0 前言
在能源與環(huán)境問題日益凸現(xiàn)的今天，太陽能作為一種清潔無污染的能源開始在暖通空調領域廣泛應用。隨著集熱技術的發(fā)展，太陽能集熱器產品的集熱效率不斷提高，使得以太陽能作為制冷與供暖空調系統(tǒng)的驅動能源從可能變成可行。研究發(fā)現(xiàn)，太陽能制冷及供暖系統(tǒng)極具優(yōu)勢：夏季太陽輻射越強、天氣越熱，建筑負荷越大，太陽能空調的制冷效果越好。而采用太陽能作為主要驅動能源、采用氨或水或其它自然物質作為工質的太陽能制冷及供暖技術正是符合節(jié)能和環(huán)保要求的技術。但由于太陽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)的驅動溫度要求一般都較高（75℃以上）等特點，導致必須犧牲大的集熱面積為代價換取系統(tǒng)要求的驅動溫度，成本高且效率低，使得太陽能在暖通空調領域不能得以廣泛應用。
為了進一步拓寬太陽能在暖通空調領域中的應用范圍，本文提出一種基于CPC 集熱器的太陽能制冷及供暖系統(tǒng)，旨在通過對集熱器的技術攻關和系統(tǒng)示范，解決太陽能空調中的難題，積累經驗，從而為盡早實現(xiàn)太陽能空調的商業(yè)化打下技術基礎。
1 CPC 集熱器
整個系統(tǒng)是基于復合拋物面型集熱器（簡稱CPC 集熱器）的特點而設計的，因此在對系統(tǒng)進行介紹之前先重點介紹一下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)邊緣光線原理設計，可將給定接受角范圍內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，故在運行時不需要太陽跟蹤裝置，只需根據(jù)接收角的大小及收集陽光的小時數(shù)，每年定期調整傾角若干次就可有效地工作。它可達到的聚光比在10 以內，當聚光比在2 以下時可作成固定式裝置。它可接受直射太陽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“太陽周圍輻射”，它的最主要特點是可以產生中、高溫蒸汽。利用CPC 集熱器產生的中、高溫蒸汽作為制冷機組與供暖裝置的驅動能源是整個系統(tǒng)設計的創(chuàng)新之處。
1.1 CPC 集熱器的結構設計
CPC集熱器單元結構如圖1所示，它由聚光面和裝在底部的接收器構成。聚光面是由兩片槽狀拋物面和漸開面組合而成。
圖1 CPC 熱管式集熱器結構示意圖
1.1.1 接收器
接收器是一個熱管真空集熱管，結構如圖2所示。真空管為雙層，內管電鍍特殊的選擇性吸收涂層(Al-N/Al)作為吸熱體,能有效吸收太陽光線,增加了集熱管的光學效率。內外層之間抽成真空,能有效防止熱量通過對流方式散發(fā)出去，內層管與熱管之間充滿導熱油。陽光照射或反射到真空管選擇性吸收涂層，產生熱量后通過肋片將熱量傳導給熱管，熱管獲得熱量(同時含有真空管悶曬熱量)后通過冷凝段將熱量傳給水夾套中的集熱介質（水）。
1.熱管冷凝段 2 保溫堵塞 3 熱管蒸發(fā)段 4 真空管內管
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 接收器結構示意圖
1.1.2 聚光面
聚光面的橫截面為軸對稱，其中右半支為一段漸開線(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平行的入射陽光與拋物線軸平行。反射光聚焦于焦點F(吸熱管管頂)，即圖3中入射光線1射到拋物線面M點(MN為拋物線在M點的法線)，再反射到吸收管頂?shù)?/span>F點被真空管內管吸收。入射光線2射到拋物線的M點時，入射角已增大，再反射到真空管內管上被吸收。隨著入射角的增大，入射光線3在M點的反射光線投射在漸開線AP上的G點，再二次反射到真空管內管上。圖3中收集陽光角度范圍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 集熱器的傳熱過程分析
太陽光一部分直接穿過真空管外管匯聚到真空管內管表面涂層上，一部分照射到聚光面上，聚光面再把太陽光經過一次或多次反射透過真空管外管匯聚到真空管內管表面涂層上。真空管內管與熱管間通過肋片傳導熱量。熱管的蒸發(fā)段吸收熱量后，其內部工質受熱蒸發(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（水），而蒸汽此時冷凝為液體，依靠重力沿熱管內壁面流回熱管蒸發(fā)段。通過這一過程的不斷重復，就加熱了集熱器水夾套中的水。同時集熱器不可避免的向周圍散發(fā)熱量損失。
CPC集熱器在運行時實際吸收的太陽能為QA，其中一部分轉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輻射量；F為集熱器的效率因子；ηOP為集熱器的光學效率； SA
為集熱器等效集熱面積,㎡； Ar 為熱管真空管內管的面積,㎡； 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)設計
本系統(tǒng)總體要求夏季供冷、冬季供暖。基于太陽能制冷及供暖系統(tǒng)對氣候有一定的依賴性，在系統(tǒng)設計時必須充分考慮系統(tǒng)的啟動、能量的儲存、太陽能與輔助能源的切換以及系統(tǒng)的安全性等一系列因素。現(xiàn)重點對制冷系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、以及CPC 集熱器與建筑一體化的設計進行闡述。
2.1 制冷系統(tǒng)設計
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、儲氣包等組成，其系統(tǒng)圖如圖7 所示。集熱器吸收太陽能后加熱水夾套里的水進而產生蒸汽，當蒸汽溫度達到制冷機驅動熱源的溫時，自力式溫度控制閥便自動打開閥門使蒸汽進入儲汽包中儲存起來。制冷機開始工作時，就開啟儲汽包的控制閥門，讓蒸汽進入制冷機的發(fā)生器對制冷工質進行加熱，驅動制冷機運轉。蒸汽經過制冷循環(huán)后，溫度降低，冷凝成水后流回水箱，通過柱塞泵進入水夾套再被集熱器加熱成蒸汽。另外當太陽輻射能提供的能量不能夠滿足要求時，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生的熱水驅動熱水型溴化鋰吸收式機組的系統(tǒng)的效率要高的多。
系統(tǒng)中的制冷機組是從廠家直接購買，這里就不做深入探討。儲汽包的結構如圖8 所示，它的設計必須遵循現(xiàn)行壓力容器設計的規(guī)范標準規(guī)定，在確保的安全的前提下，經濟、正確地選擇材料，并進行結構、強（剛）度和密封設計。結構設計主要是確定合理、經濟的結構形式，并滿足制造、檢驗、裝配和維修等要求；強（剛）度設計的內容主要式確定結構尺寸，滿足強度和剛度及穩(wěn)定性要求；密封設計主要是選擇合適的密封結構和材料，保證密封性能良好。
圖7 太陽能制冷系統(tǒng)圖
圖8 儲汽包的結構示意圖
2.2 供暖系統(tǒng)的設計
供暖系統(tǒng)將采用節(jié)能舒適的太陽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，通過敷設于地板中的盤管加熱地面進行供暖。在輻射采暖正常運行的情況下，若室外溫度相同，要想達到相同的舒適度，它周圍的空氣溫度比對流采暖條件要求低3℃左右。根據(jù)人體的舒適感生理條件要求，地面溫度為24℃-28℃。由于地板輻射采暖的熱媒溫度為40℃-60℃的低溫熱水，因此新型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、儲氣包、蓄熱水箱、采暖盤管等組成，其系統(tǒng)圖如圖9 所示。
圖9 太陽能供暖系統(tǒng)
供暖系統(tǒng)主要包含兩個環(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，太陽輻射的作用下，集熱器吸收太陽能加熱水夾套中的水，使其溫度不斷升高進而產生蒸汽。當系統(tǒng)工作時，打開儲汽包的閥門，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。降溫后的蒸汽凝結成水進入水箱被水泵泵入水夾套內再次被加熱，再進入下一循環(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，啟動采暖循環(huán)泵，使熱水在加熱盤管中循環(huán)起來，循環(huán)熱水通過熱傳導把熱量傳到地板表面。以整個地板表面作為散熱面，以輻射(占50%以下)和對流的方式與房間內的空氣交換熱量，從而實現(xiàn)對房間的供暖。在太陽輻射不足以提供房間內的采暖熱負荷時，啟動輔助熱源系統(tǒng)。
2.3 新型CPC 集熱器與建筑一體化設計
基于CPC 集熱器的太陽能制冷及供暖綜合系統(tǒng)旨在設計時不僅要考慮制冷和供暖系統(tǒng)的能否正常運行問題，還要考慮到集熱器與建筑作到一體化。CPC 集熱器雖然可以產生中、高溫蒸汽，但是其外形結構不易和建筑相結合，因此整個設計過程都和建筑設計部門保持密切聯(lián)系。最終目標是使建筑設計既滿足太陽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，充分體現(xiàn)出可再生能源實驗樓的特色，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)廠家專門設計。采用鋼架結構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也降低了建筑屋面設計的難度。鋼架是傾斜的，傾角取30°，與當?shù)鼐S度接近，有利于集熱器充分發(fā)揮作用，在布置集熱器時也不需要考慮前后遮擋問題。整個建筑物的設計實現(xiàn)了集熱器與建筑物的一體化，且造型美觀、新穎別致。
3 結論
近年來，地球表面溫度逐年上升，能源消費量大幅度增長，許多國家都存在著不同程度的能源危機，因此太陽能制冷及供暖綜合系統(tǒng)必將發(fā)揮其綜合優(yōu)勢，取得顯著的經濟、社會和環(huán)境效益。通過研究可知，基于CPC 集熱器的太陽能制冷及供暖系統(tǒng)由于其高效、節(jié)能性將會是太陽能在暖通空調領域應用的一個新的發(fā)展方向。整個系統(tǒng)是基于CPC 集熱器可以產生中、高溫的蒸汽而設計的，它不僅實現(xiàn)了集熱器與建筑物的有機結合，還提高了制冷及供暖效率，具有很大的推廣價值。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，導致該系統(tǒng)只適用于大型建筑的中央空調，因此小型溴化鋰吸收式制冷機的研制和生產是目前太陽能空調產業(yè)亟待解決的問題。相信通過對集熱器、制冷機組、供暖裝置等的技術攻關，不斷解決太陽能制冷及供暖中的難題，積累經驗，在不久的將來，太陽能制冷及供暖一定能實現(xiàn)規(guī)模化，產業(yè)化。
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