太陽能空調(diào)的工作原理

太陽能制冷就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機(jī)提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高，則制冷機(jī)的性能系數(shù)(亦稱COP)越高，這樣空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率也越高。例如，若熱媒水溫度60℃左右，則制冷機(jī)COP約0~40;若熱媒水溫度90℃左右，則制冷機(jī)COP約0~70;若熱媒水溫度120℃左右，則制冷機(jī)COP可達(dá)110以上。實(shí)踐證明，采用熱管式真空管集熱器與溴化鋰吸收式制冷機(jī)相結(jié)合的太陽能空調(diào)技術(shù)方案是成功的，它為太陽能熱利用技術(shù)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.基本工作原理

太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽集熱器和吸收式制冷機(jī)兩部分構(gòu)成。

1.1 吸收式制冷工作原理

吸收式制冷是利用兩種物質(zhì)所組成的二元溶液作為工質(zhì)來進(jìn)行的。這兩種物質(zhì)在同一壓強(qiáng)下有不同的沸點(diǎn)，其中高沸點(diǎn)的組分稱為吸收劑，低沸點(diǎn)的組分稱為制冷劑。常用的吸收劑—制冷劑組合有兩種：一種是溴化鋰—水，通常適用于大型中央空調(diào);另一種是水—氨，通常適用于小型空調(diào)。

吸收式制冷機(jī)主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器組成。

本文以溴化鋰吸收式制冷機(jī)為例。在制冷機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)溴化鋰水溶液在發(fā)生器內(nèi)受到熱媒水加熱后，溶液中的水不斷汽化;水蒸氣進(jìn)入冷凝器，被冷卻水降溫后凝結(jié);隨著水的不斷汽化，發(fā)生器內(nèi)的溶液濃度不斷升高，進(jìn)入吸收器;當(dāng)冷凝器內(nèi)的水通過節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收蒸發(fā)器內(nèi)冷媒水的熱量，從而達(dá)到降溫制冷的目的;在此過程中，低溫水蒸氣進(jìn)入吸收器，被吸收器內(nèi)的濃溴化鋰溶液吸收，溶液濃度逐步降低，由溶液泵送回發(fā)生器，完成整個(gè)循環(huán)。

1.2 太陽能吸收式空調(diào)工作原理

所謂太陽能吸收式制冷，就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機(jī)提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高，則制冷機(jī)的性能系數(shù)(亦稱COP)越高，這樣空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率也越高。例如，若熱媒水溫度60℃左右，則制冷機(jī)COP約0?40;若熱媒水溫度90℃左右，則制冷機(jī)COP約0?70;若熱媒水溫度120℃左右，則制冷機(jī)COP可達(dá)1?10以上。

常規(guī)的吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要包括吸收式制冷機(jī)、空調(diào)箱(或風(fēng)機(jī)盤管)、鍋爐等幾部分，而太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)是在此基礎(chǔ)上再增加太陽集熱器、儲(chǔ)水箱和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

在夏季，被集熱器加熱的熱水首先進(jìn)入儲(chǔ)水箱，當(dāng)熱水溫度達(dá)到一定值時(shí)，由儲(chǔ)水箱向制冷機(jī)提供熱媒水;從制冷機(jī)流出并已降溫的熱水流回儲(chǔ)水箱，再由集熱器加熱成高溫?zé)崴?制冷機(jī)產(chǎn)生的冷媒水通向空調(diào)箱，以達(dá)到制冷空調(diào)的目的。當(dāng)太陽能不足以提供高溫?zé)崦剿畷r(shí)，可由輔助鍋爐補(bǔ)充熱量。

在冬季，同樣先將集熱器加熱的熱水進(jìn)入儲(chǔ)水箱，當(dāng)熱水溫度達(dá)到一定值時(shí)，由儲(chǔ)水箱直接向空調(diào)箱提供熱水，以達(dá)到供熱采暖的目的。當(dāng)太陽能不能夠滿足要求時(shí)，也可由輔助鍋爐補(bǔ)充熱量。

在非空調(diào)采暖季節(jié)，只要將集熱器加熱的熱水直接通向生活用儲(chǔ)水箱中的熱交換器，就可將儲(chǔ)水箱中的冷水逐漸加熱以供使用。

2.空調(diào)及供熱綜合示范系統(tǒng)

為了將太陽能吸收式空調(diào)技術(shù)付諸實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)“九五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃任務(wù)，北京市太陽能研究所于1999年9月建成一套我國目前最大的太陽能吸收式空調(diào)及供熱綜合示范系統(tǒng)(見壓題照片)。

2.1安裝地點(diǎn)概況

太陽能空調(diào)示范系統(tǒng)建在山東省。位于山東半島的東南端，北接煙臺(tái)，西臨青島，南瀕黃海。該地區(qū)有較好的太陽能資源，年平均日太陽輻照量為17?3MJ/m2。當(dāng)?shù)叵募咀罡邭鉁?3℃，冬季最低氣溫-7、8℃，夏季和冬季分別有制冷和采暖的要求，因此是安裝太陽能空調(diào)系統(tǒng)的合適地點(diǎn)。

銀灘旅游度假區(qū)利用本地區(qū)自然條件，大力發(fā)展旅游事業(yè)，正在籌建“中國新能源科普公園”。科普公園計(jì)劃建造包括風(fēng)能館、太陽能館等在內(nèi)的8個(gè)館、廳。太陽能空調(diào)系統(tǒng)就建在科普公園內(nèi)的太陽能館。

在這里人們不僅可以參觀太陽能科普展品，增長太陽能科普知識(shí)，了解最新的太陽能技術(shù)，并且在參觀和娛樂的同時(shí)可親身感受到太陽能空調(diào)和采暖所營造的舒適環(huán)境。

2.2主要技術(shù)性能

新建的太陽能空調(diào)系統(tǒng)由熱管式真空管集熱器、溴化鋰吸收式制冷機(jī)、儲(chǔ)熱水箱、儲(chǔ)冷水箱、生活用儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)泵、冷卻塔、空調(diào)箱、輔助燃油鍋爐和自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)安裝完成后，經(jīng)過冬、春、夏三季運(yùn)行和測(cè)試，達(dá)到表1的主要技術(shù)性能。

2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)太陽能與建筑有機(jī)結(jié)合

整個(gè)太陽能館的總體設(shè)計(jì)既使建筑物造型美觀、新穎別致，又能滿足集熱器安裝的要求。依據(jù)這個(gè)原則，建筑物的南立面采用大斜屋頂結(jié)構(gòu)，一則斜面的面積比平面大得多，可以布置更多的集熱器;二則在斜面上布置集熱器時(shí)無需考慮前后遮擋問題，而且造型也非常美觀。斜屋頂傾角取35°，與當(dāng)?shù)鼐暥冉咏?，有利于集熱器充分發(fā)揮作用。

(2)熱管式真空管集熱器提高了制冷和采暖效率

熱管式真空管集熱器是北京市太陽能研究所的一項(xiàng)重大科技成果，具有效率高、耐冰凍、啟動(dòng)快、保溫好、承壓高、耐熱沖擊、運(yùn)行可*等諸多優(yōu)點(diǎn)，是組成高性能太陽能空調(diào)系統(tǒng)的重要部件。熱管式真空管集熱器可為高效溴化鋰制冷機(jī)提供88℃的熱媒水，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的制冷效率;這種集熱器還可在北方寒冷的冬季有效地工作，為建筑物供暖。

(3)大小兩個(gè)儲(chǔ)熱水箱加快了每天制冷或采暖進(jìn)程

根據(jù)一天內(nèi)太陽輻照度變化的固有特點(diǎn)，儲(chǔ)熱水箱不僅可以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，還可以把太陽輻照高峰時(shí)的多余能量以熱水形式儲(chǔ)存起來。本系統(tǒng)與一般太陽能空調(diào)系統(tǒng)的不同之處在于設(shè)置了大、小兩個(gè)儲(chǔ)熱水箱。小儲(chǔ)熱水箱主要用于保證系統(tǒng)的快速啟動(dòng)。測(cè)試結(jié)果表明，在夏季和冬季晴天的早晨，小儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫就能分別達(dá)到88℃和60℃，從而滿足制冷和供暖的要求。

(4)專設(shè)的儲(chǔ)冷水箱降低了系統(tǒng)的熱量損失

盡管儲(chǔ)熱水箱可以儲(chǔ)存能量，但它的能力畢竟是有限的。本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了一個(gè)儲(chǔ)冷水箱。在白天太陽輻照充裕的情況下，可以將制冷機(jī)產(chǎn)生的冷媒水儲(chǔ)存在儲(chǔ)冷水箱內(nèi)，其優(yōu)點(diǎn)在于這種情況下的系統(tǒng)熱量損失顯然要比以熱媒水形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中低得多，因?yàn)橄募经h(huán)境溫度與冷媒水溫度之間的溫差要明顯小于熱媒水溫度與環(huán)境溫度之間的溫差。

(5)配套的輔助鍋爐使系統(tǒng)可以全天候運(yùn)行

所有太陽能系統(tǒng)的運(yùn)行都不可避免地要受到氣候條件的影響。為使系統(tǒng)可以全天候發(fā)揮空調(diào)、采暖功能，輔助的常規(guī)能源是必不可少的。該太陽能空調(diào)系統(tǒng)選用了輔助燃油熱水鍋爐，在白天太陽輻照量不足以及夜間需要繼續(xù)用冷或用熱時(shí)，可隨即啟動(dòng)輔助鍋爐，確保系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。

(6)系統(tǒng)運(yùn)行及工況之間切換均能自動(dòng)控制

在利用太陽能部分地替代常規(guī)能源的系統(tǒng)中，系統(tǒng)啟動(dòng)、能量儲(chǔ)存以及太陽能與常規(guī)能源之間切換等功能的自動(dòng)化都顯得尤為重要;另外，本系統(tǒng)設(shè)置了幾個(gè)儲(chǔ)水箱，如何在不同的工況下自動(dòng)啟用不同的水箱，走不同的管路，也是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵;再則，太陽能系統(tǒng)還應(yīng)可*地解決自動(dòng)防過熱和防凍結(jié)的問題。因此，我們?yōu)樵撎柲芸照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套安全可*、功能齊全的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.推廣應(yīng)用前景

實(shí)踐證明，采用熱管式真空管集熱器與溴化鋰吸收式制冷機(jī)相結(jié)合的太陽能空調(diào)技術(shù)方案是成功的，它為太陽能熱利用技術(shù)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

太陽能吸收式空調(diào)與常規(guī)空調(diào)相比，具有以下三大明顯的優(yōu)點(diǎn)：

(1)太陽能空調(diào)的季節(jié)適應(yīng)性好，也就是說，系統(tǒng)制冷能力隨著太陽輻射能的增加而增大，而這正好與夏季人們對(duì)空調(diào)的迫切要求一致;

(2)傳統(tǒng)的壓縮式制冷機(jī)以氟里昂為介質(zhì)，它對(duì)大氣層有極大的破壞作用，而吸收式制冷機(jī)以無毒、無害的溴化鋰為介質(zhì)，它對(duì)保護(hù)環(huán)境十分有利;

(3)同一套太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)可以將夏季