中高溫?zé)峁苁教柲芪帐娇照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究分析

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(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院能源研究所，山東　濟(jì)南　250014；2.北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，北京　100124)

近年來，隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，我國每年新增建筑約占世界每年增加總量的50%，并且隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建筑用能正在持續(xù)快速上升，其所占全社會(huì)能耗的比重不斷增大[1]，將從2000年的27%左右上升到2020年的35%左右，而在建筑能耗當(dāng)中，又以空調(diào)采暖等設(shè)施設(shè)備耗能最多，基本上占到建筑能耗的一半以上。低碳節(jié)能已成為現(xiàn)階段發(fā)展的方向，降低建筑能耗，使用可再生能源將成為主流趨勢(shì)。做為新能源空調(diào)，利用太陽能作為制冷空調(diào)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，從而增加空調(diào)的效率值減少電力應(yīng)用。因此研究、開發(fā)和推廣太陽能制冷制熱技術(shù)和產(chǎn)品，在應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境方面有著顯著的社會(huì)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

1　太陽能空調(diào)現(xiàn)狀

1.1　太陽能空調(diào)發(fā)展現(xiàn)狀

在世界能源日益緊張，空調(diào)能耗逐年增加的情況下，采用更為節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)是人類共同需求。以太陽能為驅(qū)動(dòng)熱源的空調(diào)采暖制冷系統(tǒng)，既節(jié)約了能源，還不使用破壞大氣層的氟利昂等有害物質(zhì)，是名符其實(shí)的綠色空調(diào)。在節(jié)能和環(huán)保方面有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

傳統(tǒng)的太陽能空調(diào)技術(shù)多是建立在太陽能集熱器基礎(chǔ)上，一方面，由于太陽能的利用效率低、價(jià)格高、并且受時(shí)效影響，對(duì)于居住相對(duì)集中的樓房來說，如果樓房的設(shè)計(jì)沒有考慮到太陽能空調(diào)，集熱器的安裝將受到很大的限制；另一方面，太陽能制冷有多種形式，但就目前的研究現(xiàn)狀來看，各種不同形式的制冷系統(tǒng)都多少存在著不足，所有限制了太陽能系統(tǒng)的運(yùn)行效率，以及各種制冷循環(huán)的聯(lián)合運(yùn)行都是將來研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著太陽能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的軟硬件系統(tǒng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、配套設(shè)備的發(fā)展，并依托綠色建筑這個(gè)發(fā)展的建筑市場(chǎng)，太陽能在空調(diào)制冷中的研究應(yīng)用一定會(huì)有很大的發(fā)展[4]。

我國是發(fā)展中國家，地域遼闊，人口眾多，電力資源分布嚴(yán)重不均衡，但是大多數(shù)地方，特別是西部地區(qū)陽光照射充足，隨著人們生活水平的提高，對(duì)空調(diào)的需求將大大增加，而太陽能空調(diào)技術(shù)正好滿足這種需求，因此必有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1.2　太陽能空調(diào)分類

目前，太陽能空調(diào)的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式，一是先實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，再用電驅(qū)動(dòng)常規(guī)壓縮式制冷機(jī)進(jìn)行制冷；二是利用太陽熱能驅(qū)動(dòng)進(jìn)行制冷[2]。傳統(tǒng)意義上的太陽能空調(diào)技術(shù)一般指熱能驅(qū)動(dòng)的空調(diào)技術(shù)，但是隨著光伏產(chǎn)業(yè)的興起與中國光伏政策扶持，諸如格力在近期推出的“光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)系統(tǒng)”及美的開發(fā)的“Q-HAP太陽能空調(diào)技術(shù)”，開創(chuàng)了太陽能光伏空調(diào)的新紀(jì)元[5]。

(1)太陽能光伏發(fā)電是太陽能光伏空調(diào)的基礎(chǔ)，它是利用太陽光照射在半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、清潔、維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組件、充、放電控制器、逆變器、測(cè)試儀表和計(jì)算機(jī)監(jiān)控等設(shè)備和蓄電池及輔助設(shè)備組成。

(2)太陽能熱驅(qū)動(dòng)空調(diào)技術(shù)是利用熱驅(qū)動(dòng)進(jìn)行制冷，是當(dāng)下太陽能空調(diào)使用的最為普遍的模式。常見的空調(diào)系統(tǒng)主要有吸收式空調(diào)、吸附式空調(diào)、除濕空調(diào)以及噴射式制冷空調(diào) 4 種。其中前 3 種空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)用最為廣泛，其工作原理就是使用太陽能集熱裝置供應(yīng)的熱能進(jìn)行制冷裝置的驅(qū)動(dòng)，從而產(chǎn)生冷能力或者冷凍水向建筑物室內(nèi)輸送[3]。

2　低溫驅(qū)動(dòng)的太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)研究

夏季是制冷系統(tǒng)應(yīng)用的高峰期，負(fù)荷高。同時(shí)夏季也是太陽能輻射系統(tǒng)最好的季節(jié)，太陽能輻照好，太陽能集熱器效果好，低溫?zé)嵩吹脽崃扛?，溫升高，系統(tǒng)制冷效果好。空調(diào)負(fù)荷與太陽能輻照對(duì)比圖如圖1所示。

圖1　太陽輻照與空調(diào)負(fù)荷對(duì)比表

2.1　低溫驅(qū)動(dòng)太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)組成及工作原理

太陽能吸收式制冷系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、儲(chǔ)能裝置、輔助熱源/冷源、吸收式制冷機(jī)組和自動(dòng)控制系統(tǒng)五個(gè)主要部分組成。吸收式制冷機(jī)組組成如圖2所示。

圖2　低溫吸收式制冷系統(tǒng)原理圖

太陽能溴化鋰吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)過程主要是進(jìn)行熱質(zhì)交換，在發(fā)生器中，在太陽能的作用下會(huì)蒸發(fā)從而形成冷劑蒸汽，這時(shí)，溴化鋰溶液的狀態(tài)就會(huì)由稀薄變?yōu)闈獬?；接下來由吸收器吸收冷劑蒸汽，這時(shí)，溴化鋰溶液的狀態(tài)又會(huì)由濃稠變?yōu)橄”?；在低壓的狀態(tài)下，蒸發(fā)器中的冷劑水就會(huì)發(fā)生汽化，在發(fā)生汽化時(shí)就會(huì)吸收周圍的熱量，從而就能夠?qū)崿F(xiàn)制冷的目標(biāo)。太陽能溴化鋰吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)的具體工作過程如下所述：發(fā)生器、泵送來狀態(tài)為稀薄的溴化鋰溶液，該溶液會(huì)經(jīng)過熱交換器，之后在進(jìn)入到發(fā)生器之中；在發(fā)生器中，溴化鋰溶液會(huì)被熱源熱水進(jìn)行加熱，當(dāng)狀態(tài)為稀薄的溴化鋰溶液被加熱到一定溫度的時(shí)候，溶液中的水分就會(huì)發(fā)生汽化轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵?，生成的水蒸氣就?huì)進(jìn)入到冷凝器中；之后，蒸汽冷卻，再經(jīng)過水冷卻之后，就會(huì)凝結(jié)并成為冷劑水；經(jīng)節(jié)流后，冷劑水就進(jìn)入到蒸發(fā)器之內(nèi)，并被均勻地噴淋在管簇外表面，蒸發(fā)器管內(nèi)的冷凍水就會(huì)被冷劑水冷卻，水的溫度得到降低；冷劑水由于吸收了冷凍水的熱量，從而發(fā)生了汽化，成為了冷劑水蒸氣并進(jìn)入到吸收器之中，管內(nèi)的冷凍水就會(huì)被冷劑水冷卻，水的溫度得到降低。處于中間狀態(tài)的溴化鋰溶液吸收了冷劑水蒸氣，在進(jìn)行吸收的過程中，會(huì)放出一定的吸收熱，這些吸收熱會(huì)被吸收器管簇中的冷卻水帶走；處于中間狀態(tài)的溴化鋰溶液吸收了冷劑水蒸氣之后，就會(huì)變成稀薄的溴化鋰溶液；狀態(tài)為稀薄的溴化鋰溶液又會(huì)重復(fù)上述步驟，如此不斷地進(jìn)行循環(huán)，從而在蒸發(fā)器中不斷地發(fā)生冷效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了制冷目的。

2.2　太陽能集熱器熱選型及效率分析

太陽能集熱器吸收太陽輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞給傳熱工質(zhì)，是組成各種太陽能利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。對(duì)太陽能吸收式制冷系統(tǒng)來說，太陽能集熱系統(tǒng)的選型與匹配直接決定著整套系統(tǒng)的效果。

太陽能集熱器分為平板集熱器、真空管集熱器、聚焦型集熱器。平板型集熱器是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的集熱器，具有采光面積大，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但其熱流密度低，集熱溫度低等劣勢(shì)，一般適合應(yīng)用于陽臺(tái)壁掛產(chǎn)品，而不是用于集中熱水系統(tǒng)。真空管型太陽能集熱器分為全玻璃管型和金屬吸熱體型，因集熱器的吸熱體和玻璃管之間為真空，故對(duì)流、輻射和熱傳造成的損失大大減少，熱效率較高，成本適中; 聚焦型太陽能集熱器是由聚光器以反射或折射的方式，將投射到光孔上的太陽光集中到接收器上，形成焦面，接收器將光能轉(zhuǎn)換為熱能，再由介質(zhì)帶走，其又可分非跟蹤型"跟蹤式旋轉(zhuǎn)拋物面型"跟蹤式線性拋物面型，集熱溫度較高，在聚焦區(qū)可達(dá)到幾百攝氏度，能獲得優(yōu)質(zhì)熱能，但成本較高，占地面積大，兜風(fēng)性能不好，很難在城市中推廣。

本系統(tǒng)采用金屬吸熱體型太陽能集熱器(橫插式熱管集熱器)，該集熱器可實(shí)現(xiàn)低輻照量時(shí)快速啟動(dòng)，可在G>270 W/m2時(shí)實(shí)現(xiàn)，瞬時(shí)效率達(dá)0.62以上，基本實(shí)現(xiàn)冬季采暖對(duì)瞬時(shí)熱量的需求。其內(nèi)部構(gòu)造如圖3所示，其熱效率曲線如圖4所示。

圖3　集熱器內(nèi)部構(gòu)造圖

2.3　低溫驅(qū)動(dòng)太陽能吸收式空調(diào)熱物理參數(shù)分析

系統(tǒng)的WFC水溫、制冷能力曲線如圖5所示，其驅(qū)動(dòng)熱源溫度范圍廣，熱水范圍為70～95℃，隨著水溫的上升，其制冷能力逐步上升，隨著冷水溫度的上升其制冷能力逐漸下降。

啟動(dòng)溫度響應(yīng)時(shí)間圖如圖6所示，設(shè)備的小型化保證了溶液保有量較少，基于最新的流下夜膜式發(fā)生器技術(shù)，提高了對(duì)于輸入變動(dòng)的熱傳導(dǎo)速度的追隨性。

圖6　機(jī)組啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間圖

3　結(jié)束語

此系統(tǒng)集熱器采光面積150 m2，WFC吸收式冷機(jī)10RT一臺(tái)，建筑面積1 940 m2，末端采用風(fēng)機(jī)盤管。制冷能力35.2 kW，冷水溫度7～12.5℃，流量5.47 m3/h，冷卻水溫度35～31℃，流量18.4 m3/h，熱媒溫度70～95℃，流量8.64 m3/h，N=210 W。運(yùn)行一年多以來情況良好，10RT系統(tǒng)運(yùn)行功耗3.7 kW，是常規(guī)中央空調(diào)的功耗1/15～1/30，增量成本約30%。