2019年暖通工程师考试讲义：太阳能发展

一、太阳能发展

太阳能空调是以太阳能作为制冷空调的能源。利用太阳能制冷可以有两条途径，一是利用光伏技术产生电力，以电力推动常规的压缩式制冷机制冷;二是进行光-热转换，用热作为能源制冷。前者系统比较简单，但以目前光电池的价格计算，其造价为后者的3-4倍;后者除了供冷之外，还结合供热利用。因此国外的太阳能空调系统通常以第二种为主。

节约常规能源和保护自然环境是当今世界关心的两大热点，常用的压缩式空调机不仅消耗大量电能，而且存在对环境的污染问题。近几年，越来越多的科学家和工程技术人员对太阳能空调系统进行了研究、开发，目前已在世界一些国家安装了太阳能空调系统，用于夏季制冷、冬季采暖以及提供热水，发展太阳能空调应用的基础和意义。

1.1太阳能空调的市场基础

太阳热水器在国内市场迅猛发展，全国太阳热水器的使用量已超过1000万平方米，近年来每年增长超过200万平方米，由此可见，太阳热水器的使用量和需求量都非常大，市场前景非常好。另一方面，空调的需求也是一个巨大的市场。如果把供热与空调结合起来将是一个更加理想的方案。这是太阳能空调实现推广应用的市场基础。

1.2太阳能空调的技术基础

太阳能制冷空调的关键技术已经成熟。①在太阳能集热器方面，真空管集热器、平板集热器都已经在市场上推广应用;②在制冷机方面，溴化锂吸收式制冷机在上世纪九十年代大量地进入了市场。中国科学院广州能源研究所研制的低温热水型两级吸收式淡化侄制冷机，热源温度只需60℃以上，特别适合于太阳能的利用。③在系统方面，已经积累了丰富的经验。

因此，太阳能空调应用在技术上是可行的。

二、太阳能空调的技术特点及工作原理

(一)技术特点

目前太阳能空调的实现方式主要依靠太阳的热能进行制冷和供热，一般又可分为吸收式和吸附式两种。吸收式制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术，根据吸收剂的不同，分为氨-水吸收式制冷和溴化锂-水吸收式制冷两种。吸收式制冷技术是以太阳能集热器收集太阳能产生热水或热空气，再用太阳能热水或热空气代替锅炉热水输入制冷机中制冷。由于造价、工艺、效率等方面的原因，这种制冷机不宜做得太小，采用这种技术的太阳能空调系统一般适用于中央空调，系统需要有一定的规模;但是普通家用空调通过该技术改造成太阳能空调，具有成本低、改造简便可行。吸附式制冷技术是利用固体吸附剂对制冷剂的吸附作用来制冷，常用的有分子筛-水、活性炭-甲醇吸附式制冷。

利用太阳能作为能源的空调装置，一般可以分成三部分：

其一是太阳能集热器。集热器形式多样，性能各异。集热器采用真空管型最多，真空管型最基本的种类有三种：热管式真空集热管(简称热管)、全玻璃真空集热管和直通式真空集热管。热管式真空集热管是继传统平板式真空集热管之后开发出的高科技节能产品，它将热管技术和真空技术融为一体，将太阳能集热器的工作温度从 70 ℃提高到 120 ℃以上，大大提高了集热器的热性能，是一种温热利用的理想产品。

其二是制冷系统。利用低温热源作为动力的制冷系统不同于压缩式制冷系统，它必须能充分利用低温热源作为动力这一要求，目前以吸收式制冷技术较为成熟。吸收式制冷采用溴化锂-水、氨-水等作为工质对，有较好的经济性，特别是采用溴化锂-水作为工质对，能满足对安全性要求很高的空调装置，是一种较为理想的工质对。

其三是自动化控制系统，即对装置的各种工作参数进行控制和安全保护的控制系统。以热管为太阳能集热管，溴化锂-水为工质对的吸收式制冷空调系统，不管是作为制冷量大的大型空调，还是作为家用空调都有着现实意义和发展前途，特别是目前人们环境保护意识的提高，对环境的要求越来越高，无污染、低能耗、利用太阳能作为动力的空调将会受到人们的青睐。

(二)工作原理

1、热管式集热管的工作原理

当阳光射在真空管内的吸热片上，热管内的工质受热沸腾汽化，蒸汽不断冲向顶部的冷凝端，在冷凝端冷凝变成液体，冷凝的工质沿管壁流回热管的蒸发段，完成一个循环。这种在一端吸热汽化而在另一端凝结放热，通过内部相变实现热量传递的热管，习惯称为重力热管。热管的内部没有吸热芯，凝结的液体从凝结段回流到蒸发段是依靠凝结液自身的重力，不需要外部动力而自动循环，这就是热管式真空管的集热过程。由于热管是依靠重力使工质循环的，在使用中必须将蒸发段置于凝结段的下方。若蒸发段置于凝结段的上方，重力对凝结液的回流会起阻碍作用，这时没有动力使凝结液返回到蒸发段，热管就不能工作。所以热管也可以称之为单向传热的热二极管。热管的这种特性非常适用于太阳能集热器，它可以将吸收的太阳能热量传送至水箱，将水加热，而反向不可逆。也就是说，白天吸热，晚上不放热。这对减少集热器的热损失，提高集热器的保温性能是十分有益的。

于热管主要依靠工质相变时吸收和释放潜热以及蒸汽流动传输热量，而大多数工质的汽化潜热是很大的，因此不需要很大的蒸发量就能传递大量的热。当蒸汽处于饱和状态，其流动和相变时的温差很小，而管壁又比较薄，故热管的表面温度梯度很小。当热流密度很低时，可以得到高度等温的表面，提高导热系数。热管的安装倾角对传热性能有一定的影响。对于一定的充液比，当倾角较小时，传热率随倾角的变化迅速上升;当超过某一倾角时，传热率的变化变得很平坦，倾角对传热率的影响较小。当倾角为20°～ 45°时，传热效率最高，其中以 40°时为最佳。热管安装倾角范围由当地地理纬度决定，而在我国境内，从广州到哈尔滨的纬度为N23°～N45°，倾角均在传热效率高的范围内，这对于热管作为集热器是十分有利的，可以最大限度地提高热管的传热效率。热管具有启动工作温度低、热损少、管内不结垢、不炸管、全年使用不结冻、集热效率高、使用寿命长等特点。

2、溴化锂水溶液(LiBr-H2O)吸收式制冷装置的工作原理

当发生器中的溶液被工作蒸汽或热水加热后，由于水的沸点远低于溴化锂，因此，溶液中的水分就会不断地蒸发出来，成为制冷剂水蒸汽，同时使发生器中剩余溶液的浓度增高。制冷剂水蒸汽经分离器将其夹带的液滴分离后进入冷凝器，被冷却水冷却，凝结成制冷剂水，再经膨胀阀节流降压，然后进入蒸发器中蒸发汽化，吸取蒸发器管中冷媒水的热量，使冷媒水的温度降低，产生冷效应。为使水蒸汽还原成液态，同时也为了使发生器中由于析出了水分而浓缩的溶液(浓溶液)能继续发挥作用，就需将发生器中的浓溶液和蒸发器中生成的水蒸汽部分送进吸收器中，并用冷却水降低它们的温度，使得浓溶液具备“吸收”水分的条件。于是，当水蒸汽与浓溶液接触时，水蒸汽便被吸收，同时使浓溶液变成为稀溶液。然后由溶液泵加压，再送回发生器中加热，从而完成一个封闭的制冷循环。

溴化锂是一种无色粒状的结晶盐，性质稳定，在大气中不易变质不易分解，沸点很高(1265 ℃)，极易溶于水中，其水溶液具有强烈的吸湿性，而且，在常温下饱和溴化锂水溶液的浓度达 60% ，浓度越大，温度越低，吸湿能力越强。溴化锂在空气中对钢铁有很强的腐蚀作用，但在真空状态下加入缓蚀剂，基本上不腐蚀金属。以溴化锂-水溶液为工作对的吸收式制冷系统主要缺点是：热效率低，冷却水消耗量大，设备的密封性要求较高，有一定的腐蚀性。但由于可以直接利用低参数的热源作动力，是利用太阳能低品位热源的理想的制冷装置;整个机组除功率较小的屏蔽泵外，无其它运动部件，运转安静，运行时基本上没有噪音和振动;以溴化锂～水作为工质对，无毒，无臭，有利于满足环保要求;制冷机在真空状态下进行，无高压爆炸危险;制冷量调节范围广，在 20% ～ 100% 的负荷内可进行制冷量的无级调节;对外界条件变化的适应性强，可在加热蒸汽的压力 0.2 ～ 0.8 MPa(表压力)、冷却水温度 20 ～ 35 ℃、冷媒水出水温度 5 ～ 15 ℃的范围内稳定运转;机组结构简单，对安装基础的要求低，无需特殊的机座;体积小，用地省，制造管理容易，维护费用亦较低廉;运转十分安全。

3 、系统构造及工作原理

热管式太阳能空调制冷系统由太阳能集热器、溴化锂吸收制冷系统、数台循环泵、蓄热的水箱、辅助电加热器、两个冷却器和连接管路等辅助器件以及控制系统组成。循环水由循环泵输入水箱，热管吸收太阳能在水箱加热循环水，水的温度升高，由另一台循环泵输送到溴化锂吸收式制冷装置的发生器，将热量释放给发生器，水返回水箱。吸收器的冷却水由循环水泵输送到空气冷却器循环冷却，冷凝器产生的热量，由另一台循环水泵输送到另一个空气冷却器(大型的可考虑用冷却塔)。整个空调系统由三个流通环路组成，即发生器流通环路、制冷水流通环路和冷却水流通环路。各流通环路流量、温度都由流量计与温度传感器测定。辅助电加热器则是在夜间或集热器工作不正常时加热水以保证制冷效果。

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