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南京太 阳能空调的工作原理大揭秘

发布时间:2014-09-25 06:27:39

       太阳能 制冷就是利 用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。南京太阳能热媒水的温度越高,则制冷机的性能系数(亦称COP)越高,这样空 调系统的制冷效率也越高。例如,若热媒水温度60℃左右,则制冷机COP约0~40;若热媒水温度90℃左右,则制冷机COP约0~70;若热媒水温度120℃左右,则制冷机COP可达110以上。实践证明,采用热 管式真空管集热器与溴化锂吸收式制冷机相结合的太阳能空调技术方案是成功的,它为太阳能热利用 技术开辟了一个新的应用领域。

  1.基本工作原理

  太阳能 吸收式空调系统主要由太阳集热器和吸收式制冷机两部分构成。

  1.1 吸收式制冷工作原理

  吸收式 制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为工质来进行的。这两种 物质在同一压强下有不同的沸点,其中高 沸点的组分称为吸收剂,低沸点 的组分称为制冷剂。常用的吸收剂—制冷剂组合有两种:一种是溴化锂—水,通常适 用于大型中央空调;另一种是水—氨,通常适用于小型空调。

  吸收式 制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器组成。

  本文以 溴化锂吸收式制冷机为例。在制冷机运行过程中,当溴化 锂水溶液在发生器内受到热媒水加热后,溶液中的水不断汽化;水蒸气进入冷凝器,被冷却水降温后凝结;随着水的不断汽化,发生器 内的溶液浓度不断升高,进入吸收器;当冷凝 器内的水通过节流阀进入蒸发器时,急速膨胀而汽化,并在汽 化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量,从而达 到降温制冷的目的;在此过程中,低温水 蒸气进入吸收器,被吸收 器内的浓溴化锂溶液吸收,溶液浓度逐步降低,由溶液泵送回发生器,完成整个循环。

  1.2 太阳能 吸收式空调工作原理

  所谓太 阳能吸收式制冷,就是利 用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。热媒水的温度越高,则制冷机的性能系数(亦称COP)越高,这样空 调系统的制冷效率也越高。例如,若热媒水温度60℃左右,则制冷机COP约0?40;若热媒水温度90℃左右,则制冷机COP约0?70;若热媒水温度120℃左右,则制冷机COP可达1?10以上。

  常规的 吸收式空调系统主要包括吸收式制冷机、空调箱(或风机盘管)、锅炉等几部分,而太阳 能吸收式空调系统是在此基础上再增加太阳集热器、储水箱 和自动控制系统。

  在夏季,被集热 器加热的热水首先进入储水箱,当热水 温度达到一定值时,由储水 箱向制冷机提供热媒水;从制冷 机流出并已降温的热水流回储水箱,再由集 热器加热成高温热水;制冷机 产生的冷媒水通向空调箱,以达到 制冷空调的目的。当太阳 能不足以提供高温热媒水时,可由辅 助锅炉补充热量。

  在冬季,同样先 将集热器加热的热水进入储水箱,当热水 温度达到一定值时,由储水 箱直接向空调箱提供热水,以达到 供热采暖的目的。当太阳 能不能够满足要求时,也可由辅 助锅炉补充热量。

  在非空调采暖季节,只要将 集热器加热的热水直接通向生活用储水箱中的热交换器,就可将 储水箱中的冷水逐渐加热以供使用。

  2.空调及 供热综合示范系统

  为了将 太阳能吸收式空调技术付诸实际应用,根据“九五”国家科 技攻关计划任务,北京市 太阳能研究所于1999年9月建成一套我国目前最大的太阳能吸收式空调及 供热综合示范系统(见压题照片)。

  2.1安装地点概况

  太阳能 空调示范系统建在山东省^^^山市。^^^山市位 于山东半岛的东南端,北接烟台,西临青岛,南濒黄海。该地区 有较好的太阳能资源,年平均 日太阳辐照量为17?3MJ/m2。当地夏季最高气温33?1℃,冬季最低气温-7?8℃,夏季和 冬季分别有制冷和采暖的要求,因此是 安装太阳能空调系统的合适地点。

  ^^^山市银 滩旅游度假区利用本地区自然条件,大力发展旅游事业,正在筹建“中国新能源科普公园”。科普公 园计划建造包括风能馆、太阳能馆等在内的8个馆、厅。太阳能 空调系统就建在科普公园内的太阳能馆。

  在这里 人们不仅可以参观太阳能科普展品,增长太阳能科普知识,了解最 新的太阳能技术,并且在 参观和娱乐的同时可亲身感受到太阳能空调和采暖所营造的舒适环境。

  2.2主要技术性能

  新建的 太阳能空调系统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、生活用储热水箱、循环泵、冷却塔、空调箱、辅助燃 油锅炉和自动控制系统等部分组成。系统安装完成后,经过冬、春、夏三季运行和测试,达到表1的主要技术性能。

  2.3系统设计特点

  (1)太阳能 与建筑有机结合

  整个太 阳能馆的总体设计既使建筑物造型美观、新颖别致,又能满 足集热器安装的要求。依据这个原则,建筑物 的南立面采用大斜屋顶结构,一则斜 面的面积比平面大得多,可以布 置更多的集热器;二则在 斜面上布置集热器时无需考虑前后遮挡问题,而且造型也非常美观。斜屋顶倾角取35°,与当地纬度接近,有利于 集热器充分发挥作用。

  (2)热管式 真空管集热器提高了制冷和采暖效率

  热管式 真空管集热器是北京市太阳能研究所的一项重大科技成果,具有效率高、耐冰冻、启动快、保温好、承压高、耐热冲击、运行可*等诸多优点,是组成 高性能太阳能空调系统的重要部件。热管式 真空管集热器可为高效溴化锂制冷机提供88℃的热媒水,从而提 高整个系统的制冷效率;这种集 热器还可在北方寒冷的冬季有效地工作,为建筑物供暖。

  (3)大小两 个储热水箱加快了每天制冷或采暖进程

  根据一 天内太阳辐照度变化的固有特点,储热水 箱不仅可以使系统稳定运行,还可以 把太阳辐照高峰时的多余能量以热水形式储存起来。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。小储热 水箱主要用于保证系统的快速启动。测试结果表明,在夏季 和冬季晴天的早晨,小储热 水箱内水温就能分别达到88℃和60℃,从而满 足制冷和供暖的要求。

  (4)专设的 储冷水箱降低了系统的热量损失

  尽管储 热水箱可以储存能量,但它的 能力毕竟是有限的。本系统 专门设计了一个储冷水箱。在白天 太阳辐照充裕的情况下,可以将 制冷机产生的冷媒水储存在储冷水箱内,其优点 在于这种情况下的系统热量损失显然要比以热媒水形式储存在储热水箱中低得多,因为夏 季环境温度与冷媒水温度之间的温差要明显小于热媒水温度与环境温度之间的温差。

  (5)配套的 辅助锅炉使系统可以全天候运行

  所有太 阳能系统的运行都不可避免地要受到气候条件的影响。为使系 统可以全天候发挥空调、采暖功能,辅助的 常规能源是必不可少的。该太阳 能空调系统选用了辅助燃油热水锅炉,在白天 太阳辐照量不足以及夜间需要继续用冷或用热时,可随即启动辅助锅炉,确保系 统持续稳定地运行。

  (6)系统运 行及工况之间切换均能自动控制

  在利用 太阳能部分地替代常规能源的系统中,系统启动、能量储 存以及太阳能与常规能源之间切换等功能的自动化都显得尤为重要;另外,本系统 设置了几个储水箱,如何在 不同的工况下自动启用不同的水箱,走不同的管路,也是系 统正常运行的关键;再则,太阳能系统还应可*地解决 自动防过热和防冻结的问题。因此,我们为 该太阳能空调系统设计了一套安全可*、功能齐 全的自动控制系统。

  3.推广应用前景

  实践证明,采用热 管式真空管集热器与溴化锂吸收式制冷机相结合的太阳能空调技术方案是成功的,它为太阳能热利用 技术开辟了一个新的应用领域。

  太阳能 吸收式空调与常规空调相比,具有以 下三大明显的优点:

  (1)太阳能 空调的季节适应性好,也就是说,系统制 冷能力随着太阳辐射能的增加而增大,而这正 好与夏季人们对空调的迫切要求一致;

  (2)传统的 压缩式制冷机以氟里昂为介质,它对大 气层有极大的破坏作用,而吸收 式制冷机以无毒、无害的溴化锂为介质,它对保 护环境十分有利;

  (3)同一套 太阳能吸收式空调系统可以将夏季制冷、冬季采 暖和其它季节提供热水结合起来,显着地 提高了太阳能系统的利用率和经济性。

  诚然,凡事都要一分为二。我们在 强调太阳能空调优点的同时,也应看 到它目前存在的局限性,因而在 推广应用过程中注意解决这些问题:

  (1)虽然太 阳能空调开始进入实用化阶段,希望使 用太阳能空调的用户不断增加,但目前 已经实现商品化的产品大都是大型的溴化锂制冷机,只适用 于单位的中央空调。对此,空调制 冷界正在积极研究开发各种小型的溴化锂或氨—水吸收式制冷机,以便与 太阳集热器配套逐步进入家庭;

  (2)虽然太 阳能空调可以无偿利用太阳能资源,但由于 自然条件下的太阳辐照度不高,使集热 器采光面积与空调建筑面积的配比受到限制,目前只 适用于层数不多的建筑。对此,我们正 在加紧研制可产生水蒸气的真空管集热器,以便与 蒸气型吸收式制冷机结合,进一步 提高集热器与空调建筑面积的配比;

  (3)虽然太 阳能空调可以大大减少常规能源的消耗,大幅度降低运行费用,但目前 系统的初投资仍然偏高,只适用 于有限的富裕用户。为此,我们正 在坚持不懈地降低现有真空管集热器的成本,使越来 越多的单位和家庭具有使用太阳能空调的经济承受能力。

  近年来,地球表 面温度逐年上升,人们对 夏季空调的要求越来越强烈,安装空 调已成为我国大部分地区的一股消费浪潮。我们相信,太阳能 吸收式空调系统可以发挥夏季制冷、冬季采暖、全年提 供热水的综合优势,必将取得显着的经济、社会和环境效益,具有广 阔的推广应用前景。

  从理论上讲,太阳能 空调的实现有两种方式,一是先实现光-电转换,再用电 力驱动常规压缩式制冷机进行制冷;二是利 用太阳的热能驱动进行制冷。对于前者,由于大 功率太阳能发电技术的昂贵价格,目前实用性较差。因此,太阳能 空调技术一般指热能驱动的空调技术。当然,广义上 的太阳能空调技术也包括地热驱动和地下冷源空调技术。

  由于技术、成本等原因,太阳能 空调一般采用吸收式和吸附式制冷技术。吸收式 制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术,根据吸收剂的不同,分为氨-水吸收 式制冷和溴化锂-水吸收式制冷两种。吸附式 制冷技术是利用固体吸附剂对制冷剂的吸附作用来制冷,常用的有分子筛-水、活性炭-甲醇吸附式制冷。两种制 冷技术均不采用氟利昂,可以避 免对臭氧层的破坏作用,具有特别的意义;并且二 者采用较低等级的能源,在节能 和环保方面有着光明的前景。另外,吸附式 制冷系统运行费用低(或无运行费用),无运动部件,寿命长,无噪声,尤其在航空、航天等 特殊领域广泛应用。

  对于太阳能制冷技术,因为要 照顾到集热器的效率等,就不得 不采用比较低的热源温度。所以,太阳能 驱动的制冷机存在效率较低的问题。随之而来的,从集热器、制冷机 等相应的成本分配来看,集热温度、冷水温 度及冷却水温度应各为多少,才能建 立一个最为经济合理的太阳能空调系统,也是尚待解决的课题。另外,由于太 阳能的收集存在着时效问题,蓄热技 术也必须得到很好地解决,一个较 好的蓄热系统可以弥补太阳能的不可*性和间断性。

  4.太阳能 空调技术的优势

  当前,大部分 使用的空调技术是一种以电能为动力,把室内 热量加以吸收排除到室外的循环系统。这种空 调将室内的热量收集后,释放到大气中,进一步 提高了大气的高温,空洞装的愈多,城市的 大气温度会愈高,则热岛效应会愈强烈。另外,制冷循 环介质氟里昂等氟化物的广泛使用,导致了 大气臭氧层的破坏,恶化了 生态环境也是众所周知的。近几年来,取代氟 里昂的工作介质的新型空调(是否污染环境,有待长期检验)已经投放市场。但耗能 严重的问题依然存在,在世界 能源日益紧张的今天,采用更 为节能的空调系统是人类的共同需要。

  利用太 阳能作为能源的空调系统,它的诱 人之处在于越是太阳能辐射强烈的时候,环境气温越高,人们的 生活越需要空调,此时,太阳能 空调的制冷能力就越强。这是人 和自然和谐的理想境界。使用太 阳能空调的结果,既创造 了室内宜人的温度,又能降 低大气的环境温度,还减弱 了城市中的热岛效应。更为可取的是,既节约了能源,还不使 用破坏大气层的氟里昂等有害物质,是名副 其实的绿色空调。

  5.太阳能 空调技术的应用前景

  目前大 量生产的大型商用中央空调和家用壁挂、立式空 调不太适合一些高档的住宅,急需要 一种小型户式中央空调来填充这一空白。而从太 阳能空调的特性和技术特点来看,太阳能 空调最适合于上述矛盾的解决和应用,故当前 空调行业的需求给太阳能空调技术的发展和应用带来了难得的机遇。


(本文由:南京罗 威环境工程有限公司根据实际情况原创发布,转载请注明出处。)
 
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