太阳能空调在长沙某综合楼的应用
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The application of solar air-conditioning for a multiple-use building in
Changsha
Wang luying, Zou mingxia, Shen liang, Zhang yu (China Construction Science & Technology Group Co., LTD,
于散热面积大，散热形式广，热量损失较大 [8]。真空管型集热器热对流损失小，部分型 号同时应用了选择性涂层，能防止辐射热损 失，因此不必跟踪和聚光就可达到较高的集 热温度。真空管型集热器分为全玻璃真空管 型、热管型、U 型管型等，由于本项目太阳 能空调主机采用国外先进设备，较低的温度 即可驱动机组制冷，故而综合考虑集热效率、 安全性、可操作性和造价等多方面因素，本 项目选择 U 型管式真空管集热器。
building(office and dormitory)in the solar energy resources area of class III, hoping providing basis for the
popularization of solar air- conditioning in the solar energy resources area of class III. Through the
量=61.24%
热泵系统 COP 均按 3.0 计算得，太阳能
折算耗电量（对比热泵系统）=（太阳能制
冷量+太阳能制热量）/COP 热泵=19371kWh
the optimum type and area , adopted wasted steam in the factory for auxiliary energy, and optimized the system
control program for improving energy-saving efficiency.
宁乡县，服务对象为：A 配楼，主体 3 层， 建筑面积 2283.45m2，使用功能为办公，C 配楼，主体 3 层，建筑面积 1884.64m2，使 用功能为职工宿舍，太阳能空调系统负责为 A 配楼供暖/冷和 C 配楼供暖以及生活热水。 系统的峰值总冷负荷为 72.16kW，峰值总热
a作者简介：王鲁莹（1990-），女，硕士，助理工程师 联系方式：wangluying@
通过考察多家太阳能集热器的生产厂 商并研究其产品的瞬时效率曲线后发现，在 各样本中，横坐标基于进口温度的归一化温 差的范围是 0~0.10，在这个范围内，各个厂 家的集热器性能表现差异不大，瞬时效率均 可达到 0.70 以上。但在实际应用中发现，虽 然国家标准规定的集热器瞬时效率曲线中 的横坐标基于进口温度的归一化温差的范 围是 0~0.10，但是在太阳能 III 类地区因日 照条件的不同其基于出口温度的归一化温 差范围未落在 0~0.10 这个范围内，以长沙
Ac
Qf JTed (1L )
（2-8） 式中 Ac——集热器总面积，m2；
Q——源端需热量，kJ； f——太阳能保证率； JT——当地集热器总面积上的 统 计 日 太 阳 辐 照 量 ， kJ/m2 ， 长 沙 地 区 JT=10.882MJ/m2·d；
cd ——集热器平均集热效率，本项目取
0.5；
L ——管路及贮水箱热损失率，本项目取
0.2。 下表为当太阳能保证率取不同值时，根
据式 2-7 计算的集热器面积：
表 2-1 太阳能集热器面积计算表
方案一 方案二 方案三
太阳能保
证率 f
0.3
0.4
0.5
太阳能集 183
244
305
3
热器面积 Ac/m2 本项目建筑屋顶总面积为 606m2，有效
利用面积约为 300m2，方案一的太阳能保证 率和集热器面积偏低。方案三太阳能保证率 虽高，但初投资过高，综合考虑太阳能集热 器初投资、屋顶面积和设备运行费用，最终 选择方案二。 2.4 运行控制设计
summarization of the existing solar refrigeration technology and the analysis of local solar energy resource, using
theoretical calculation, a cold and heat source scheme finalized. The scheme selected solar collector system with
（2-7） 其中，QU—集热器在规定时间内输出的 有用能量，W； QA—同一时段内入射在集热器上的太 阳辐照能量，W； QL—同一时段内集热器对周围环境散 失的能量，W[9]； A—集热器有效集热面积，m2； UL—具有均匀吸热体温度的集热器总 热损系数，W/(K·m2)；
( )e —有效透过-吸收积。
Beijing, 100030)
[Abstract] Taking the application of solar air-conditioning for a multiple-use building in changsha city as an
example, this paper mainly discussed the design and application of solar air-conditioning of a factory multiple-use
太阳能集热器是吸收太阳能量并将热 能传递到传热工质的一种装置，是太阳能空 调系统的重要组成部分，它的性能和成本对 系统起着决定性作用。目前，太阳能空调系 统可使用中温集热器（80~250℃）或低温集 热器（≤80℃）。中温集热器成本较高，多 用于示范工程，商业化较好的项目；低温型 集热器主要分为平板型集热器和真空管型 集热器，平板型集热器不易损坏，但吸热板 随着温度的升高不可避免地向四周散热，由
[Keywords] Solar collector, absorption lithium bromide unit, assembly building, Ultra-low-energy building
0引言
太阳能空调作为目前较为成熟的太阳 能制冷技术，其最大的优点在于良好的季节 匹配性，经过近 40 多年的研究应用，目前 已经进入实用化示范阶段[1-3]。李忠等[4]为海 南某高校图书馆设计安装了 316kW 的太阳 能单效吸收式空调系统，系统使用电制冷辅
1
负荷为 90.52kW，热水负荷为 105kW。 根据被动式超低能耗绿色建筑示范工
程的申报要求，系统可再生能源利用率需要 达到 40%以上。目前，项目已竣工并投入使 用。
2、方案选择及系统设计
2.1 空调方案选择 本项目办公楼为被动式超低能耗建筑，
在能源利用上，使用可再生能源是必然的选 择。项目所在地周围无地表径流，故不考虑 水源热泵形式；经模拟计算，全部使用地源 热泵供冷/热无法满足超低能耗建筑的能耗 指标要求；太阳能空调利用太阳能集热器收 集太阳能生产中高温热水，继而在夏季驱动 吸收式制冷机供冷，在冬季直接供暖，系统 一次能源消耗量较低，满足超低能耗建筑的 能耗指标要求。 2.2 辅助能源选择和蓄热
因此，若 UL 和 ( )e 为常数，瞬时效率
方程为归一化温差 T*的一次函数。 根据我国气象局公布的城市气象资料
得到，长沙地区晴天时的总日射辐照度为 937W/m2，多云天气时的总日射辐照度为 300W/m2 计算，阴天时的总日射辐照度为 100W/m2，工质进口温度与环境温度差取 0~50ºC，经过计算及考虑三种天气后，基于 进口温度的归一化温差的范围是 0~0.50。因 此就该项目而言，需要将考察的集热器瞬时 功率曲线延长至 0.5。笔者先后对五家集热 器生产企业性能相近的 U 型管集热器进行 了研究，此时的瞬时功率—基于进口温度的 归一化温差曲线如图 2-1 所示，从图 2-1 中 可以看出，当横坐标为 0.5 时，各集热器厂 家在 0~0.1 范围内集热器的瞬时功率差异明 显变大。对比图 2-1 中的各集热器性能，并 根据长沙地区晴天、多云、阴等天气多变的 特点，应选择斜率较小的 A 品牌或 C 品牌。 通过进一步对比两种集热器的市场价格后，
本文介绍了长沙某工厂综合楼的太阳 能空调工程，该综合楼设计定位为装配式被 动式超低能耗建筑，本工程将为该综合楼提 供供暖/冷以及生活热水，为太阳能空调在 太阳能资源三类地区的适用建筑中的推广 提供依据。
1、项目简介
助，实际运行数据表明，该套系统平均日运
本太阳能空调项目位于湖南省长沙市
行时间为 5h。上海交通大学与日出东方共建 了黑腔中温集热器驱动的双效吸收式太阳 能空调系统，此高效黑腔集热器在集热温度 为 150ºC 时的集热效率为 0.45。黑腔集热器 与太阳能空调的有机结合使得系统的性能 指数有效提高[5]。
太阳能的缺点是不稳定、非连续，因此 辅助热源的选择对太阳能系统的功能保障 和最终的节能效果至关重要。综合楼位于长 沙某预制构件厂内，构件养护工序会产生 120ºC 左右的蒸汽废气，为了合理利用资源， 最大限度地节约费用，本项目最终采用蒸汽 作为辅助能源的技术方案。
本项目设置一个容积为 9m3 的蓄热水 箱，在设计时通过控制水箱高度，并优化水 箱进出口管所在的位置高度来避免混水现 象的发生，同时保证换热效率[6, 7]，蓄热水 箱的设计容积量既可以保证吸收式制冷机 组在启动后有较长时间的热水供应，避免机 组频繁启停，又可以在其两次运行的间隔保 证有足够的空间储存太阳能热水，避免浪费。 2.3 太阳能集热器的选择及面积确定
市举例，根据式 2-1 计算归一化温差Ti* ，
Ti* (ti ta ) / G
（2-1）
其中， ti 为工质进口温度，ºC；
ta 为环境温度，ºC；
G 为集热器采光面上总日射辐照度， W/m2。
同一时段内的稳定状态下，根据能量守 恒定律，入射在集热器上的太阳总辐照量为 集热器输出的㶲能量与向周围环境散失的 能量之和[9]。
QA QU +QL
（2-2）
QA AG()e
（2-3）
QL AU L (ti ta )
2
（2-4） 将（2-3）（2-4）代入（2-2）得：
QU AG()e AUL (ti ta )
（2-5） 集热器瞬时效率定义式：
QU A
（2-6）
将（2-6）代入（2-5）得，
()e UL (ti ta ) / G
太阳能空调在长沙
某综合楼的技术应用*
王鲁莹a 薛世伟 沈亮 张瑜 蔡哲（中建科技集团有限公司，北京，100030）
[摘 要]本文以长沙市某综合楼太阳能空调项目为例，探讨太阳能空调在我国太阳能资源 III 类地区综合类 公共建筑上的设计应用。该工程设计方案为太阳能空调在我国太阳能资源 III 类地区的适用建筑中的推广提 供了依据。本文通过对现有太阳能制冷技术的总结以及对当地太阳能资源的分析和理论计算来指导该项目 的系统设计，包括确定太阳能集热系统的最佳类型和最佳集热面积，方案采用工厂生产废汽为辅助能源， 并通过优化系统控制程序，最大程度提高系统节能效率。 [关键词]太阳能集热器；吸收式溴化锂机组；装配式建筑；超低能耗建筑
系统主要优化运行控制策略如下，
序号
计量分项
数值
1 热泵系统耗电量/kWh 28591
2
用水量/m3
264
3
蒸汽用量/k制冷量/kWh
33258
5
太阳能制热量/kWh
24855
6
太阳能年总辐照量
/kWh
94896
从表 2-2 中数据计算得，
太阳能空调系统能源转换效率=（太阳
能制冷量+太阳能制热量）/太阳能年总辐照
最终选择 C 品牌。
图 2-1 不同品牌 U 型管集热器瞬时功率—基 于出口温度的归一化温差对比图 本项目需要考虑的太阳能集热器面积
因素包括： 1）节能环保，被动房设计要求太阳能
保证率达到 40%； 2）经济性，以较低的初投资获得最大
的运行效益； 3）可用屋顶面积，尽量将集热器集中
布置在建筑的屋顶，且靠近机房。 太阳集热器总面积计算公式为[10]，
Changsha
Wang luying, Zou mingxia, Shen liang, Zhang yu (China Construction Science & Technology Group Co., LTD,
于散热面积大，散热形式广，热量损失较大 [8]。真空管型集热器热对流损失小，部分型 号同时应用了选择性涂层，能防止辐射热损 失，因此不必跟踪和聚光就可达到较高的集 热温度。真空管型集热器分为全玻璃真空管 型、热管型、U 型管型等，由于本项目太阳 能空调主机采用国外先进设备，较低的温度 即可驱动机组制冷，故而综合考虑集热效率、 安全性、可操作性和造价等多方面因素，本 项目选择 U 型管式真空管集热器。
building(office and dormitory)in the solar energy resources area of class III, hoping providing basis for the
popularization of solar air- conditioning in the solar energy resources area of class III. Through the
量=61.24%
热泵系统 COP 均按 3.0 计算得，太阳能
折算耗电量（对比热泵系统）=（太阳能制
冷量+太阳能制热量）/COP 热泵=19371kWh
the optimum type and area , adopted wasted steam in the factory for auxiliary energy, and optimized the system
control program for improving energy-saving efficiency.
宁乡县，服务对象为：A 配楼，主体 3 层， 建筑面积 2283.45m2，使用功能为办公，C 配楼，主体 3 层，建筑面积 1884.64m2，使 用功能为职工宿舍，太阳能空调系统负责为 A 配楼供暖/冷和 C 配楼供暖以及生活热水。 系统的峰值总冷负荷为 72.16kW，峰值总热
a作者简介：王鲁莹（1990-），女，硕士，助理工程师 联系方式：wangluying@
通过考察多家太阳能集热器的生产厂 商并研究其产品的瞬时效率曲线后发现，在 各样本中，横坐标基于进口温度的归一化温 差的范围是 0~0.10，在这个范围内，各个厂 家的集热器性能表现差异不大，瞬时效率均 可达到 0.70 以上。但在实际应用中发现，虽 然国家标准规定的集热器瞬时效率曲线中 的横坐标基于进口温度的归一化温差的范 围是 0~0.10，但是在太阳能 III 类地区因日 照条件的不同其基于出口温度的归一化温 差范围未落在 0~0.10 这个范围内，以长沙
Ac
Qf JTed (1L )
（2-8） 式中 Ac——集热器总面积，m2；
Q——源端需热量，kJ； f——太阳能保证率； JT——当地集热器总面积上的 统 计 日 太 阳 辐 照 量 ， kJ/m2 ， 长 沙 地 区 JT=10.882MJ/m2·d；
cd ——集热器平均集热效率，本项目取
0.5；
L ——管路及贮水箱热损失率，本项目取
0.2。 下表为当太阳能保证率取不同值时，根
据式 2-7 计算的集热器面积：
表 2-1 太阳能集热器面积计算表
方案一 方案二 方案三
太阳能保
证率 f
0.3
0.4
0.5
太阳能集 183
244
305
3
热器面积 Ac/m2 本项目建筑屋顶总面积为 606m2，有效
利用面积约为 300m2，方案一的太阳能保证 率和集热器面积偏低。方案三太阳能保证率 虽高，但初投资过高，综合考虑太阳能集热 器初投资、屋顶面积和设备运行费用，最终 选择方案二。 2.4 运行控制设计
summarization of the existing solar refrigeration technology and the analysis of local solar energy resource, using
theoretical calculation, a cold and heat source scheme finalized. The scheme selected solar collector system with
（2-7） 其中，QU—集热器在规定时间内输出的 有用能量，W； QA—同一时段内入射在集热器上的太 阳辐照能量，W； QL—同一时段内集热器对周围环境散 失的能量，W[9]； A—集热器有效集热面积，m2； UL—具有均匀吸热体温度的集热器总 热损系数，W/(K·m2)；
( )e —有效透过-吸收积。
Beijing, 100030)
[Abstract] Taking the application of solar air-conditioning for a multiple-use building in changsha city as an
example, this paper mainly discussed the design and application of solar air-conditioning of a factory multiple-use
太阳能集热器是吸收太阳能量并将热 能传递到传热工质的一种装置，是太阳能空 调系统的重要组成部分，它的性能和成本对 系统起着决定性作用。目前，太阳能空调系 统可使用中温集热器（80~250℃）或低温集 热器（≤80℃）。中温集热器成本较高，多 用于示范工程，商业化较好的项目；低温型 集热器主要分为平板型集热器和真空管型 集热器，平板型集热器不易损坏，但吸热板 随着温度的升高不可避免地向四周散热，由
[Keywords] Solar collector, absorption lithium bromide unit, assembly building, Ultra-low-energy building
0引言
太阳能空调作为目前较为成熟的太阳 能制冷技术，其最大的优点在于良好的季节 匹配性，经过近 40 多年的研究应用，目前 已经进入实用化示范阶段[1-3]。李忠等[4]为海 南某高校图书馆设计安装了 316kW 的太阳 能单效吸收式空调系统，系统使用电制冷辅
1
负荷为 90.52kW，热水负荷为 105kW。 根据被动式超低能耗绿色建筑示范工
程的申报要求，系统可再生能源利用率需要 达到 40%以上。目前，项目已竣工并投入使 用。
2、方案选择及系统设计
2.1 空调方案选择 本项目办公楼为被动式超低能耗建筑，
在能源利用上，使用可再生能源是必然的选 择。项目所在地周围无地表径流，故不考虑 水源热泵形式；经模拟计算，全部使用地源 热泵供冷/热无法满足超低能耗建筑的能耗 指标要求；太阳能空调利用太阳能集热器收 集太阳能生产中高温热水，继而在夏季驱动 吸收式制冷机供冷，在冬季直接供暖，系统 一次能源消耗量较低，满足超低能耗建筑的 能耗指标要求。 2.2 辅助能源选择和蓄热
因此，若 UL 和 ( )e 为常数，瞬时效率
方程为归一化温差 T*的一次函数。 根据我国气象局公布的城市气象资料
得到，长沙地区晴天时的总日射辐照度为 937W/m2，多云天气时的总日射辐照度为 300W/m2 计算，阴天时的总日射辐照度为 100W/m2，工质进口温度与环境温度差取 0~50ºC，经过计算及考虑三种天气后，基于 进口温度的归一化温差的范围是 0~0.50。因 此就该项目而言，需要将考察的集热器瞬时 功率曲线延长至 0.5。笔者先后对五家集热 器生产企业性能相近的 U 型管集热器进行 了研究，此时的瞬时功率—基于进口温度的 归一化温差曲线如图 2-1 所示，从图 2-1 中 可以看出，当横坐标为 0.5 时，各集热器厂 家在 0~0.1 范围内集热器的瞬时功率差异明 显变大。对比图 2-1 中的各集热器性能，并 根据长沙地区晴天、多云、阴等天气多变的 特点，应选择斜率较小的 A 品牌或 C 品牌。 通过进一步对比两种集热器的市场价格后，
本文介绍了长沙某工厂综合楼的太阳 能空调工程，该综合楼设计定位为装配式被 动式超低能耗建筑，本工程将为该综合楼提 供供暖/冷以及生活热水，为太阳能空调在 太阳能资源三类地区的适用建筑中的推广 提供依据。
1、项目简介
助，实际运行数据表明，该套系统平均日运
本太阳能空调项目位于湖南省长沙市
行时间为 5h。上海交通大学与日出东方共建 了黑腔中温集热器驱动的双效吸收式太阳 能空调系统，此高效黑腔集热器在集热温度 为 150ºC 时的集热效率为 0.45。黑腔集热器 与太阳能空调的有机结合使得系统的性能 指数有效提高[5]。
太阳能的缺点是不稳定、非连续，因此 辅助热源的选择对太阳能系统的功能保障 和最终的节能效果至关重要。综合楼位于长 沙某预制构件厂内，构件养护工序会产生 120ºC 左右的蒸汽废气，为了合理利用资源， 最大限度地节约费用，本项目最终采用蒸汽 作为辅助能源的技术方案。
本项目设置一个容积为 9m3 的蓄热水 箱，在设计时通过控制水箱高度，并优化水 箱进出口管所在的位置高度来避免混水现 象的发生，同时保证换热效率[6, 7]，蓄热水 箱的设计容积量既可以保证吸收式制冷机 组在启动后有较长时间的热水供应，避免机 组频繁启停，又可以在其两次运行的间隔保 证有足够的空间储存太阳能热水，避免浪费。 2.3 太阳能集热器的选择及面积确定
市举例，根据式 2-1 计算归一化温差Ti* ，
Ti* (ti ta ) / G
（2-1）
其中， ti 为工质进口温度，ºC；
ta 为环境温度，ºC；
G 为集热器采光面上总日射辐照度， W/m2。
同一时段内的稳定状态下，根据能量守 恒定律，入射在集热器上的太阳总辐照量为 集热器输出的㶲能量与向周围环境散失的 能量之和[9]。
QA QU +QL
（2-2）
QA AG()e
（2-3）
QL AU L (ti ta )
2
（2-4） 将（2-3）（2-4）代入（2-2）得：
QU AG()e AUL (ti ta )
（2-5） 集热器瞬时效率定义式：
QU A
（2-6）
将（2-6）代入（2-5）得，
()e UL (ti ta ) / G
太阳能空调在长沙
某综合楼的技术应用*
王鲁莹a 薛世伟 沈亮 张瑜 蔡哲（中建科技集团有限公司，北京，100030）
[摘 要]本文以长沙市某综合楼太阳能空调项目为例，探讨太阳能空调在我国太阳能资源 III 类地区综合类 公共建筑上的设计应用。该工程设计方案为太阳能空调在我国太阳能资源 III 类地区的适用建筑中的推广提 供了依据。本文通过对现有太阳能制冷技术的总结以及对当地太阳能资源的分析和理论计算来指导该项目 的系统设计，包括确定太阳能集热系统的最佳类型和最佳集热面积，方案采用工厂生产废汽为辅助能源， 并通过优化系统控制程序，最大程度提高系统节能效率。 [关键词]太阳能集热器；吸收式溴化锂机组；装配式建筑；超低能耗建筑
系统主要优化运行控制策略如下，
序号
计量分项
数值
1 热泵系统耗电量/kWh 28591
2
用水量/m3
264
3
蒸汽用量/k制冷量/kWh
33258
5
太阳能制热量/kWh
24855
6
太阳能年总辐照量
/kWh
94896
从表 2-2 中数据计算得，
太阳能空调系统能源转换效率=（太阳
能制冷量+太阳能制热量）/太阳能年总辐照
最终选择 C 品牌。
图 2-1 不同品牌 U 型管集热器瞬时功率—基 于出口温度的归一化温差对比图 本项目需要考虑的太阳能集热器面积
因素包括： 1）节能环保，被动房设计要求太阳能
保证率达到 40%； 2）经济性，以较低的初投资获得最大
的运行效益； 3）可用屋顶面积，尽量将集热器集中
布置在建筑的屋顶，且靠近机房。 太阳集热器总面积计算公式为[10]，