太阳能集成系统研究与优化设计[论文]

太阳能集成系统的研究与优化设计
摘要：太阳能以其清洁及节能等优点在近年来广泛受到关注，具有很大发展潜力。

本文介绍了太阳能集成系统的应用类型，提出一种新型兼具生活热水、采暖及制冷的太阳能集成系统。

该系统采用适合太阳能这种低品位的新能源的能量输出末端的辐射形式，在满足使用和舒适的前提下能够保证较高的效率。

分析了其系统组成及优化设计，并对系统实际应用中存在的一些问题进行了探讨。

关键词：太阳能；集成系统；辐射末端；优化设计
1.、引言
在我国，每年建筑运行所消耗的能源占全国商品能源的21%～24%，其中很大部分用于为建筑提供冬季采暖及夏季空调[1]。

在如此严峻的情况下，可再生能源的利用将是今后的必然选择，而在可再生能源中，太阳能无疑有很广阔的发展前景。

但是目前在建筑中应用的太阳能系统，除了家用太阳能热水器之外，一般总体利用效率都不高，尤其是对于较大型的太阳能系统，表现更为严重，使得太阳能的巨大潜力没有充分发挥。

如果把可用的太阳能资源以合理的形式输出到末端，满足建筑不同区域不同时段的能量需求，满足建筑中热水、采暖、空调等多种需求，系统总体性能会大大提高[2]。

2.、太阳能空调的应用类型
太阳能制冷一般情况下可以通过太阳能光电转换制冷和太阳能
光热转换制冷两种途径来实现。

考虑到太阳能光电转换系统成本要比太阳能光热转换系统高出许多倍，目前太阳能空调多以光热转换
系统为主。

太阳能吸收式制冷是目前应用最多的一种形式[3]。

本文研究的太阳能集成系统即为太阳能吸收式制冷类型。

但是所采用的利用末端与传统形式有所区别。

由于太阳能热水系统能量品位较低，在一定的温度范围才能有效发挥能力，因此选用适合这种低品位的新能源的能量输出末端的辐射形式，在满足使用和舒适的前提下能够保证较高的效率[4]。

3.、太阳能集成系统的组成及优化设计
3.1太阳能集成系统组成
太阳能集成系统系统主要由太阳能集热器、溴化锂吸收式制冷机、大储热水箱、小储热水箱、储冷水箱、生活用热水箱、冷辐射吊顶、地板采暖结构、循环水泵、冷却塔、空调箱、辅助热源和自动控制系统等几部分组成。

3.2太阳能集成系统工作过程
太阳能集成系统可以实现夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活热水等多项功能。

在夏季，被太阳集热器加热的热水首先进入储水箱，当热水温度达到一定值时，从储水箱向吸收式制冷机提供热媒水；从吸收式制冷机流出并已降温的热水流回到储水箱，再由太阳集热器加热成高温热水；吸收式制冷机产生的冷媒水流经房间的辐射冷吊顶结构，负担房间空调显热冷负荷，以达到制冷空调的目的。

当太阳能不足以提供高温的热媒水时，可由辅助热源补充热量。

在冬季，同样先将太阳集热器加热的热水进入储水箱，当热水温
度达到一定值时，从储水箱直接向位于房间的地板采暖结构里，通过辐射及对流的方式加热室内空间以达到供热采暖的目的。

当太阳能不能满足要求时，也可由辅助热源补充热量。

在非空调采暖季节，只要将太阳集热器加热的热水直接通向生活热水储水箱中的换热器，通过换热器就可把储水箱中的冷水逐渐加热以供使用。

为了保证系统运行的稳定性，使制冷机的进口热水温度不受太阳辐照瞬时变化的直接影响，太阳集热器出口的热水首先进入储热水箱，再由储热水箱向制冷机供热。

此外，储热水箱还可以把太阳辐射能高峰时暂时用不了的能量以热水的形式储存起来以备后用。

大储热水箱主要用来储存多余的热能；小储热水箱主要用来保证系统的快速启动。

3.3太阳能集成系统优化设计
（1）u型管式真空管太阳能集热器的应用
选用u形管式真空管集热器可减少中间环节的传导热损，因而可更大限度地利用太阳辐射能，集热效率较高。

u型管式真空管集热器主要由u型管、吸热板、玻璃管等几部分组成。

（2）分离式热管换热器的应用
当对于太阳能集热器体积有要求式，可采用分离式热管直接加热溴化锂溶液。

使用分离式热管直接连接太阳能集热器和制冷机发生器。

分离式热管的蒸发段在集热器内吸收热量，凝结段在制冷机发生器中释放热量。

这样不仅可以减小系统的体积，而且可以提高发
生器热源温度，大幅提高传热效率。

由于热管对热源温度反应比较快，太阳辐射不足时，制冷机很快就会停机。

使用分离式热管可以将辅助热源和太阳能热源紧密的结合在一起，集热器部分产生的蒸汽和辅助热源产生的蒸汽集合在一起流向凝结段，使太阳能热源和辅助热源之间有非常好的协同工作性能。

这样也可以使系统具有启动快、运行稳定的特点[5]。

（3）辅助热源的选择
太阳能集成系统中常用的辅助热源有电加热器、燃油锅炉、燃气锅炉。

还有一些太阳能吸收式空调系统采用其它的清洁能源或可再生能源作为系统的辅助热源，如：采用液化石油气为燃料的备用热源、以热泵为辅助热源等等。

综合分析，以燃油锅炉为辅助热源的太阳能空调系统结构复杂、初投资高，但可以同时实现夏季空调、冬季供暖以及过渡季节提供生活热水的功能。

以电加热器为辅助热源的太阳能空调系统耗费了高品位的电能，成本较高。

燃气锅炉驱动的吸收式制冷机比传统的电压缩制冷机具有较低的一次能源利用效率[6]。

综上所述，本系统中可选用适用于住宅以及综合办公楼等建筑的燃油锅炉作为辅助热源。

4.、系统应用
太阳能集成系统与建筑内部多种需求紧密结合，很大的提高了太阳能总体使用效率，具有很强的实用性。

但是在实际应用时需要注意：
（1）系统的运行情况受建筑的负荷特性影响较大。

不同的运行
模式会影响最终的使用效果，如连续运行间歇运行，工作时间是白天还是夜间，热水、采暖及制冷不同需求的负荷分布均不能一概定论。

因此，在设计阶段需要对这些负荷特性仔细考察，选用与之相匹配的部件及结构。

在运行阶段也要根据实际运行效果定期进行相应的调节。

（2）在北方地区，冬季夜间裸露在室外的集热器温度降低，有管路结冰破坏系统的危险。

因此，需设有防冻措施。

比如：可以在集热器回路采用防冻液；或者在夜间及连续阴天时排空管路中的水，在开启前重新充注，但是这种方式操作比较烦琐；另外，也可以由自控系统监视管路内的水温，当低于某个设定值有结露危险时，自控系统开启相应的水路循环，防止冻结。

5.、结论
该太阳能集成系统能实现制冷、采暖、提供生活热水等多种功能，具有很强的应用性。

选用辐射末端与太阳能具有很强的匹配性；采用u型管式真空管太阳能集热器可提高制冷和采暖效率；太阳能集成系统实际应用过程中根据运行模式改变有对应的调节。

参考文献：
[1] 江亿.“我国建筑耗能状况及有效的节能途径.”暖通空调2005年第35卷第5期
[2] henning， h.-m. “solar assisted air conditioning of buildings - an overview.”applied thermal engineering 2007，27（10）： 1734-1749.
[3]胡桂秋、黄晶.太阳能空系统设计方案探讨.制冷与空
调.2009，23（3）：106-108
[4] atmaca， i.， o. kaynakli， et al. （2007）. “effects of radiant temperature on thermal comfort.” building and environment 2007， 42（9）： 3210-3220.
[5l梁建军.新型户式太阳能空调系统的设计及传热强化[d].长
沙理工大学.2007，5：20-22
[6]李悦.基于辐射供冷的太阳能吸收式空调系统研究[d].上海
交通大学.2012.2：5-7。