对于光式空调体系效能的数字模拟探究

　　在PVAC系统中，光伏组件与系统的蒸发器结合成一体，在PVAC系统接收到的太阳辐照中，短波部分被光伏电池转化为电流输出，长波部分被作为系统蒸发器的热源来加以利用，使太阳能从光电、光热两个方面被加以综合利用。

　　PVAC系统原理所示，系统主要包括压缩机、板式冷凝换热器、膨胀阀、PV／T蒸发器、控制系统等几部分。其中，PV／T蒸发器包含光伏组件，提供电流输出，可以提供系统运行所需要的全部或者大部分电能需求。系统循环通过PV／T蒸发器吸收太阳辐照，在冷凝加热器处输出高温热能，同时降低了光伏组件的温度，提高其发电效率。

　　2系统模型

　　2.1PV／T蒸发器模型

　　PV／T蒸发器由光伏电池、导热铝板、工质盘管、绝热层和铝质框架构成，具体结构剖面所示。

　　与导热铝板紧密贴合在一起，工质盘管平行焊接在导热铝板的背面，相邻两平行工质盘管之间的距离称为管间距L 0。

　　光伏电池、导热铝板、工质盘管三者之间保证导热良好，铝板的背面有绝热层围护。

　　对PV／T蒸发器的预测常见的有两种模型：一种是考虑管内制冷剂的压降建立制冷剂均相流动的控制方程；另一种是利用能量平衡原理建立蒸发器的代数控制方程。本文采用第二种数学模型对系统加以分析。

　　2.2板式换热器（冷凝器）模型

　　辐照热能被PV／T蒸发器吸收后，通过系统装置提高其温度和品质，在冷凝换热器输出。空调系统循环同时还可以降低PV组件的温度，提高其光电转换效率。空调系统的热力学循环过程所示。

　　在冷凝器中被冷凝后的工质R22，首先经节流过程7－8在膨胀阀或毛细管中被节流降压；然后，R22工质进入PV／T蒸发器的工质盘管，在PV／T蒸发器中经过程8－1－2逐步吸热气化，充分换热后达到过热状态点2；过热气体经压缩机压缩升温后到达压缩机出口状态点3，同时进入冷凝换热器入口；过程3－5－6－7为R22工质在冷凝换热器内的冷凝过程，工质R22在冷凝器出口点7呈过冷状态；随后过冷工质又进入毛细管，开始新的循环。

　　板式换热器作为冷凝器时，受到换热器的结构参数、蒸汽流速、蒸汽干度、蒸汽压力、蒸汽与冷却介质的相对流动方向等因素的影响，使得对板式换热器的凝结换热系数计算变得很复杂了。

　　2.3压缩机的数学模型

　　系统在运行过程中，PV／T蒸发器被阳光直接照射，蒸发温度随阳光辐照的强弱而变化，系统装置中的压缩机工况也随之明显波动。但由于在压缩机中，系统的状态参数变化过程极快，因此可以假设工质热力参数均匀，采用集中参数法来建立其数学模型。而且压缩机的时间常数，要远小于冷凝器、蒸发器等的时间常数，因此可以视作稳态系统，故用稳态的集中参数法建立压缩机的数学模型。

　　2.4热力膨胀阀的数学模型

　　为简化起见，热力膨胀阀采用孔板方程建模，以计算流量及出口焓值：m R＝CA2（P C－P E）

　　＝CA2$P

　　（9）式中：m R－工质质量流量，kg／s；P E－蒸发器压力，P C－冷凝器压力，C－流量系数；ρ－工质密度，kg／m 3。

　　其中，流量系数C与蒸发压力相关，通过实验，测得了在不同蒸发压力下制冷剂流量，并通过程序回归出流量系数C与蒸发压力的简单函数关系式。

　　3太阳辐照度和环境温度对系统性能的影响

　　可以看出，PVAC系统的性能系数COP（coefficientofperformance）和集热器效率" col随着环境温度的升高而升高，但系统的光电效率" el随着环境温度的升高而降低。

　　可以看出太阳辐照强度越高，系统COP值受环境温度的影响越小。这是因为当辐照强度较小时，太阳能热泵蒸发器的温度远低于环境温度，而当辐照强度增大后，热泵蒸发器温度迅速上升，并接近环境温度，但随着辐照强度进一步增大，蒸发器向空气的对流散热损失也将逐渐增大，从而达到热量收支的动态平衡。

　　可以看出，PVAC系统的COP随着太阳辐照强度的增强而升高，但增幅逐渐减小，光电效率" el和集热器热效率" coll随着太阳辐照强度的提高而降低。这是因为辐照加强，热泵蒸发器被阳光直接照射，蒸发温度、蒸发压力提高，压缩机功率降低，此时光电功率较低，而此时集热器热效率较高。随着太阳辐照度的增强，热效率就出现降低的趋势，刚开始热效率下降趋势较大而随着太阳辐照度的提高热效率下降的趋势变缓，而光电功率升高的幅度低于太阳辐照度升高的幅度，以光电效率下降。

　　可以看出，当太阳辐照度G＝200W／m 2，系统的集热器效率高达70％，但是此时系统的COP却仅有2.7，系统的性能不在*佳工作点。随着太阳辐照度的升高，在环境温度t＝0℃，太阳辐照度G＝445.6W／m 2时，两条曲线交叉。也就是说在此点系统的性能和集热器热效率都达到*优，此时系统COP＝3.27，集热器热效率coll＝44.8％。

　　可以知道，系统的COP随着蒸发器出口过热度的升高而降低，随着太阳辐照度的升高，COP升高的幅度变缓。

　　可以看出，蒸发器出口制冷剂过热度Tsh越高，蒸发器内制冷剂流量越大，制冷剂带走的集热器表面热量越多，贴在集热器表面的光电池温度就越低，光电效率就越高。

　　可以看出，蒸发器出口制冷剂过热度tsh越高，蒸发器换热面积就越得不到充分利用，PVAC系统的COP和集热器热效率coll就越低。只有将蒸发器出口过热度控制在较低水平，充分利用蒸发器的换热面积，提高系统的蒸发压力和蒸发温度，才能使系统的COP和集热器热效率coll得到较大的提高。

　　还可以看出，系统的COP和集热器热效率随着蒸发器出口过热度Tsh的变化趋势一致，均随着蒸发器出口过热度的降低而降低，这就为对系统采取正确的控制策略提供了依据。

　　4PVAC系统控制策略的提出我们知道，膨胀阀必须与蒸发器进行*佳“匹配”。

　　“匹配”就是要求膨胀阀和蒸发器一起工作，能够稳定运行的同时，产生*大的能量。每台蒸发器均存在一条*小的稳定信号线（MSS线）。

　　可知，在蒸发器的MSS线上，不同的制冷剂均对应一临界过热度；当蒸发器工作在MSS线左侧，则制冷系统将不稳定，若工作在MSS线右侧，系统工作稳定但过热度太大而蒸发器的利用率不高；斜线为膨胀阀的静态线，理论上，工作点A应该是*佳匹配点，此时蒸发器过热度处于临界状态，制热量*大且处于临界稳定状态。

　　*高温度值随风速的增大而减小。风速较小时，燃烧系统的通氧量较小，只能处于阴燃，而不能转变为明火燃烧。随着风速的增大，燃烧系统的通氧量增多，试样有充足的氧气与之产生明火燃烧。风速过大，空气与试样表面的对流换热增加，使得试样达不到着火的温度。

　　所测得的*高温度值，可以看出，与风管内上壁面距离160mm处各测点的*高温度值远远高于与风管内上壁面距离100mm处、10mm处各测点的*高温度值。风管越大，与风管内上壁面距离100mm处以及与风管内上壁面距离10mm处各测点的*高温度值的温差越小。

　　4结论

　　（1）试样厚度越厚，产生火蔓延的可能性就越大，且发生火蔓延的通风风速的区域范围就越大。

　　（2）在同等风管截面尺寸下，试样厚度越厚*高温度的*大值就越大。在同等试样厚度下，风管截面尺寸越大，*高温度的*大值就越小。

　　（3）与风管内上壁面距离160mm处各测点的*高温度值均先随着风速的增大而增大，当风速增大到一定值时，各测点的*高温度值随风速的增大而减小。

　　（4）风管越大，与风管内上壁面距离100mm处以及与风管内上壁面距离10mm处各测点的*高温度值的温差越小。