公共建筑屋頂太陽能吸收式制冷空調(diào)可行性研究

毛方+姜文雍+李蕓

摘 要：公共建筑的屋頂是太陽能利用的合適場地，將太陽能集熱器和吸收式制冷系統(tǒng)相結(jié)合，將太陽能集熱器采集的中低溫?zé)嵩刺峁┙o吸收式制冷的的發(fā)生器，從而構(gòu)成一套清潔能源利用裝置。學(xué)校、醫(yī)院、賓館等對熱負(fù)荷和冷負(fù)荷需求旺盛的單位是這種裝置應(yīng)用的最佳對象，太陽吸收式制冷空調(diào)的超低能耗和節(jié)能減排效應(yīng)和當(dāng)下環(huán)保政策契合度很好，是一種具有廣闊前景的太陽能應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：公共建筑；太陽能；吸收式制冷；空調(diào)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.056

太陽能作為一種清潔能源，一直是新能源利用方面的熱點(diǎn)。太陽能來源廣、使用過程無二次污染、取之不盡用之不竭。太陽能低溫范圍的利用在我國獲得了巨大的成功，但太陽能的低溫范圍應(yīng)用主要局限于提供生活用的熱水，即太陽能熱水器。另一方面，即制冷應(yīng)用，太陽能的利用就顯得相形見絀了。制冷是公共建筑的耗能大頭，每年夏季，大量的電能消耗在制冷空調(diào)的運(yùn)行上面。夏季恰好又是太陽能輻射強(qiáng)度最高的季節(jié)，如何解決夏季太陽能輻射高峰和夏季的能耗高峰是當(dāng)前公共建筑的節(jié)能減排能否收到良好效果的關(guān)鍵。

吸收式制冷主要利用各種來源不同的熱源——工業(yè)余熱、地?zé)豳Y源、太陽能輻射、煤炭、天然氣等提供熱源，作為其制冷系統(tǒng)發(fā)生器的熱量來源[1]。其中，以溴化鋰--水吸收式制冷裝置技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最廣泛。吸收式制冷不需要傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)設(shè)備，取而代之的是由發(fā)生器、溶液泵和吸收器做成的二元工質(zhì)對子循環(huán)系統(tǒng)。該子循環(huán)系統(tǒng)的作用取代傳統(tǒng)的壓縮機(jī)將制冷循環(huán)的制冷劑溫度和壓力提升，形成制冷劑循環(huán)。

1 屋頂太陽能集熱系統(tǒng)

公共建筑的屋頂一般為空余的平坦場地，采光條件優(yōu)良，施工難度低。太陽能集熱裝置可根據(jù)建筑方位按最優(yōu)角度布置在建筑的屋頂。目前，技術(shù)相對成熟的幾種太陽能集熱裝置分別是：槽式太陽能集熱器、塔式太陽能集熱器、蝶式太陽能集熱器和線性菲涅爾太陽能集熱器[2]。這幾種不同形式的集熱器各有其適用的場地合應(yīng)用條件。結(jié)合集熱器本身的工作原理和溴化鋰吸收式制冷對熱源的溫度要求，公共建筑的屋頂比較適宜采用槽式太陽能集熱器。

槽式集熱器主要由拋物面槽式反光鏡面、真空管、機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、連接管等組成。如圖1所示，平行太陽光束以垂直于拋物鏡面的方向照射到拋物槽表面時(shí)，槽式聚光器利用其拋物鏡的聚焦原理將光線匯集到位于焦線的真空管接收器外表面上，經(jīng)過聚焦的光線被被吸熱管管壁上的選擇性吸收涂層所吸收。在吸熱管內(nèi)部流動著傳熱介質(zhì)，一般為導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油沿流動方向連續(xù)吸收管壁上的熱量，吸收能量后的導(dǎo)熱油溫度上升。一般槽式集熱器可將傳熱介質(zhì)的溫度提升至250℃～300℃的溫度范圍。這些導(dǎo)熱介質(zhì)吸收能量溫度上升后可以經(jīng)連接管道串聯(lián)或并聯(lián)后匯合起來，進(jìn)入儲熱裝置，然后再通過熱交換器將熱量傳遞給用熱設(shè)備。

整個(gè)過程主要分為采光、反射、吸收、熱交換四個(gè)階段，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光能到熱能的轉(zhuǎn)化過程。系統(tǒng)可隨用熱負(fù)荷的大小控制管道內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)的流速、進(jìn)而調(diào)節(jié)其出口溫度，以滿足不同的太陽能吸收式制冷空調(diào)對熱負(fù)荷的要求。

2 溴化鋰吸收式制冷的熱交換器

考慮到為發(fā)生器提供熱源的是太陽能集熱器，因此，需要綜合考慮熱能利用的有效性及換熱器結(jié)構(gòu)的兼容性。發(fā)生器是溴化鋰吸收式制冷機(jī)的主要熱量消耗裝置，來自太陽能集熱器的導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)入換熱器時(shí)要充分考慮到換熱面積。另一個(gè)問題是，太陽能作為一種清潔能源固然有優(yōu)點(diǎn)，但太陽能又和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件緊密相關(guān)。需要考慮到無光照或者光照不足條件時(shí)采用電輔熱或者其他的替代熱源。因此，應(yīng)用于太陽能吸收式制冷的熱交換器就要在結(jié)構(gòu)上有所不同。一種經(jīng)過改進(jìn)的套管式換熱器可適應(yīng)這些特殊的要求。

這種套管式換熱器由一根大管里面套兩根小管構(gòu)成，其中一根小管里面流動的是來自太陽能集熱器的導(dǎo)熱介質(zhì)，另一根小管為電加熱管。為了增加換熱面積，導(dǎo)熱介質(zhì)管道呈螺旋形盤繞在電加熱管上。大管和小管之間的空隙則是溴化鋰溶液的流動區(qū)域。當(dāng)光照充足時(shí)，來自太陽能集熱器的導(dǎo)熱介質(zhì)攜帶足夠的熱量，通過管壁和溴化鋰溶液發(fā)生熱交換，溴化鋰溶液被加熱到預(yù)定溫度后沸騰產(chǎn)生蒸汽；當(dāng)光照不足或無光照時(shí)，啟動電加熱管加熱溴化鋰溶液。這種構(gòu)造的管殼式換熱器使得太陽能吸收式制冷的適用范圍大大增強(qiáng)。同時(shí)，由于溴化鋰吸收制冷機(jī)組禁止溶液在換熱設(shè)備里凝固，電加熱管可以有效防止系統(tǒng)在集熱器端沒有熱量傳遞時(shí)發(fā)生事故。

3 節(jié)能前景分析

根據(jù)一般公共建筑的使用規(guī)律，它們在能耗方面表現(xiàn)出顯著的時(shí)間和空間差異性。夏季由于空調(diào)的大范圍使用，電耗顯著上升。在一般公共建筑能耗分配中，照明用電、動力設(shè)備的電耗是基本是不變的，處于穩(wěn)定狀態(tài)。另一方面，夏季供冷、冬季供暖能耗是在一年當(dāng)中隨季節(jié)而波動[3]。因此，夏冬兩個(gè)季節(jié)的電耗明顯高于春秋兩個(gè)季節(jié)，由此看出，樓宇建筑的空調(diào)能耗在建筑能耗中占有很大的比例。尤其是醫(yī)院、賓館、商場、學(xué)校等人員密集的建筑。夏季增加部分的電量占夏季總用電量的30%左右。故一般人員密集公共建筑節(jié)能的關(guān)鍵在于采用新型節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)。

以一個(gè)房頂面積1000平米的學(xué)生宿舍房頂為例，夏季光照充足，太陽輻射強(qiáng)度高，輻射功率大約1000瓦/平方米。根據(jù)光熱轉(zhuǎn)換效率80%、日有效光照時(shí)長6小時(shí)計(jì)算，每天該房頂面積吸收的太陽能將轉(zhuǎn)化成17180000千焦的熱量。相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤0.6噸，相當(dāng)于4878度電產(chǎn)生的熱量?？紤]到不論是夏季的溴化鋰吸收式制冷機(jī)，還是冬季樓宇的用熱，太陽能產(chǎn)生的熱量均無需經(jīng)過熱-電-熱這一能量轉(zhuǎn)化路線，而是直接的熱-熱轉(zhuǎn)換，因此，公共建筑房頂?shù)奶柲芾霉?jié)能前景都是十分客觀的。但太陽能吸收式制冷的應(yīng)用也是面臨諸多現(xiàn)實(shí)問題的，首先樓宇頂部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，大規(guī)模的太陽能集熱裝置對樓宇的結(jié)構(gòu)稱重提出了要求，現(xiàn)有的部分建筑房頂不一定考慮到過多的承重載荷。其次，太陽能吸收式制冷機(jī)組的首次投資成本明顯大于普通的蒸汽壓縮式制冷機(jī)組，且后期的需要合理維護(hù)，這在一定成程度上提升了使用成本[4]。

4 結(jié)論

公共建筑的房頂是一塊尚未完全開發(fā)利用的能源寶地，太陽能集熱技術(shù)的發(fā)展使得大規(guī)模的太陽能熱力用成為可能。槽式太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合建筑房頂?shù)奶攸c(diǎn)可以作為太陽能吸收式制冷的熱量采集終端。溴化鋰吸收式制冷的熱交換器可以考慮到太陽能本身的特點(diǎn)，結(jié)合電熱輔助措施，擴(kuò)大太陽能吸收式制冷空調(diào)的應(yīng)用范圍。

太陽能吸收式制冷汲取了吸收式制冷對熱源的寬泛要求的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的公共建筑的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得太陽能吸收式制冷空調(diào)在該領(lǐng)域的廣泛前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂斌.太陽能空調(diào)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J].節(jié)能與環(huán)保，2010（04）：46-48.

[2]陳亞平等.太陽能綜合空調(diào)系統(tǒng)在住宅小區(qū)應(yīng)用的可行性探討[J].能源研究與利用，2007（05）：5-9.

[3]趙妍.建筑中太陽能技術(shù)應(yīng)用及其開發(fā)碳減排項(xiàng)目的可行性分析[D].河北工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]李玉潔.太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析[J].節(jié)能技術(shù)，2009，27（05）：441-445.

課題項(xiàng)目：衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目“建筑房頂集中式太陽能吸收制冷技術(shù)應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號：QZYZ1408）

作者簡介：毛方（1984-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，講師，研究方向：動力機(jī)械運(yùn)動學(xué)仿真分析、動力機(jī)械傳熱分析。