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太陽能其它熱利用介紹

第一節 太陽能泳池加熱系統

一、游泳池介紹及加熱設計條件

1、分類

u  按使用性質分:比賽游泳池、訓練游泳池、跳水游泳池、兒童游泳池、幼兒游泳池

u  按經營方式分:公用游泳池、商業游泳池

u  按建造方法分:人工游泳池、天然游泳池

u  按有無屋蓋分:室內游泳池、露天游泳池

2、規格

u  標準游泳池為矩形平面,比賽和訓練用游泳池應按此要求建造。跳水游泳池可為正方形。其它類型的游泳池可為不規則形狀。

u  游泳池的平面尺寸:

1)  長度應為12.5m的整倍數,如25m、50m等;

2)  寬度由泳道的數量確定。每條泳道的寬度,一般為2.0~2.5m.。但中小學校用游泳池的泳道寬度可采用1.8m。游泳池兩側的邊泳道的寬度,至少應另增加0.25~0.5m。

3)  標準的比賽和訓練游泳池,長度為50m,允許誤差為±0.1m;寬度為21m(8條泳道)或25m(10條泳道);池水深度:淺端為1.8~2.0m,深端為2.0~2.2m。

4)  跳水游泳池為21×25m或25×25m,水深為5~5.5m。

3、水溫

u  比賽游泳池的池水溫度,應符合《游泳比賽規則》和《游泳池給水排水設計規范》的要求。

u  有關國家關于游泳池池水溫度的規定,可參見下表:

表 各國游泳池池水溫度

國別

美國

日本

前蘇聯

國際泳聯

水溫/℃

22~24

比賽池  24±0.5

跳水池  27±0.5

幼兒池    >25

冬季  22~24

夏季  ≥18 

24~26

u  設計時應根據游泳池的使用性質和有無屋蓋等情況,可參見下表:

表 游泳池池水設計溫度

游泳池的用途

池水溫度/℃

游泳池的用途

池水溫度/℃

比賽用

訓練用

跳水用

兒童、幼兒用

24~26

25~27

26~28

24~29

露天游泳池

夏季用

冬季用

準備池

不低于22

宜為30

24~27

u  冬季使用的露天游泳池池溫度,我國無明確規定,國外資料建議采用30℃以上。

4、水的循環

(一)循環方式

游泳池的循環方式可分為:順流式循環、逆流式循環、混合式循環。我國采用順流式循環方式較多;逆流式循環方式是國際泳聯推薦的循環方式;混合式循環為前兩種方式的組合,要求池表面溢流回水量不得少于循環水量的50%,池底的回水量不得超過循環水量的50%。

(二)循環周期

u  決定循環周期的因素:(1)游泳池的使用性質;(2)游泳人數;(3)游泳池容積和水表面面積;

(4)游泳池開放時間;(5)水凈化設備運行方式和時間;(6)環境狀況。

u  循環周期計算

                       太陽能其它熱利用介紹

式中:太陽能其它熱利用介紹——游泳池水的循環周期,h

太陽能其它熱利用介紹——每天循環次數,可參照下表;

表  游泳池循環次數和周期

游泳池類別

循環次數太陽能其它熱利用介紹/次/d

循環周期T/h

游泳池類別

循環次數太陽能其它熱利用介紹/次/d

循環周期T/h

比賽池、訓練池

4~2.4

6~10

公共池

4~3

6~8

跳水池、私用游泳池

3~2

8~12

兒童池

6~4

4~6

跳水游泳合建池

3~2.4

8~10

幼兒池

24~12

1~2

u  循環流量計算

            太陽能其它熱利用介紹

式中:太陽能其它熱利用介紹——循環水流量,m3/h

太陽能其它熱利用介紹——管道、凈化設備和補給水箱(或平衡水池)的水容積系數,一般為1.1~1.2

太陽能其它熱利用介紹——每天循環次數,可參照上表

太陽能其它熱利用介紹——游泳池的水容積,m3

u  循環管道

1)水泵吸水管流速1.0~1.2m/s;出水管流速一般采用1.5m/s;

2)循環給水管流速不宜超過1.5m/s;循環回水管采用鋼管,則內壁應涂防腐漆或內襯防腐材料;流速宜采用0.7~1.0m/s;

3)管道應盡量采用給水鑄鐵管,塑料管。如

4)管道宜敷設在沿游泳池周邊設置的管廊和管溝有困難時,可埋地敷設,但應有可靠的防腐措施;

5)管道上的閥門,應采用明桿閘閥或蝶閥;

6)管道無需采取保溫隔熱措施;

二、游泳池耗熱量計算

游泳池的耗熱量主要包含以下五方面的熱量:水面蒸發損失的熱量、水面傳導損失的熱量、池底和池壁傳導損失的熱量、管道和設備損失的熱量、補充水加熱所需的熱量。

1、水面蒸發損失的熱量

太陽能其它熱利用介紹

式中:太陽能其它熱利用介紹——池水面蒸發損失的熱量,KJ/h

太陽能其它熱利用介紹——與池水溫度相等時,水的蒸發汽化潛熱,kcal/kg,可下表一采用

太陽能其它熱利用介紹——池水面上的風速,m/s,按下列規定采用:

       室內游泳池:太陽能其它熱利用介紹=0.2~0.5 m/s

       露天游泳池:太陽能其它熱利用介紹=2~3m/s

太陽能其它熱利用介紹——與池水溫度相等時的飽和空氣的水蒸汽分壓力,mmHg,按下表一采用

太陽能其它熱利用介紹——空氣的水蒸汽分壓,mmHg,按下表二采用

太陽能其它熱利用介紹——游泳池水面面積,m2

太陽能其它熱利用介紹——當地的大氣壓力,mmHg

表一  水的蒸發潛熱和飽和蒸汽壓

水溫/℃

蒸發潛熱太陽能其它熱利用介紹/ (kcal/kg)

飽和蒸汽壓Pb/mmHg

水溫/℃

蒸發潛熱太陽能其它熱利用介紹/ (kcal/kg)

飽和蒸汽壓Pb/mmHg

18

587.1

15.5

25

583.1

23.8

19

586.6

16.5

26

582.5

25.2

20

586.0

17.5

27

581.9

26.7

21

585.4

18.7

28

581.4

28.3

22

584.9

19.8

29

580.8

30.0

23

584.3

21.1

30

580.4

31.8

24

583.6

22.4

-

表二  氣溫與相應的蒸汽分壓

氣溫/℃

相對濕度(%)

蒸汽分壓Pq/mmHg

氣溫/℃

相對濕度(%)

蒸汽分壓Pq/mmHg

21

50

55

60

9.3

10.2

11.1

26

50

55

60

12.5

13.8

15.2

22

50

55

60

9.9

10.9

11.9

27

50

55

60

13.3

14.7

16.0

23

50

55

60

10.5

11.5

12.6

28

50

55

60

14.3

15.6

17.0

24

50

55

60

11.1

12.3

13.4

29

50

55

60

15.1

16.5

18.0

25

50

55

60

11.9

13.0

14.2

30

50

55

60

16.0

17.5

19.1

2、水面傳導損失的熱量

      太陽能其它熱利用介紹

式中:太陽能其它熱利用介紹——池水面傳導損失的熱量,KJ/h

太陽能其它熱利用介紹——水面傳熱系數,可近似采用8 kcal/ m2·h·℃

太陽能其它熱利用介紹——池水溫度,℃,參照表 游泳池池水設計溫度

太陽能其它熱利用介紹——游泳池處的空氣溫度,℃

3、池底和池壁傳導損失的熱量

  太陽能其它熱利用介紹

式中:太陽能其它熱利用介紹——池底和池壁傳導損失的熱量,KJ/h

太陽能其它熱利用介紹——池底和池壁的傳熱系數, kcal/ m2·h·℃,按下列數據采用:

       與土壤接觸時:太陽能其它熱利用介紹=1 kcal/ m2·h·℃,

       與空氣接觸時:太陽能其它熱利用介紹=2~5kcal/ m2·h·℃,

太陽能其它熱利用介紹——池底或池壁的外表面積,m2

太陽能其它熱利用介紹——池水溫度,℃,參照表 游泳池池水設計溫度

太陽能其它熱利用介紹——土壤或空氣溫度,℃

4、管道和設備損失的熱量

太陽能其它熱利用介紹

式中:太陽能其它熱利用介紹——管段熱損失,KJ/h

      太陽能其它熱利用介紹——管道計算外徑,m

太陽能其它熱利用介紹——計算管段長度,m

太陽能其它熱利用介紹——無保溫管道的傳熱系數,約為41.87~43.96kcal/ m2·h·℃

太陽能其它熱利用介紹——保溫系數

       不保溫時:太陽能其它熱利用介紹=0

       簡單的保溫時:太陽能其它熱利用介紹=0.6

       較好的保溫時:太陽能其它熱利用介紹=0.7~0.8

太陽能其它熱利用介紹——計算管段的平均水溫,℃

太陽能其它熱利用介紹——計算管段周圍的空氣溫度,℃,可按下表選用

太陽能其它熱利用介紹——不保溫時單位長度管道的熱損失,KJ/ h·m

表 管道周圍的空氣溫度

管道敷設情況

太陽能其它熱利用介紹 ℃

采暖房間內明管道敷設

18~20

采暖房間內暗管道敷設

30

敷設在不采暖房間的頂棚內

采用一月份室外平均氣溫

敷設在不采暖的地下室內

5~10

敷設在室內地下管溝內

35

5、補充水加熱所需的熱量

太陽能其它熱利用介紹

 

式中:太陽能其它熱利用介紹——補充水加熱需要的熱量,KJ/h

      太陽能其它熱利用介紹——每天補水水量,m3

太陽能其它熱利用介紹——池水溫度,℃

太陽能其它熱利用介紹——補充水水溫,℃,按冬季最不利水溫計算

太陽能其它熱利用介紹——每天加熱時間,h,按下列規定確定:

     利用補充水箱或平衡水池自動補水時,太陽能其它熱利用介紹=24 h

     其它補水方式按具體情況確定;

太陽能其它熱利用介紹——水的容重,kg/L

太陽能其它熱利用介紹——水的比熱容,4.1868 KJ/ kg·℃

6、總耗熱量

太陽能其它熱利用介紹

7、  簡化計算

(一)簡化計算一

按池水每天自然溫度降計算1~4損失的熱量:

太陽能其它熱利用介紹

 

式中:太陽能其它熱利用介紹——前4項損失熱量之總和,KJ/h

      太陽能其它熱利用介紹——池水每天自然溫降值,℃

太陽能其它熱利用介紹——水的容重,kg/L

太陽能其它熱利用介紹——游泳池的水容積,m3

太陽能其它熱利用介紹——水的比熱容,4.1868 KJ/ kg·℃

(二)簡化計算二

前述2~4項損失的熱量之和,可按第1項游泳池水面蒸發損失熱量的10~20%計算。

(三)簡化計算三

方案設計時,前述1~4項損失熱量之和,可按下表采用。

表 游泳池每m2水面積平均熱損失概略值(KJ/h)

氣溫/℃

5

10

15

20

25

26

27

28

29

30

露天游泳池

4522

4187

3852

3433

2931

2847

2721

2596

2470

2302

室內游泳池

2345

2177

2010

1842

1507

1465

1382

1340

1256

1172

   注:表中數值按下述條件計算:

       水溫:27℃;空氣相對濕度:50%;風速:室內,0.5m/s;室外,2 m/s

三、加熱方式和設備

 1、加熱方式

     游泳池水宜盡量采用間接加熱方式,采用太陽能進行加熱,將可以節約能源。具體計算可根據游泳池的總耗執熱量及加熱方式計算所需集熱面積。

(一)直接系統太陽能集熱器總面積

             太陽能其它熱利用介紹              

       式中:太陽能其它熱利用介紹—直接系統集熱器采光面積,太陽能其它熱利用介紹

          太陽能其它熱利用介紹——總耗熱量,KJ

太陽能其它熱利用介紹——當地集熱器受熱面上月均日輻照量, KJ/太陽能其它熱利用介紹(見氣象設計資料)

         太陽能其它熱利用介紹——太陽能保證率,% 根據系統使用期間內的太陽輻照、系統經濟性及用戶要求等因素綜合考慮后確定,一般在30%~80%范圍內(參照附表選擇)

太陽能其它熱利用介紹——集熱器年或月平均集熱效率根據經驗值取0.25~0.50,具體取值根據集熱器產品的實際測試結果而定;

太陽能其它熱利用介紹——管路及儲水箱熱損失率根據經驗值取0.20~0.30;

(二)間接系統太陽能集熱器總面積

間接系統太陽能集熱器總面積及其它各部件的具體計算方法可參照前節《太陽能熱水系統設計》。

2、加熱設備

    應根據熱源條件確定加熱設備。加熱設備宜選用兩臺,以適應游泳池水初次加熱及使用中的補充加熱的情況。

第二節 太陽能采暖系統

一、采暖系統類型選擇

太陽能供熱采暖系統類型的選擇,應根據所在地區氣候、太陽能資源條件、建筑物類型、使用功能、業主要求、投資規模、安裝條件等因素綜合確定。太陽能供熱采暖系統的類型應根據建筑氣候分區和建筑物類型按下表選擇:

表 太陽能供熱采暖系統選型

建筑氣候分區

嚴寒地區

寒冷地區

夏熱冬冷、溫和地區

建筑物類型

低層

多層

高層

低層

多層

高層

低層

多層

高層

太陽能采暖系統類型

太陽能集熱器

空氣集熱器







液體工質集熱器

末端供暖系統

低溫熱水地板輻射

水—空氣處理設備

散熱器

熱風采暖

系統蓄熱能力

短期蓄熱

季節蓄熱

集熱系統運行方式

直接系統







間接系統




注:表中“●”為可選用項目。

二 、采暖系統負荷計算

 1、建筑物耗熱量

太陽能供熱采暖系統的供暖熱負荷為建筑物耗熱量,建筑物耗熱量應按下式計算:

太陽能其它熱利用介紹

式中:QH——建筑物的耗熱量,W

QHT——通過圍護結構的傳熱耗熱量,W

QINF——空氣滲透耗熱量,W

QIH——建筑物內部得熱(包括照明、電器、炊事和人體散熱等),W,住宅建筑取3.8W/ m2。

u  通過圍護結構的傳熱耗熱量應按下式計算:

太陽能其它熱利用介紹

式中:QHT——通過圍護結構的傳熱耗熱量,W

ti——室內空氣計算溫度,按《采暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2003中規定范圍的低限選取,℃

te——室外空氣計算溫度,按采暖期室外平均溫度取值,℃

ε——圍護結構傳熱系數的修正系數,

K——圍護結構的傳熱系數, W / (m2?℃)

F——圍護結構的面積,m2

u  空氣滲透耗熱量應按下式計算:

太陽能其它熱利用介紹

式中:QINF——空氣滲透耗熱量,W

Cρ——空氣比熱容,取0.28 W ? h / ( kg? K );

ρ——空氣密度,取te條件下的值, kg / m2

N——換氣次數,次 / h

V——換氣體積, m3

 

2、太陽能集熱系統

       根據建筑的耗熱量,可進行太陽能系統設計計算相應所需的集熱面積及進行其它運行部件的設計。

(一)直接系統太陽能集熱器總面積

             太陽能其它熱利用介紹              

       式中:太陽能其它熱利用介紹—直接系統集熱器采光面積,太陽能其它熱利用介紹

          太陽能其它熱利用介紹——建筑總耗熱量,W

太陽能其它熱利用介紹——當地集熱器受熱面上月均日輻照量, J/太陽能其它熱利用介紹(見氣象設計資料)

         太陽能其它熱利用介紹——太陽能保證率,% ,參照下表選擇

太陽能其它熱利用介紹——集熱器年或月平均集熱效率根據經驗值取0.25~0.50,具體取值根據集熱器產品的實際測試結果而定;

太陽能其它熱利用介紹——管路及儲水箱熱損失率根據經驗值取0.20~0.30;

其太陽能采暖系統的保證率可按下表進行選用。同時太陽能集熱器的類型應與使用當地的太陽能資源、氣候條件相適應,在保證太陽能供暖系統全年安全、穩定運行的前提下,選擇性能價格比最優的太陽能集熱器。

表 不同地區冬季供暖的太陽能保證率選值范圍

資源區劃

短期蓄熱系統太陽能保證率

季節蓄熱系統太陽能保證率

I 資源豐富區

40%~60%

60%~80%

Ⅱ資源較富區

20%~40%

40%~60%

Ⅲ資源一般區

10%~20%

20%~40%

Ⅳ資源貧乏區

≤10%

10%~20%

(二)間接系統太陽能集熱器總面積

間接系統太陽能集熱器總面積及其它各部件的具體計算方法可參照前節《太陽能熱水系統設計》。

3、太陽能供暖系統蓄熱

(一)蓄熱方式選擇原則

u  應根據太陽能集熱系統形式、系統性能、系統投資,供暖負荷和太陽能保證率進行技術經濟分析,選取適宜的蓄熱分系統。

u  貯熱水箱蓄熱適用于液體工質集熱器短期蓄熱太陽能供暖系統。

u  為保證貯熱水箱的水溫分層,水箱進、出口處流速宜小于0.04 m / s,必要時宜采用水流分布器。

u  根據當地的太陽能資源、氣候、工程投資等因素綜合考慮,短期蓄熱液態工質集熱器太陽能供暖系統的蓄熱量應能滿足建筑物1—5 天的供暖需求。

u  地下水池蓄熱適用于液體工質集熱器季節蓄熱太陽能供暖系統;畜熱量大、施工簡便、初投資低,是性能價格比最優的季節蓄熱系統。

u  設計地下水池季節蓄熱系統的水池容量時,應校核計算蓄熱水池內熱水可能達到的最高溫度;宜利用計算軟件模擬系統的全年運行性能,進行計算預測。常壓水池的最高水溫應于95℃,承壓水池的最高水溫應比與水池內壓力相對應的水的沸點低5℃。

u  土壤埋管蓄熱適用于液體工質集熱器季節蓄熱太陽能供暖系統,蓄熱量大、施工簡便、初投資蓄熱量大,但施工較復雜,初投資高。

u  卵石堆蓄熱適用于空氣集熱器短期蓄熱太陽能供暖系統。

u  相變材料蓄熱同時適用于空氣集熱器和液體工質集熱器短期蓄熱太陽能供暖系統。

u  貯熱水箱容積配置。 各類太陽能供熱系統對應每平方米太陽能集熱器采光面積的貯熱水箱容積范圍宜按下表選取,根據設計蓄熱時間周期和蓄熱量等參數計算確定。

表 各類系統貯熱水箱的容積選擇范圍

系統類型

小型太陽能熱水系統

短期蓄熱太陽能供暖系統

季節蓄熱太陽能供暖系統

貯熱水箱容積范圍(L/ m2)

40—100

50~100

1400~2100

 

(二)卵石堆蓄熱設計

u  空氣蓄熱系統的蓄熱裝置——卵石堆蓄熱器(卵石箱)內的卵石含量為每平方米集熱器面積250kg;卵石直徑小于10cm時,卵石堆深度不宜小于2m,卵石直徑大于10cm時,卵石堆深度不宜小于3m。卵石箱上下風口的面積應大于8 % 的卵石箱截面積,空氣通過上下風口流經卵石堆的阻力應小于37 Pa。

u  放入卵石箱內的卵石應清洗干凈,卵石大小應均勻,直徑范圍宜在5—10cm之間;不應使用易破碎的石頭,如石灰石、砂石等,大理石、白云石等可與水和二氧化碳起反應的石頭也不宜使用。卵石堆可水平或垂直鋪放在箱內,水平卵石堆適宜于地下狹窄、高度受限的地點,無熱分層;垂直卵石堆有熱分層,蓄熱性能更好,宜優先選用。

(三)相變材料蓄熱設計

u   空氣集熱器太陽能供暖系統采用相變材料蓄熱時,熱空氣可直接流過相變材料蓄熱器加熱相變材料進行蓄熱;液態工質集熱器太陽能供暖系統采用相變材料蓄熱時,應增設換熱器,通過換熱器加熱相變材料蓄熱器中的相變材料進行蓄熱。

u  應根據太陽能供熱采暖系統的工作溫度,選擇確定相變材料,使相變材料的相變溫度與系統的工作溫度范圍相匹配。

4、輔助熱源配置設計原則

u  太陽能供暖系統應設輔助熱源及其加熱/換熱設備、設施,輔助熱源可因地制宜選擇城市熱網、電、燃氣、燃油、工業余熱和生物質燃料等,加熱/換熱設備、設施有各類鍋爐、換熱器和熱泵等。

u  輔助熱源的供熱量宜按現行國家標準《采暖通風與空氣調節設計規范》GB 50019-2003規定的采暖熱負荷計算;在標準規定可不設置集中采暖的地區或建筑,可根據當地的實際情況,適當降低輔助熱源的供熱量標準。

u  輔助熱源加熱、換熱設備應根據當地可用的熱源種類、價格、供水水質、供暖系統型式、對環境的影響、使用的方便性等多項因素,通過技術、經濟分析合理選用;宜重視廢熱、余熱利用。

u  輔助熱源及其加熱設施應在保證太陽能集熱系統充分工作的條件下輔助運行。輔助熱源設施宜靠近貯熱水箱(罐)設置,并應便于操作、維護。

u  大型、集中式太陽能供暖系統的輔助熱源設備配置宜不少于2臺;1臺檢修時,其他各臺加熱設備的總供熱能力不小于50%的系統負荷。小型戶式太陽能供暖系統可配置1臺輔助熱源設備;采用快速式燃氣水加熱器時,應注意該加熱器的允許進水溫度。

第三節 太陽能制冷系統

一 、太陽能制冷原理及方式

 1、太陽能制冷定義及方式

  (一)定義

所謂太陽能制冷,就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機提供其發生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高,則制冷機的性能系數(亦稱COP)越高,這樣空調系統的制冷效率也越高。例如,若熱媒水溫度60℃左右,則制冷機COP約0~40;若熱媒水溫度90℃左右,則制冷機COP約0~70;若熱媒水溫度120℃左右,則制冷機COP可達110以上。

(二)太陽能驅動的制冷空調方法

實現太陽能制冷主要有三條途徑:一是太陽能光電轉換,以電制冷;二是太陽能光熱轉換,以熱制冷;三是光化轉化。光熱轉換是利用各種集熱器把太陽能收集起來,然后用收集到的熱能來驅動太陽能制冷空調裝置;光電轉換是將太陽能轉化為電能來驅動制冷系統;光化轉換是先將太陽能轉化為化學能,然后進行制冷/熱。太陽能制冷空調體系統主要由太陽能集熱裝置、熱驅動制冷裝置和輔助熱源心以及相關控制設備組成。主要的太陽能制冷空調方法如下:

太陽能其它熱利用介紹              

太陽能其它熱利用介紹                吸收式制冷

光熱轉換

                吸附式制冷

 

太陽能其它熱利用介紹           

                                    除濕蒸發冷卻

 

    太陽能         光電轉化         噴射式制冷

                                       

                                    電能驅動傳統制冷方式

 

太陽能其它熱利用介紹                 半導體制冷

 

光化轉化         化學熱泵

 

                氫化物制冷

2、太陽能制冷原理

 (一)太陽能吸收式制冷

       吸收式制冷是利用溶液濃度的變化來獲取冷量的,稀溶液吸收來自蒸發器的低壓蒸氣,釋放出熱量由冷卻介質帶走,溶液變濃后經溶液泵升壓送至發生器,經過高溫熱源加熱產生高壓蒸汽進入冷凝、節流后進入蒸發器蒸發制冷。吸收式制冷是利用兩種物質所組成的二元溶液作為工質來進行的。這兩種物質在同一壓強下有不同的沸點,其中高沸點的組分稱為吸收劑,低沸點的組分稱為制冷劑。常用的吸收劑—制冷劑組合有兩種:一種是溴化鋰—水,通常適用于大型中央空調;另一種是水—氨,通常適用于小型空調。
     吸收式制冷機主要由發生器、冷凝器、蒸發器和吸收器組成。在制冷機運行過程中,當溴化鋰水溶液在發生器內受到熱媒水加熱后,溶液中的水不斷汽化;水蒸氣進入冷凝器,被冷卻水降溫后凝結;隨著水的不斷汽化,發生器內的溶液濃度不斷升高,進入吸收器;當冷凝器內的水通過節流閥進入蒸發器時,急速膨脹而汽化,并在汽化過程中大量吸收蒸發器內冷媒水的熱量,從而達到降溫制冷的目的;在此過程中,低溫水蒸氣進入吸收器,被吸收器內的濃溴化鋰溶液吸收,溶液濃度逐步降低,由溶液泵送回發生器,完成整個循環。

所謂太陽能吸收式制冷,就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機提供其發生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高,則制冷機的性能系數(亦稱COP)越高,這樣空調系統的制冷效率也越高。例如,若熱媒水溫度60℃左右,則制冷機COP約040;若熱媒水溫度90℃左右,則制冷機COP約070;若熱媒水溫度120℃左右,則制冷機COP可達110以上。

常規的吸收式空調系統主要包括吸收式制冷機、空調箱(或風機盤管)、鍋爐等幾部分,而太陽能吸收式空調系統是在此基礎上再增加太陽集熱器、儲水箱和自動控制系統。

在夏季,被集熱器加熱的熱水首先進入儲水箱,當熱水溫度達到一定值時,由儲水箱向制冷機提供熱媒水;從制冷機流出并已降溫的熱水流回儲水箱,再由集熱器加熱成高溫熱水;制冷機產生的冷媒水通向空調箱,以達到制冷空調的目的。當太陽能不足以提供高溫熱媒水時,可由輔助鍋爐補充熱量。

在冬季,同樣先將集熱器加熱的熱水進入儲水箱,當熱水溫度達到一定值時,由儲水箱直接向空調箱提供熱水,以達到供熱采暖的目的。當太陽能不能夠滿足要求時,也可由輔助鍋爐補充熱量。

在非空調采暖季節,只要將集熱器加熱的熱水直接通向生活用儲水箱中的熱交換器,就可將儲水箱中的冷水逐漸加熱以供使用。

太陽能吸收式制冷機有如下幾種:間歇式太陽能吸收式制冷機、連續式太陽能吸收式制冷機(分為直接式和間接式)和無泵吸收式制冷機(分汽泡泵式和雙吸收器式)。

間歇式太陽能吸收式制冷機中集熱器兼作發生器和吸收器械用,工質為氨水溶液,經有關試驗研究,在太陽能輻射為700W/m2和發生時間為5h的條件下,環境溫度為22~35℃,冷卻水溫度為20℃,冷凝溫度為21~35℃,發生器內的溶液溫度最高達到75~83℃,能夠并冷凝3.6~4.2kg氨。制冷階段周圍環境溫度為18~31℃,蒸發溫度為-17~7℃,結冰量為6.8~8.0kg,每平方采光面積的結冰量達4.5~5.3kg。

間接連續式太陽能吸收式制冷機是通過集熱器加熱熱水,然后通過熱水作為熱源媒體加熱待發生溶液,日本矢崎1號太陽房就是一種間接連續式太陽能驅動溴化鋰吸收式制冷機,試驗研究表明,冷卻水溫為29.5℃,冷凍水溫度為9℃,發生器入口溫度為85℃,制冷量為25100KJ/hr,工況系數為0.5。1998年,江門100KW太陽能空調系統是我國首座大型實用性的太陽能空調系統,采用2級溴化鋰吸收式制冷機,標志著我國太陽能熱利用技術上了一個新臺階,運行數據表明系統性能COP在0.45左右。多級太陽能吸收式制冷是進一步提高COP和減少加熱功率的制冷系統,下表給出了多級太陽能溴化鋰吸收式制冷系統的比較。

表 太陽能溴化鋰吸收式制冷系統比較(每KW制冷功率)

類型

COP

熱源溫度/℃

集熱器類型

所需加熱功率/KW

所需集熱器面積/ m2

單級

0.7

85

平板、真空管

1.43

7.48

兩級

1.2

130

真空管

0.83

5.07

三級

1.7

220

聚光型

0.59

4.49

溴化鋰吸收式制冷機存在易結晶,腐蝕性強,蒸發溫度在0℃以上的缺點,但COP比氨水吸收式要高,而且氨水吸收式制冷存在工作壓力高,具有一定的危險性,氨有毒,要防止泄漏到環境大氣中;同時系統還要精餾裝置,但可以制得到很低的蒸發溫度??傮w來說吸收式制冷技術相對比較成熟,但由于初投資在,一般應用于大型的中央空調場所。

(二)太陽能吸附式制冷

        太陽能吸附式制冷根據制冷系統的運行方式一般可分為連續式制冷系統和間歇式制冷系統。目前吸附式制冷主要集中在吸附-制冷工質對性能,吸附床的傳熱傳質強化,吸附過程機理分析等方面的研究。吸附制冷工質主要是:活性炭-甲醇、分子篩-水、分子篩-氨、硅膠-水、活性炭纖維-甲醇、氯化鈣-氨、氯化鍶-氨等等。從目前的研究看來,太陽能固體吸附制冷需要解決的關鍵性問題有:吸附劑/集熱器白天的高效集熱和夜間的有效散熱之間的矛盾關系如何有效的解決:對于以甲醇和水等低蒸汽壓吸附質作為制冷劑的負壓系統如何長期維持系統的真空度;如何將夜間所制的冷量有效地儲存到白天使用。

        太陽能固估吸附式制冷技術存在導熱系數低,傳熱效果差,解吸周期長,單位質量吸附劑制冷功率小,設備龐大,系統熱量利用率不高,性能系數低,難以長期保證系統的高真空度等缺點,但固體吸附式制冷有一些自身的優勢:結構簡單,無運動部件,無噪音,無污染,運行穩定,不存在結晶問題,可靠性高,特別是還能適用于一些振動或者旋轉場所。

(三)太陽能除濕蒸發冷卻空調系統

        太陽能除濕蒸發冷卻制冷方式分為固體除濕蒸發冷卻和液體除濕蒸發冷卻兩種。溶液除濕蒸發冷卻空調系統利用溶液除濕劑對濕空氣進行除濕干燥,然后對這部分空氣送入直接蒸發冷卻器產生冷水或者溫度較低的濕空氣。常用的除濕劑有氯化鋰、氯化鈣、溴化鋰及其它們的混合物。溶液再生溫度通常在55~75℃,能較好的利用太陽能作為系統主要驅動能源,太陽能驅動的溶液除濕蒸發冷卻空調系統的熱力系數可達到0.7,是一種具有節能和環保雙重優勢的新型制冷空調方法。溶液除濕蒸發冷卻空調系統跟吸收式制冷系統一樣,都是利用溶液濃度的變化來制取冷量,但相對于吸收式制冷方式,溶液除濕蒸發冷卻系統有條顯著的優勢:一,需要的驅動熱源溫度低,一般55-~75℃均能滿足體系統運行要求,能有效地利用如太陽能、工業余熱、廢氣余熱等低品位熱源;二,空調系統的所有裝置設備均在大氣壓環境下運行,無真空密封要求;三,系統主要部件少,結構簡單;四,系統風量大,溫濕度容易控制調節,新風量大,空氣品質好。

         鑒于太陽能具有不連續性的特點,必須配備一定的輔助熱源或者通過蓄能技術來保證系統可靠連續的運行,而溶液除濕蒸發冷卻空調系統能夠實現一種溶液除濕潛能蓄能方式,在一定的情況下,使得空氣的潛熱和顯熱相互轉化,此蓄能方式具有蓄能密度大,蓄能密度高達3000MJ/m3,蓄能方式簡單,常溫保存,與系統耦合性強等特點。目前主要集中在除濕劑包括混合溶液除濕劑性能,除濕器再生器的設計與傳熱傳質強化,系統結構流程合理設計,溶液獨立除濕空調系統等方面和研究,如何解決除濕劑對設備的腐蝕性和強化傳熱傳質過程使得設備小型化是將溶液除濕蒸發冷卻空調推廣的關鍵性技術。

(四)太陽能噴射式制冷

        太陽能噴射式制冷是利用制冷劑經太陽能集熱器產生一定壓力的蒸汽,再通過噴嘴噴射制冷。該系統一般分為兩個循環:動力循環和制冷循環。制冷劑在集熱器中汽化、增壓,產生飽和蒸汽,進入噴出并膨脹,在噴嘴附近產生真空,將蒸發器中的低壓蒸汽吸入噴射器,經過噴射器的混和氣體進入冷凝器放熱、凝結,然后冷凝液的一部分通過節流閥進入蒸發器吸收熱量后汽化,完成制冷循環。

        噴射式制冷系統和吸收式相比具有結構簡單、運行穩定可靠等優點,但其致命的弱點是性能系數COP值太低。例如以氟里昴R12為噴射制冷劑,熱源溫度為80℃,冷凝溫度為40℃,蒸發溫度為5℃,噴射系數為0.2時,工況系數COP為0.15。針對這一弱點,研究者提出了電能輔助,和其他制冷方式相結合等方案來提高系統的COP值。

(五)太陽能光電轉化方式制冷

         光電轉化方式制冷說是先將太陽能轉化為電能,然后利用電能驅動傳統的制冷空調系統完成制冷循化實現制冷。光伏發電是應用半導體器件將太陽光能轉換為電能,目前發電成本比起煤電和水電要高一些,但是具有安全可靠,無噪聲,無污染,無需燃料,無機械轉動部件等優點,并且不受地域限制,規模大小很靈活,與建筑結合方便,建站周期短,故障率低,維護簡單。

(六)太陽能光化轉化方式制冷

        光化轉換是將太陽能轉化為化學能,利用化學反應進行制冷或者供熱。以太陽能等低品位熱源驅動的化學熱泵系統,既節能降耗,又綠色環保,并且太陽能化學儲能密度大,是一般顯熱儲能的50倍,是潛熱儲能的10倍,并且能在常溫儲存。太陽能熱泵主要有三種利用形式:利用太陽能驅動化學熱泵以實現升溫、貯能;利用太陽能和其它廢熱驅動化學熱泵來提高能量品位;太陽能、化學熱泵和其它廢熱三者整合用以升溫、貯能?;瘜W熱泵工質對一般有:金屬鹵化鹽和氨、金屬氧化物和水、金屬氧化物和二氧化碳、金屬氫化物和氫、丙酮和氫、環已烷和氫等,有關研究表明,系統制冷COP在0.5左右,供熱COP在1.5~1.6之間。

二 、太陽能制冷優勢

太陽能空調與常規空調相比,具有以下三大明顯的優點:

u  太陽能空調的季節適應性好,也就是說,系統制冷能力隨著太陽輻射能的增加而增大,而這正好與           夏季人們對空調的迫切要求 一致;

u  傳統的壓縮式制冷機以氟里昂為介質,它對大氣層有極大的破壞作用,而制冷機以無毒、無害的水或溴化鋰為介質,它對保護環境十分有利;

u  太陽能空調系統可以將夏季制冷、冬季采暖和其它季節提供熱水結合起來,顯著地提高了太陽能系統的利用率和經濟性。

    近年來,地球表面溫度逐年上升,人們對夏季空調的要求越來越強烈,安裝空調已成為我國大部分地區的一股消費浪潮。我們相信,太陽能空調系統可以發揮夏季制冷、冬季采暖、全年提供熱水的綜合優勢,必將取得顯著的經濟、社會和環境效益,具有廣闊的推廣應用前景。


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