0 前言
在能源與環(huán)境問(wèn)題日益凸現(xiàn)的今天，太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源開(kāi)始在暖通空調(diào)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著集熱技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)品的集熱效率不斷提高，使得以太陽(yáng)能作為制冷與供暖空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能源從可能變成可行。研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能制冷及供暖系統(tǒng)極具優(yōu)勢(shì)：夏季太陽(yáng)輻射越強(qiáng)、天氣越熱，建筑負(fù)荷越大，太陽(yáng)能空調(diào)的制冷效果越好。而采用太陽(yáng)能作為主要驅(qū)動(dòng)能源、采用氨或水或其它自然物質(zhì)作為工質(zhì)的太陽(yáng)能制冷及供暖技術(shù)正是符合節(jié)能和環(huán)保要求的技術(shù)。但由于太陽(yáng)能本身空間分布不均勻、能流密度低、輻射間歇性以及制冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)溫度要求一般都較高（75℃以上）等特點(diǎn)，導(dǎo)致必須犧牲大的集熱面積為代價(jià)換取系統(tǒng)要求的驅(qū)動(dòng)溫度，成本高且效率低，使得太陽(yáng)能在暖通空調(diào)領(lǐng)域不能得以廣泛應(yīng)用。
為了進(jìn)一步拓寬太陽(yáng)能在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍，本文提出一種基于CPC 集熱器的太陽(yáng)能制冷及供暖系統(tǒng)，旨在通過(guò)對(duì)集熱器的技術(shù)攻關(guān)和系統(tǒng)示范，解決太陽(yáng)能空調(diào)中的難題，積累經(jīng)驗(yàn)，從而為盡早實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能空調(diào)的商業(yè)化打下技術(shù)基礎(chǔ)。
1 CPC 集熱器
整個(gè)系統(tǒng)是基于復(fù)合拋物面型集熱器（簡(jiǎn)稱CPC 集熱器）的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行介紹之前先重點(diǎn)介紹一下CPC 集熱器。
CPC 集熱器是一種非成像低聚焦度聚光器，它根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)，可將給定接受角范圍內(nèi)的入射光線按理想聚光比收集到接受器上。由于它有較大的接收角，故在運(yùn)行時(shí)不需要太陽(yáng)跟蹤裝置，只需根據(jù)接收角的大小及收集陽(yáng)光的小時(shí)數(shù)，每年定期調(diào)整傾角若干次就可有效地工作。它可達(dá)到的聚光比在10 以內(nèi)，當(dāng)聚光比在2 以下時(shí)可作成固定式裝置。它可接受直射太陽(yáng)輻射和部分散射輻射，并能接受一般跟蹤聚光
器所不能接受到的“太陽(yáng)周圍輻射”，它的最主要特點(diǎn)是可以產(chǎn)生中、高溫蒸汽。利用CPC 集熱器產(chǎn)生的中、高溫蒸汽作為制冷機(jī)組與供暖裝置的驅(qū)動(dòng)能源是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處。
1.1 CPC 集熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
CPC集熱器單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由聚光面和裝在底部的接收器構(gòu)成。聚光面是由兩片槽狀拋物面和漸開(kāi)面組合而成。
圖1 CPC 熱管式集熱器結(jié)構(gòu)示意圖
1.1.1 接收器
接收器是一個(gè)熱管真空集熱管，結(jié)構(gòu)如圖2所示。真空管為雙層，內(nèi)管電鍍特殊的選擇性吸收涂層(Al-N/Al)作為吸熱體,能有效吸收太陽(yáng)光線,增加了集熱管的光學(xué)效率。內(nèi)外層之間抽成真空,能有效防止熱量通過(guò)對(duì)流方式散發(fā)出去，內(nèi)層管與熱管之間充滿導(dǎo)熱油。陽(yáng)光照射或反射到真空管選擇性吸收涂層，產(chǎn)生熱量后通過(guò)肋片將熱量傳導(dǎo)給熱管，熱管獲得熱量(同時(shí)含有真空管悶曬熱量)后通過(guò)冷凝段將熱量傳給水夾套中的集熱介質(zhì)（水）。
1.熱管冷凝段 2 保溫堵塞 3 熱管蒸發(fā)段 4 真空管內(nèi)管
5.真空管外管 6 肋片 7 選擇性涂層 8 彈簧卡和消氣劑
圖2 接收器結(jié)構(gòu)示意圖
1.1.2 聚光面
聚光面的橫截面為軸對(duì)稱，其中右半支為一段漸開(kāi)線(AG)外接一段拋物線(AC)，如圖3所示。投射在拋物線AC上且和陰影線AB平行的入射陽(yáng)光與拋物線軸平行。反射光聚焦于焦點(diǎn)F(吸熱管管頂)，即圖3中入射光線1射到拋物線面M點(diǎn)(MN為拋物線在M點(diǎn)的法線)，再反射到吸收管頂?shù)?/span>F點(diǎn)被真空管內(nèi)管吸收。入射光線2射到拋物線的M點(diǎn)時(shí)，入射角已增大，再反射到真空管內(nèi)管上被吸收。隨著入射角的增大，入射光線3在M點(diǎn)的反射光線投射在漸開(kāi)線AP上的G點(diǎn)，再二次反射到真空管內(nèi)管上。圖3中收集陽(yáng)光角度范圍2 qA ,稱為接收角(兩條陰影線之間的夾角)，而qA 稱半接收角。
圖3 聚光面的聚光原理示意圖
1.2 CPC 集熱器的傳熱過(guò)程分析
太陽(yáng)光一部分直接穿過(guò)真空管外管匯聚到真空管內(nèi)管表面涂層上，一部分照射到聚光面上，聚光面再把太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)一次或多次反射透過(guò)真空管外管匯聚到真空管內(nèi)管表面涂層上。真空管內(nèi)管與熱管間通過(guò)肋片傳導(dǎo)熱量。熱管的蒸發(fā)段吸收熱量后，其內(nèi)部工質(zhì)受熱蒸發(fā)，將熱量傳遞到熱管冷凝段，再將冷凝段的熱量傳遞給水夾套中的工質(zhì)（水），而蒸汽此時(shí)冷凝為液體，依靠重力沿?zé)峁軆?nèi)壁面流回?zé)峁苷舭l(fā)段。通過(guò)這一過(guò)程的不斷重復(fù)，就加熱了集熱器水夾套中的水。同時(shí)集熱器不可避免的向周圍散發(fā)熱量損失。
CPC集熱器在運(yùn)行時(shí)實(shí)際吸收的太陽(yáng)能為QA，其中一部分轉(zhuǎn)變成集熱器的有效利用能QU，一部分變成熱損失QL。
可得能量平衡方程如下：
QA=QU+QL
由能量平衡方程可得：
Qu=FηopIiSA-FUtAr(Ti-Ta)
這部分熱量傳給壓力容器中的水，使其溫度升高。
Qu=mCp(Tfo-Ti)
上式中： Ii 為單位有效集熱面積的太陽(yáng)輻射量；F為集熱器的效率因子；ηOP為集熱器的光學(xué)效率； SA
為集熱器等效集熱面積,㎡； Ar 為熱管真空管內(nèi)管的面積,㎡； Ut 為集熱器的總熱損失系數(shù), W/㎡； m 為壓
力容器中水的質(zhì)量，㎏；Cp 為水的定壓比熱容,4.1968KJ/(㎏·℃)； a T 為室外天氣溫度，℃； i T 為壓力容器中
水的初始溫度，℃； Tfo 為蒸汽的出口溫度，℃。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)總體要求夏季供冷、冬季供暖?；谔?yáng)能制冷及供暖系統(tǒng)對(duì)氣候有一定的依賴性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮系統(tǒng)的啟動(dòng)、能量的儲(chǔ)存、太陽(yáng)能與輔助能源的切換以及系統(tǒng)的安全性等一系列因素?，F(xiàn)重點(diǎn)對(duì)制冷系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、以及CPC 集熱器與建筑一體化的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。
2.1 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)
制冷系統(tǒng)主要由CPC 集熱器、雙效蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機(jī)、儲(chǔ)氣包等組成，其系統(tǒng)圖如圖7 所示。集熱器吸收太陽(yáng)能后加熱水夾套里的水進(jìn)而產(chǎn)生蒸汽，當(dāng)蒸汽溫度達(dá)到制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)熱源的溫時(shí)，自力式溫度控制閥便自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)使蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)汽包中儲(chǔ)存起來(lái)。制冷機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，就開(kāi)啟儲(chǔ)汽包的控制閥門(mén)，讓蒸汽進(jìn)入制冷機(jī)的發(fā)生器對(duì)制冷工質(zhì)進(jìn)行加熱，驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。蒸汽經(jīng)過(guò)制冷循環(huán)后，溫度降低，冷凝成水后流回水箱，通過(guò)柱塞泵進(jìn)入水夾套再被集熱器加熱成蒸汽。另外當(dāng)太陽(yáng)輻射能提供的能量不能夠滿足要求時(shí)，就利用蒸汽鍋爐作為輔助熱源。此系統(tǒng)比利用平板型集熱器產(chǎn)生的熱水驅(qū)動(dòng)熱水型溴化鋰吸收式機(jī)組的系統(tǒng)的效率要高的多。
系統(tǒng)中的制冷機(jī)組是從廠家直接購(gòu)買，這里就不做深入探討。儲(chǔ)汽包的結(jié)構(gòu)如圖8 所示，它的設(shè)計(jì)必須遵循現(xiàn)行壓力容器設(shè)計(jì)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在確保的安全的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地選擇材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng)（剛）度和密封設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，并滿足制造、檢驗(yàn)、裝配和維修等要求；強(qiáng)（剛）度設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要式確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強(qiáng)度和剛度及穩(wěn)定性要求；密封設(shè)計(jì)主要是選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性能良好。
圖7 太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)圖
圖8 儲(chǔ)汽包的結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
供暖系統(tǒng)將采用節(jié)能舒適的太陽(yáng)能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，由于地板輻射采暖是依靠輻射傳熱的方式將熱量傳遞到人體表面，通過(guò)敷設(shè)于地板中的盤(pán)管加熱地面進(jìn)行供暖。在輻射采暖正常運(yùn)行的情況下，若室外溫度相同，要想達(dá)到相同的舒適度，它周圍的空氣溫度比對(duì)流采暖條件要求低3℃左右。根據(jù)人體的舒適感生理?xiàng)l件要求，地面溫度為24℃-28℃。由于地板輻射采暖的熱媒溫度為40℃-60℃的低溫?zé)崴?，因此新?/span>CPC 集熱器很容易滿足要求。供暖系統(tǒng)主要由新型CPC 集熱器、儲(chǔ)氣包、蓄熱水箱、采暖盤(pán)管等組成，其系統(tǒng)圖如圖9 所示。
圖9 太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)
供暖系統(tǒng)主要包含兩個(gè)環(huán)路：集熱環(huán)路和采暖環(huán)路。
（1）集熱循環(huán)：在冬季晴朗的白天，太陽(yáng)輻射的作用下，集熱器吸收太陽(yáng)能加熱水夾套中的水，使其溫度不斷升高進(jìn)而產(chǎn)生蒸汽。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，打開(kāi)儲(chǔ)汽包的閥門(mén)，讓蒸汽與蓄熱水箱中的水發(fā)生熱交換。熱交換完成后蒸汽放出熱量溫度不斷下降，水吸收熱量溫度不斷上升。降溫后的蒸汽凝結(jié)成水進(jìn)入水箱被水泵泵入水夾套內(nèi)再次被加熱，再進(jìn)入下一循環(huán)。
（2）采暖循環(huán)：蓄熱水箱中的水吸收熱量，溫度不斷升高，水溫升至所要求的溫度后，啟動(dòng)采暖循環(huán)泵，使熱水在加熱盤(pán)管中循環(huán)起來(lái)，循環(huán)熱水通過(guò)熱傳導(dǎo)把熱量傳到地板表面。以整個(gè)地板表面作為散熱面，以輻射(占50%以下)和對(duì)流的方式與房間內(nèi)的空氣交換熱量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)房間的供暖。在太陽(yáng)輻射不足以提供房間內(nèi)的采暖熱負(fù)荷時(shí)，啟動(dòng)輔助熱源系統(tǒng)。
2.3 新型CPC 集熱器與建筑一體化設(shè)計(jì)
基于CPC 集熱器的太陽(yáng)能制冷及供暖綜合系統(tǒng)旨在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮制冷和供暖系統(tǒng)的能否正常運(yùn)行問(wèn)題，還要考慮到集熱器與建筑作到一體化。CPC 集熱器雖然可以產(chǎn)生中、高溫蒸汽，但是其外形結(jié)構(gòu)不易和建筑相結(jié)合，因此整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程都和建筑設(shè)計(jì)部門(mén)保持密切聯(lián)系。最終目標(biāo)是使建筑設(shè)計(jì)既滿足太陽(yáng)能集熱器安裝的要求，又保證新建筑物造型美觀、新穎別致、與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，充分體現(xiàn)出可再生能源實(shí)驗(yàn)樓的特色，使新型CPC 集熱器與建筑融為一體。
基于以上原則，采用在屋頂上搭鋼架、擺集熱器的做法，集熱器的鋼架是由專業(yè)廠家專門(mén)設(shè)計(jì)。采用鋼架結(jié)構(gòu)是為了使集熱器能很牢固的被固定住，保證建筑的安全性的同時(shí)也降低了建筑屋面設(shè)計(jì)的難度。鋼架是傾斜的，傾角取30°，與當(dāng)?shù)鼐S度接近，有利于集熱器充分發(fā)揮作用，在布置集熱器時(shí)也不需要考慮前后遮擋問(wèn)題。整個(gè)建筑物的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了集熱器與建筑物的一體化，且造型美觀、新穎別致。
3 結(jié)論
近年來(lái)，地球表面溫度逐年上升，能源消費(fèi)量大幅度增長(zhǎng)，許多國(guó)家都存在著不同程度的能源危機(jī)，因此太陽(yáng)能制冷及供暖綜合系統(tǒng)必將發(fā)揮其綜合優(yōu)勢(shì)，取得顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。通過(guò)研究可知，基于CPC 集熱器的太陽(yáng)能制冷及供暖系統(tǒng)由于其高效、節(jié)能性將會(huì)是太陽(yáng)能在暖通空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)新的發(fā)展方向。整個(gè)系統(tǒng)是基于CPC 集熱器可以產(chǎn)生中、高溫的蒸汽而設(shè)計(jì)的，它不僅實(shí)現(xiàn)了集熱器與建筑物的有機(jī)結(jié)合，還提高了制冷及供暖效率，具有很大的推廣價(jià)值。值得一提的是，由于目前已商品化的只有大型溴化鋰吸收式制冷機(jī)，導(dǎo)致該系統(tǒng)只適用于大型建筑的中央空調(diào)，因此小型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的研制和生產(chǎn)是目前太陽(yáng)能空調(diào)產(chǎn)業(yè)亟待解決的問(wèn)題。相信通過(guò)對(duì)集熱器、制冷機(jī)組、供暖裝置等的技術(shù)攻關(guān)，不斷解決太陽(yáng)能制冷及供暖中的難題，積累經(jīng)驗(yàn)，在不久的將來(lái)，太陽(yáng)能制冷及供暖一定能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化。
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