太阳能吸收式空调及供热系统

太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能

概论

一套太阳能吸收式空调及供热综合系统已在山东省乳山巾建成该系统山热管式真空管集热器、溴化锂吸收式制冷机、储水箱、循环泵、冷却塔、空调箱、辅助燃油锅炉和自动控制系统等儿部分组成，具有夏季制冷、冬季供热和全年提供生活川热水等功能太阳能集热器总采光而积540 ㎡，制冷、供热功率100 kW,空调、采暖建筑而积1000㎡，供生活川热水量32 m³/ d。文中着重介绍了系统的设计特点和测试性能。

引言

当前，许多国家和地区都在加紧进行太阳能空调的研究，例如意大利、西班牙、德国、美国、日本、新加坡、香港、韩国等。这一方面是由于空调能耗在全年民用能耗中占有相当大的比重，用太阳能替代常规能源驱动空调系统对节能和环保都具有十分重要的意义;另一方面是由于夏天强烈的太阳辐照恰好与夏季迫切的制冷需求相匹配，用太阳能进行空调最能发挥系统充分利用自然条件这一特点。

为进一步拓宽我国太阳能利用领域，使其在节能和环保中发挥更大作用，由北京市太阳能研究所承担的太阳能吸收式空调及供热综合系统己在山东省乳山市建成。该项日旨在通过技术攻关和系统示范，解决太阳能空调中的技术难题，积累经验，为尽早实现太阳能空调的商业化打下技术基础。

1系统描述

1. 1现场概况

乳山市位于山东半岛的东南端，地处北纬36. 7°，东经121. 5°。该地区夏季最高气温33. 1 ℃,冬季最低气温-7. 8 ℃，全年平均气温12.3℃，全年平均日太阳辐照量17. 3M J/㎡。由此可见，当地有较好的太阳能资源，夏季和冬季又分别有空调和采暖的要求。因此，本系统就建在乳山市银滩旅游度假区正在筹建的“中国新能源科普公园”内。

1. 2系统组成

太阳能吸收式空调及供热系统的总体要求是夏季提供空调、冬季提供采暖和春秋过渡季节提供生活用热水。本系统主要由热管式真空管集热器、溴化锂吸收式制冷机、储热水箱、储冷水箱、生活用热水箱、循环水泵、冷却塔、空调箱、辅助燃油锅炉和自动控制系统等儿大部分组成，如图1所示。

2系统设计

2. 1太阳能与建筑结合

本太阳能空调系统是用于科普公园内的太阳能馆。在系统设计中，充分体现太阳能馆的特色，使太阳能与建筑融为一体，建筑设计不但造型美观、新颖别致，还满足太阳能集热器安装的要求。新建筑物的南立面采用大斜屋面结构，倾角35°。太阳能空调系统所需的大部分集热器都安装在朝南的大斜屋面上，从而使集热器与建筑物相得益彰，如图2所示。

2.2热管式真空管集热器

由我所研制成功的热竹式真空竹集热器具有热效率高、耐冰冻、启动快、保温好、承压高、耐热冲击、运行可靠、维修方便等诸多优点，是组成高性能太阳能空调系统的重要部件。

为了使真空竹集热器一天内接收到更多的太阳辐射能，本系统真空竹采用了半圆弧状的恋曲吸热板。经测试，恋曲吸热板热竹式真空竹集热器的瞬时效率的方程为

这种集热器的入射角修正系数也明显优于平面吸热板，从而使恋曲吸热板真空竹集热器的全天得热量比平面吸热板真空管集热器提高10%以上。

本系统的集热器阵列由2160支热管式真空竹管组成，总采光面积540㎡，总吸热体面积364 ㎡。这些真空管集热器共分成9排布置，其中7排布置在

大斜屋面上，2排布置在楼顶平面上。为了减少流动阻力，集热器阵列采取了前4排并联，后5排并联，然后两部分再串联起来。

2. 3储热水箱

为了保证系统运行的稳定性，使制冷机的进日热水温度不受太阳辐照瞬时变化的直接影响，太阳能集热器出日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。本系统与一般太阳能空调系统的不同之处在于设置了大、小两个储热水箱。大储热水箱容积为8 m³卞要用来储存多余的热能;小储热水箱容积为4 m³,卞要用来保证系统的快速启动，使每天早晨经集热器加热的热水温度，夏季尽快达到制冷机所击要的运行温度，冬季尽快达到采暖所击要

的工作温度。

另外，储热水箱的内部结构也进行了特殊设计，使其产生明显的温度分层，以便最大限度地利用高温热水，同时也加快了空调系统的启动速度。

2.4储冷水箱

储冷水箱是根据建筑物用冷的特点而设置的。尽竹储热水箱可以储存能量，但它的能力毕竞是有限的。将制冷机产出的低温冷媒水储存在容积为6m³的储冷水箱内，可以更多地储存能量，而目低温冷水利用起来也比较方便。

设置储冷水箱还有一个更重要的原因。制冷机的热媒水进日温度是88℃左右，冷媒水出日温度是8℃左右。假设夏天的环境温度是30 ℃，则储热水

箱中热水温度与环境温度的温差为 5 8 ℃，明显大于环境温度与储冷水箱中冷水温度的温差22 ℃。这就是说，将接收到的多余太阳辐射能产生冷水储存

在储冷水箱中，其热损失要比以热水形式储存在储热水箱中低得多。

2.5辅助燃油锅炉

太阳能系统的运行不可避免地要受到气候条件的影响。为了保证系统可以全天候发挥空调、采暖功能，辅助的常规能源系统是必不可少的。燃油(或燃气)锅炉具有启动快、污染小、便于自动控制等优点因而本系统设采用了辅助燃油热水锅炉，在白天太阳辐照量不足或夜间需要继续用冷或用热时，即可通过控制系统自动启动燃油锅炉，以确保系统持续、稳定地运行。

2.6自动控制系统

本系统的特点就是用太阳能部分地替代常规能源以达到空调、采暖及提供生活用热水的日的，因此太阳能系统的启动、富余太阳能的储存以及太阳能与常规能源之间的切换等都显得尤为重要，而这些功能必须由一套安全可靠、功能齐全的自动控制系统来完成。另外，自动控制系统还解决了太阳能系统的防过热和防冻结问题。夏季，当储热水箱内的水温达到94 ℃且储冷水箱内的水温也达到7℃时，控制系统就会自动切换相应的阀门，让热水流经生活用热水箱中的换热器，以降低太阳能系统的温度。冬季，当太阳能系统竹路最低温度处的温度达到4℃时，控制系统就会自动开启循环水泵一小段时间，使储热水箱中的热水流入竹路，从而避免竹路冻结。

为本系统专门设计的自动控制系统由传感器、电动阀、网络控制模块和操作工作台等儿部分组成。

3测试性能

3.1测量参数及仪器

太阳能空调及供热系统的性能包括夏季制冷性能、冬季采暖性能以及过渡季节供热水性能。测量参数可分为直接测量参数和间接测量参数两类。

直接测量参数卞要包括:太阳辐照度、集热器制冷机/空调箱的进出日温度和流量、储水箱内温度分布、环境温度和风速等。

间接测量参数指不能直接获得、需经过数据处理后才能求得的参数，卞要包括:累积太阳辐照量、集热器/制冷泪口空调箱的进出日温差、热流密度、累

积热量、累积冷量以及各种效率等。

太阳辐照度由EPPLEY 1'SP型总日射表测得。集热器/制冷泪口空调箱的进出日温度由Pt100型铂电阻温度计测量。它们各自的流量用LUGI3型涡衔流量计测量。储水温度和环境温度则均由铜康铜热电偶测得。

太阳辐照度、储水温度和环境温度等数据的采集由UATATAKER IY1'600型多点数据采集仪来完成。另外还专门编制了计算机程序，用于采集集热器/制冷泪L/空调箱的进出日温差和流量，并根据这两个值分别计算出流经3个部件的热流密度及累积热量、累积冷量等参数。

3. 2测试结果

本系统的性能测试是按不同的季节进行的:冬季测试从1999年1—— 3月，过渡季节测试在1999年5月，夏季测试从1999年6——8月。

3. 2. 1制冷性能

图3示出了1999年8月16日一天内太阳辐照度随时间的变化情况，基本上成抛物线形状。当天累积太阳辐照量是19. 45 MJ/㎡。