公用設備工程師

一、太陽能發展

太陽能空調是以太陽能作為制冷空調的能源。利用太陽能制冷可以有兩條途徑，一是利用光伏技術產生電力，以電力推動常規的壓縮式制冷機制冷;二是進行光-熱轉換，用熱作為能源制冷。前者系統比較簡單，但以目前光電池的價格計算，其造價為后者的3-4倍;后者除了供冷之外，還結合供熱利用。因此國外的太陽能空調系統通常以第二種為主。

節約常規能源和保護自然環境是當今世界關心的兩大熱點，常用的壓縮式空調機不僅消耗大量電能，而且存在對環境的污染問題。近幾年，越來越多的科學家和工程技術人員對太陽能空調系統進行了研究、開發，目前已在世界一些國家安裝了太陽能空調系統，用于夏季制冷、冬季采暖以及提供熱水，發展太陽能空調應用的基礎和意義。

1.1太陽能空調的市場基礎

太陽熱水器在國內市場迅猛發展，全國太陽熱水器的使用量已超過1000萬平方米，近年來每年增長超過200萬平方米，由此可見，太陽熱水器的使用量和需求量都非常大，市場前景非常好。另一方面，空調的需求也是一個巨大的市場。如果把供熱與空調結合起來將是一個更加理想的方案。這是太陽能空調實現推廣應用的市場基礎。

1.2太陽能空調的技術基礎

太陽能制冷空調的關鍵技術已經成熟。①在太陽能集熱器方面，真空管集熱器、平板集熱器都已經在市場上推廣應用;②在制冷機方面，溴化鋰吸收式制冷機在上世紀九十年代大量地進入了市場。中國科學院廣州能源研究所研制的低溫熱水型兩級吸收式淡化侄制冷機，熱源溫度只需60℃以上，特別適合于太陽能的利用。③在系統方面，已經積累了豐富的經驗。

因此，太陽能空調應用在技術上是可行的。

二、太陽能空調的技術特點及工作原理

(一)技術特點

目前太陽能空調的實現方式主要依靠太陽的熱能進行制冷和供熱，一般又可分為吸收式和吸附式兩種。吸收式制冷技術是利用吸收劑的吸收和蒸發特性進行制冷的技術，根據吸收劑的不同，分為氨-水吸收式制冷和溴化鋰-水吸收式制冷兩種。吸收式制冷技術是以太陽能集熱器收集太陽能產生熱水或熱空氣，再用太陽能熱水或熱空氣代替鍋爐熱水輸入制冷機中制冷。由于造價、工藝、效率等方面的原因，這種制冷機不宜做得太小，采用這種技術的太陽能空調系統一般適用于中央空調，系統需要有一定的規模;但是普通家用空調通過該技術改造成太陽能空調，具有成本低、改造簡便可行。吸附式制冷技術是利用固體吸附劑對制冷劑的吸附作用來制冷，常用的有分子篩-水、活性炭-甲醇吸附式制冷。

利用太陽能作為能源的空調裝置，一般可以分成三部分：

其一是太陽能集熱器。集熱器形式多樣，性能各異。集熱器采用真空管型最多，真空管型最基本的種類有三種：熱管式真空集熱管(簡稱熱管)、全玻璃真空集熱管和直通式真空集熱管。熱管式真空集熱管是繼傳統平板式真空集熱管之后開發出的高科技節能產品，它將熱管技術和真空技術融為一體，將太陽能集熱器的工作溫度從 70 ℃提高到 120 ℃以上，大大提高了集熱器的熱性能，是一種溫熱利用的理想產品。

其二是制冷系統。利用低溫熱源作為動力的制冷系統不同于壓縮式制冷系統，它必須能充分利用低溫熱源作為動力這一要求，目前以吸收式制冷技術較為成熟。吸收式制冷采用溴化鋰-水、氨-水等作為工質對，有較好的經濟性，特別是采用溴化鋰-水作為工質對，能滿足對安全性要求很高的空調裝置，是一種較為理想的工質對。

其三是自動化控制系統，即對裝置的各種工作參數進行控制和安全保護的控制系統。以熱管為太陽能集熱管，溴化鋰-水為工質對的吸收式制冷空調系統，不管是作為制冷量大的大型空調，還是作為家用空調都有著現實意義和發展前途，特別是目前人們環境保護意識的提高，對環境的要求越來越高，無污染、低能耗、利用太陽能作為動力的空調將會受到人們的青睞。

(二)工作原理

1、熱管式集熱管的工作原理

當陽光射在真空管內的吸熱片上，熱管內的工質受熱沸騰汽化，蒸汽不斷沖向頂部的冷凝端，在冷凝端冷凝變成液體，冷凝的工質沿管壁流回熱管的蒸發段，完成一個循環。這種在一端吸熱汽化而在另一端凝結放熱，通過內部相變實現熱量傳遞的熱管，習慣稱為重力熱管。熱管的內部沒有吸熱芯，凝結的液體從凝結段回流到蒸發段是依靠凝結液自身的重力，不需要外部動力而自動循環，這就是熱管式真空管的集熱過程。由于熱管是依靠重力使工質循環的，在使用中必須將蒸發段置于凝結段的下方。若蒸發段置于凝結段的上方，重力對凝結液的回流會起阻礙作用，這時沒有動力使凝結液返回到蒸發段，熱管就不能工作。所以熱管也可以稱之為單向傳熱的熱二極管。熱管的這種特性非常適用于太陽能集熱器，它可以將吸收的太陽能熱量傳送至水箱，將水加熱，而反向不可逆。也就是說，白天吸熱，晚上不放熱。這對減少集熱器的熱損失，提高集熱器的保溫性能是十分有益的。

于熱管主要依靠工質相變時吸收和釋放潛熱以及蒸汽流動傳輸熱量，而大多數工質的汽化潛熱是很大的，因此不需要很大的蒸發量就能傳遞大量的熱。當蒸汽處于飽和狀態，其流動和相變時的溫差很小，而管壁又比較薄，故熱管的表面溫度梯度很小。當熱流密度很低時，可以得到高度等溫的表面，提高導熱系數。熱管的安裝傾角對傳熱性能有一定的影響。對于一定的充液比，當傾角較小時，傳熱率隨傾角的變化迅速上升;當超過某一傾角時，傳熱率的變化變得很平坦，傾角對傳熱率的影響較小。當傾角為20°～ 45°時，傳熱效率最高，其中以 40°時為最佳。熱管安裝傾角范圍由當地地理緯度決定，而在我國境內，從廣州到哈爾濱的緯度為N23°～N45°，傾角均在傳熱效率高的范圍內，這對于熱管作為集熱器是十分有利的，可以最大限度地提高熱管的傳熱效率。熱管具有啟動工作溫度低、熱損少、管內不結垢、不炸管、全年使用不結凍、集熱效率高、使用壽命長等特點。

2、溴化鋰水溶液(LiBr-H2O)吸收式制冷裝置的工作原理

當發生器中的溶液被工作蒸汽或熱水加熱后，由于水的沸點遠低于溴化鋰，因此，溶液中的水分就會不斷地蒸發出來，成為制冷劑水蒸汽，同時使發生器中剩余溶液的濃度增高。制冷劑水蒸汽經分離器將其夾帶的液滴分離后進入冷凝器，被冷卻水冷卻，凝結成制冷劑水，再經膨脹閥節流降壓，然后進入蒸發器中蒸發汽化，吸取蒸發器管中冷媒水的熱量，使冷媒水的溫度降低，產生冷效應。為使水蒸汽還原成液態，同時也為了使發生器中由于析出了水分而濃縮的溶液(濃溶液)能繼續發揮作用，就需將發生器中的濃溶液和蒸發器中生成的水蒸汽部分送進吸收器中，并用冷卻水降低它們的溫度，使得濃溶液具備“吸收”水分的條件。于是，當水蒸汽與濃溶液接觸時，水蒸汽便被吸收，同時使濃溶液變成為稀溶液。然后由溶液泵加壓，再送回發生器中加熱，從而完成一個封閉的制冷循環。

溴化鋰是一種無色粒狀的結晶鹽，性質穩定，在大氣中不易變質不易分解，沸點很高(1265 ℃)，極易溶于水中，其水溶液具有強烈的吸濕性，而且，在常溫下飽和溴化鋰水溶液的濃度達 60% ，濃度越大，溫度越低，吸濕能力越強。溴化鋰在空氣中對鋼鐵有很強的腐蝕作用，但在真空狀態下加入緩蝕劑，基本上不腐蝕金屬。以溴化鋰-水溶液為工作對的吸收式制冷系統主要缺點是：熱效率低，冷卻水消耗量大，設備的密封性要求較高，有一定的腐蝕性。但由于可以直接利用低參數的熱源作動力，是利用太陽能低品位熱源的理想的制冷裝置;整個機組除功率較小的屏蔽泵外，無其它運動部件，運轉安靜，運行時基本上沒有噪音和振動;以溴化鋰～水作為工質對，無毒，無臭，有利于滿足環保要求;制冷機在真空狀態下進行，無高壓爆炸危險;制冷量調節范圍廣，在 20% ～ 100% 的負荷內可進行制冷量的無級調節;對外界條件變化的適應性強，可在加熱蒸汽的壓力 0.2 ～ 0.8 MPa(表壓力)、冷卻水溫度 20 ～ 35 ℃、冷媒水出水溫度 5 ～ 15 ℃的范圍內穩定運轉;機組結構簡單，對安裝基礎的要求低，無需特殊的機座;體積小，用地省，制造管理容易，維護費用亦較低廉;運轉十分安全。

3 、系統構造及工作原理

熱管式太陽能空調制冷系統由太陽能集熱器、溴化鋰吸收制冷系統、數臺循環泵、蓄熱的水箱、輔助電加熱器、兩個冷卻器和連接管路等輔助器件以及控制系統組成。循環水由循環泵輸入水箱，熱管吸收太陽能在水箱加熱循環水，水的溫度升高，由另一臺循環泵輸送到溴化鋰吸收式制冷裝置的發生器，將熱量釋放給發生器，水返回水箱。吸收器的冷卻水由循環水泵輸送到空氣冷卻器循環冷卻，冷凝器產生的熱量，由另一臺循環水泵輸送到另一個空氣冷卻器(大型的可考慮用冷卻塔)。整個空調系統由三個流通環路組成，即發生器流通環路、制冷水流通環路和冷卻水流通環路。各流通環路流量、溫度都由流量計與溫度傳感器測定。輔助電加熱器則是在夜間或集熱器工作不正常時加熱水以保證制冷效果。

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