压缩子系统蒸发器与吸收子系统也对系统优化设计影响显著,其优化潜力分别位列第二、第三和第四。为提高系统在全工况范围内的热力经济性能,提出并应用全工况(火用)经济学方法获得了基于热带城市海口的主要组件全局最优方案,最优系统年度总成本率较设计工况降低13.6%。此外,吸收子系统以及压缩子系统中冷凝器和蒸发器的最优尺寸均正相关于当地太阳辐射强度和建筑冷负荷。相较之下,由于亚热带城市广州的太阳辐射与建筑冷负荷偏低,其压缩子系统冷凝器和蒸发器以及吸收子系统最佳尺寸分别比海口案例小13.3%、11.1%和20.0%。基于能值概念,将全工况(火用)经济学方法进一步发展为全工况(火用)-经济-环境分析方法,分析了铝制换热器的使用寿命及价格变化对其替代铜制造换热器在太阳能辅助制冷系统中的可行性。随着铝制换热器价格与铜制换热器价格之比值下降,铝制换热器使用寿命的可行下阈值近乎呈线性下降,而换热器最优尺寸随之略微增大。此外,随着铝制换热器的使用寿命的提高,换热器最优尺寸的整体变化趋势为先随之快速增大,随后增大趋势放缓,且冷凝器及蒸发器最优尺寸增速放缓的点分别出现在使用寿命为15年以及10年时。特别地,当价格比值为0.60时,低廉的造价使得铝制冷凝器最优尺寸随使用寿命的增长而近乎线性增大。
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