2019年暖通工程師考試講義：太陽能發(fā)展

一、太陽能發(fā)展

太陽能空調(diào)是以太陽能作為制冷空調(diào)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(shù)產(chǎn)生電力，以電力推動常規(guī)的壓縮式制冷機(jī)制冷;二是進(jìn)行光-熱轉(zhuǎn)換，用熱作為能源制冷。前者系統(tǒng)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(jié)合供熱利用。因此國外的太陽能空調(diào)系統(tǒng)通常以第二種為主。

節(jié)約常規(guī)能源和保護(hù)自然環(huán)境是當(dāng)今世界關(guān)心的兩大熱點，常用的壓縮式空調(diào)機(jī)不僅消耗大量電能，而且存在對環(huán)境的污染問題。近幾年，越來越多的科學(xué)家和工程技術(shù)人員對太陽能空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究、開發(fā)，目前已在世界一些國家安裝了太陽能空調(diào)系統(tǒng)，用于夏季制冷、冬季采暖以及提供熱水，發(fā)展太陽能空調(diào)應(yīng)用的基礎(chǔ)和意義。

1.1太陽能空調(diào)的市場基礎(chǔ)

太陽熱水器在國內(nèi)市場迅猛發(fā)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(diào)的需求也是一個巨大的市場。如果把供熱與空調(diào)結(jié)合起來將是一個更加理想的方案。這是太陽能空調(diào)實現(xiàn)推廣應(yīng)用的市場基礎(chǔ)。

1.2太陽能空調(diào)的技術(shù)基礎(chǔ)

太陽能制冷空調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)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(jīng)在市場上推廣應(yīng)用;②在制冷機(jī)方面，溴化鋰吸收式制冷機(jī)在上世紀(jì)九十年代大量地進(jìn)入了市場。中國科學(xué)院廣州能源研究所研制的低溫?zé)崴蛢杉壩帐降吨评錂C(jī)，熱源溫度只需60℃以上，特別適合于太陽能的利用。③在系統(tǒng)方面，已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。

因此，太陽能空調(diào)應(yīng)用在技術(shù)上是可行的。

二、太陽能空調(diào)的技術(shù)特點及工作原理

(一)技術(shù)特點

目前太陽能空調(diào)的實現(xiàn)方式主要依靠太陽的熱能進(jìn)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(shù)是利用吸收劑的吸收和蒸發(fā)特性進(jìn)行制冷的技術(shù)，根據(jù)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(shù)是以太陽能集熱器收集太陽能產(chǎn)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(jī)中制冷。由于造價、工藝、效率等方面的原因，這種制冷機(jī)不宜做得太小，采用這種技術(shù)的太陽能空調(diào)系統(tǒng)一般適用于中央空調(diào)，系統(tǒng)需要有一定的規(guī)模;但是普通家用空調(diào)通過該技術(shù)改造成太陽能空調(diào)，具有成本低、改造簡便可行。吸附式制冷技術(shù)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(diào)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(tǒng)平板式真空集熱管之后開發(fā)出的高科技節(jié)能產(chǎn)品，它將熱管技術(shù)和真空技術(shù)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?zé)崂玫睦硐氘a(chǎn)品。

其二是制冷系統(tǒng)。利用低溫?zé)嵩醋鳛閯恿Φ闹评湎到y(tǒng)不同于壓縮式制冷系統(tǒng)，它必須能充分利用低溫?zé)嵩醋鳛閯恿@一要求，目前以吸收式制冷技術(shù)較為成熟。吸收式制冷采用溴化鋰-水、氨-水等作為工質(zhì)對，有較好的經(jīng)濟(jì)性，特別是采用溴化鋰-水作為工質(zhì)對，能滿足對安全性要求很高的空調(diào)裝置，是一種較為理想的工質(zhì)對。

其三是自動化控制系統(tǒng)，即對裝置的各種工作參數(shù)進(jìn)行控制和安全保護(hù)的控制系統(tǒng)。以熱管為太陽能集熱管，溴化鋰-水為工質(zhì)對的吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)，不管是作為制冷量大的大型空調(diào)，還是作為家用空調(diào)都有著現(xiàn)實意義和發(fā)展前途，特別是目前人們環(huán)境保護(hù)意識的提高，對環(huán)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(diào)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(dāng)陽光射在真空管內(nèi)的吸熱片上，熱管內(nèi)的工質(zhì)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(zhì)沿管壁流回?zé)峁艿恼舭l(fā)段，完成一個循環(huán)。這種在一端吸熱汽化而在另一端凝結(jié)放熱，通過內(nèi)部相變實現(xiàn)熱量傳遞的熱管，習(xí)慣稱為重力熱管。熱管的內(nèi)部沒有吸熱芯，凝結(jié)的液體從凝結(jié)段回流到蒸發(fā)段是依靠凝結(jié)液自身的重力，不需要外部動力而自動循環(huán)，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(zhì)循環(huán)的，在使用中必須將蒸發(fā)段置于凝結(jié)段的下方。若蒸發(fā)段置于凝結(jié)段的上方，重力對凝結(jié)液的回流會起阻礙作用，這時沒有動力使凝結(jié)液返回到蒸發(fā)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(zhì)相變時吸收和釋放潛熱以及蒸汽流動傳輸熱量，而大多數(shù)工質(zhì)的汽化潛熱是很大的，因此不需要很大的蒸發(fā)量就能傳遞大量的熱。當(dāng)蒸汽處于飽和狀態(tài)，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(dāng)熱流密度很低時，可以得到高度等溫的表面，提高導(dǎo)熱系數(shù)。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(dāng)傾角較小時，傳熱率隨傾角的變化迅速上升;當(dāng)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(dāng)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(dāng)?shù)氐乩砭暥葲Q定，而在我國境內(nèi)，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(nèi)，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(nèi)不結(jié)垢、不炸管、全年使用不結(jié)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(dāng)發(fā)生器中的溶液被工作蒸汽或熱水加熱后，由于水的沸點遠(yuǎn)低于溴化鋰，因此，溶液中的水分就會不斷地蒸發(fā)出來，成為制冷劑水蒸汽，同時使發(fā)生器中剩余溶液的濃度增高。制冷劑水蒸汽經(jīng)分離器將其夾帶的液滴分離后進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻，凝結(jié)成制冷劑水，再經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓，然后進(jìn)入蒸發(fā)器中蒸發(fā)汽化，吸取蒸發(fā)器管中冷媒水的熱量，使冷媒水的溫度降低，產(chǎn)生冷效應(yīng)。為使水蒸汽還原成液態(tài)，同時也為了使發(fā)生器中由于析出了水分而濃縮的溶液(濃溶液)能繼續(xù)發(fā)揮作用，就需將發(fā)生器中的濃溶液和蒸發(fā)器中生成的水蒸汽部分送進(jìn)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(dāng)水蒸汽與濃溶液接觸時，水蒸汽便被吸收，同時使?jié)馊芤鹤兂蔀橄∪芤?。然后由溶液泵加壓，再送回發(fā)生器中加熱，從而完成一個封閉的制冷循環(huán)。

溴化鋰是一種無色粒狀的結(jié)晶鹽，性質(zhì)穩(wěn)定，在大氣中不易變質(zhì)不易分解，沸點很高(1265 ℃)，極易溶于水中，其水溶液具有強(qiáng)烈的吸濕性，而且，在常溫下飽和溴化鋰水溶液的濃度達(dá) 60% ，濃度越大，溫度越低，吸濕能力越強(qiáng)。溴化鋰在空氣中對鋼鐵有很強(qiáng)的腐蝕作用，但在真空狀態(tài)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(tǒng)主要缺點是：熱效率低，冷卻水消耗量大，設(shè)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(shù)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(jī)組除功率較小的屏蔽泵外，無其它運動部件，運轉(zhuǎn)安靜，運行時基本上沒有噪音和振動;以溴化鋰～水作為工質(zhì)對，無毒，無臭，有利于滿足環(huán)保要求;制冷機(jī)在真空狀態(tài)下進(jìn)行，無高壓爆炸危險;制冷量調(diào)節(jié)范圍廣，在 20% ～ 100% 的負(fù)荷內(nèi)可進(jìn)行制冷量的無級調(diào)節(jié);對外界條件變化的適應(yīng)性強(qiáng)，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(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn);機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，對安裝基礎(chǔ)的要求低，無需特殊的機(jī)座;體積小，用地省，制造管理容易，維護(hù)費用亦較低廉;運轉(zhuǎn)十分安全。

3 、系統(tǒng)構(gòu)造及工作原理

熱管式太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)由太陽能集熱器、溴化鋰吸收制冷系統(tǒng)、數(shù)臺循環(huán)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(tǒng)組成。循環(huán)水由循環(huán)泵輸入水箱，熱管吸收太陽能在水箱加熱循環(huán)水，水的溫度升高，由另一臺循環(huán)泵輸送到溴化鋰吸收式制冷裝置的發(fā)生器，將熱量釋放給發(fā)生器，水返回水箱。吸收器的冷卻水由循環(huán)水泵輸送到空氣冷卻器循環(huán)冷卻，冷凝器產(chǎn)生的熱量，由另一臺循環(huán)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(diào)系統(tǒng)由三個流通環(huán)路組成，即發(fā)生器流通環(huán)路、制冷水流通環(huán)路和冷卻水流通環(huán)路。各流通環(huán)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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