太陽能直驅(qū)式中央空調(diào)

1、太陽能直驅(qū)式中央空調(diào)摘要：運用太陽能技術(shù)是當今國內(nèi)外資源控制領(lǐng)域研究的一個熱點，高層次的利用太陽能技術(shù)正成為當前環(huán)境問題的解決方案之一。太陽能中央空調(diào)理念的產(chǎn)生符合節(jié)能、環(huán)保的社會要求。本文結(jié)合國內(nèi)外的太陽能中央空調(diào)的研究，論述了太陽能空調(diào)的機理、影響因素及關(guān)于當前問題的解決辦法。關(guān)鍵詞：太陽能、中央空調(diào)、節(jié)能、環(huán)保、吸收式制冷引言：伴隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的進程，環(huán)境正面臨著最為嚴重的破環(huán)，節(jié)能、減排成為了當務(wù)之急。同時，由于一百多年來氟利昂空調(diào)的使用，臭氧層也不斷受之威脅，而且根據(jù)聯(lián)合國在1987年通過的蒙特利爾議定書規(guī)定，從2010年起不再生產(chǎn)和消費用作制冷劑的氟利昂，這種對臭氧破壞性很大的

2、化學(xué)物質(zhì)將成為歷史。因此尋找新的制冷劑或者制冷方法正迫在眉睫。太陽能中央空調(diào)理念的引入，成為了解決這些問題的最佳方法。太陽能空調(diào)，就是利用太陽能作能源，溴化鋰制冷機用水做冷媒的空調(diào)設(shè)備。整機沒有任何氟利昂類化學(xué)產(chǎn)品，而且運行時也不需要電能驅(qū)動壓縮機，達到了完全無污染和近乎零運行費用。太陽能空調(diào)的應(yīng)用正好與季節(jié)相吻合。夏季溫度最高，空調(diào)負荷最大，需要的制冷量也最大，而此時陽光輻射最強，太陽能輸出的能量也最大，太陽能空調(diào)提供的冷量也最大。我國太陽能資源豐富，而且陽光輻射較強的時間也相當長，南方每年大約有6-8個月，北方也有4-6個月，所以太陽能作能源運行空調(diào)是大有可為的。 然而太陽能空調(diào)較高的產(chǎn)品

3、投入，較低的利用率都成為了發(fā)展太陽能空調(diào)的絆腳石。但在節(jié)能、減排迫切的要求下，在太陽能空調(diào)優(yōu)越的產(chǎn)品理念下，通過整合太陽能技術(shù)、蓄能技術(shù)，不斷優(yōu)化產(chǎn)品性能，降低產(chǎn)品價格，增加產(chǎn)品的競爭力。太陽能中央空調(diào)必將以其獨特的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢造福千家萬戶。1. 基本工作原理：太陽能直驅(qū)式中央空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、蓄能器和溴化鋰吸收式制冷機三部分構(gòu)成。2. 溴化鋰吸收式制冷機工作原理溴化鋰吸收式制冷機是利用溴化鋰的水溶液作為工質(zhì)來進行的。其中低沸點的水為制冷劑，高沸點的溴化鋰為吸收劑。主機主要有冷凝器、蒸發(fā)器、發(fā)生器、吸收器以及電控部分組成。在制冷機運行過程中，當溴化鋰水溶液在發(fā)生器內(nèi)受到導(dǎo)熱油加熱后，溶液

4、中的水不斷汽化；水蒸氣進入冷凝器，被冷卻水降溫后凝結(jié)；隨著水的不斷汽化，發(fā)生器內(nèi)的溶液濃度不斷升高，進入吸收器；當冷凝器內(nèi)的水通過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器時，急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收蒸發(fā)器內(nèi)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(nèi)的濃溴化鋰溶液吸收，溶液濃度逐步降低，由溶液泵送回發(fā)生器，完成整個循環(huán)。2.1稀溶液與濃溶液循環(huán)原理吸收器中吸收了低壓水蒸氣的溴化鋰溶液濃度變小，溫度也較低，被溶液泵送往使之沸騰并產(chǎn)生制冷劑蒸汽，因發(fā)生器中的壓力較高，所以制冷劑蒸汽的壓力也較高，也就是說通過泵的升壓和工作蒸汽的加熱，使低壓蒸汽的壓力升高。溶液沸騰產(chǎn)生出制

5、冷劑蒸汽后，濃度和溫度都有所升高，又具有了吸收水蒸汽的能力，因發(fā)生器的壓力比吸收器中的壓力要高得多，故在送往吸收器中讓其吸收水蒸汽時必須通過節(jié)流閥降壓。在吸收器中，溶液被噴淋在內(nèi)通冷卻水的傳熱管管束上，因溶液在吸收水蒸氣時要放出大量的吸收熱，故需大量的冷卻水進行冷卻，實驗和理論都表明，溶液的濃度越高，溫度越低，吸收水蒸氣的能力就越強，所以，在實際中，要努力提高其濃度，降低其溫度，但要注意避免因濃度過高，溫度過低而結(jié)晶。另外，一方面稀溶液溫度較低，送往發(fā)生器后需消耗能量對其加熱；而另一方面，弄溶液的溫度較高，在吸收器中需冷卻才能有較強的吸收水蒸氣的能力，所以，如能使?jié)馊芤汉拖∪芤哼M行熱較好，無疑

6、可提高機組的性能系數(shù)。因此，在實際的溴化鋰吸收式制冷機中，一般都設(shè)有溶液交換器。在溶液熱交換器中，稀溶液在管內(nèi)流動，而濃溶液在管外（殼程）流動，從而達到熱加換的目的。2.2單效溴化鋰吸收式制冷機的結(jié)構(gòu)布置標準的單效溴化鋰吸收式制冷機，一般是以0.1MPa的低壓蒸汽或75以上的熱水作為驅(qū)動熱源的。它的優(yōu)點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、使用熱源的品位較低、造價便宜，但其性能系數(shù)較低，一般只有0.7左右。由于它是溴化鋰吸收式制冷機的基礎(chǔ)，其他機組都是在此基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，因此，本章著重討論單效溴化鋰吸收式制冷機的結(jié)構(gòu)。單效溴化鋰吸收式制冷機主要由以下部分組成：(1)發(fā)生器 其作用是使從吸收器來的稀

7、溶液沸騰濃縮，產(chǎn)生冷劑蒸汽和濃溶液；(2)冷凝器 其作用是使發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽冷凝成冷劑水并送往蒸發(fā)器；(3)蒸發(fā)器 其作用是使冷劑水蒸發(fā)吸熱，供出低溫冷媒水；(4)吸收器 其作用是使發(fā)生器來的濃溶液吸收蒸發(fā)器來的冷劑蒸汽產(chǎn)生稀溶液；(5)溶液熱交換器 其作用是使從吸收器來的低溫稀溶液和從發(fā)生器來的高溫濃溶液之間進行熱量交換，從而減輕發(fā)生器和吸收器的熱負荷，提高機組的性能系數(shù)。(6)其他裝置 主要有使溶液和冷劑水循環(huán)的溶液泵和冷劑水泵，抽出機內(nèi)不凝氣體并產(chǎn)生高度真空的抽氣裝置以及冷量調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。從溴化鋰吸收式制冷機的原理可知，發(fā)生器和冷凝器的壓力較高，而吸收器和蒸發(fā)器的壓力較低，因此，通常把

8、發(fā)生器和冷凝器布置在一個空間內(nèi)，而把吸收器和蒸發(fā)器布置在另一個空間內(nèi)。又由于溴化鋰吸收式制冷機工作時處于高真空狀態(tài)下，因此都把它的外殼設(shè)計成圓筒形結(jié)構(gòu)。把高壓部分布置在上方，低壓部分布置在下方，中間用溶液槽隔開。 2.3單效溴化鋰吸收式制冷機的性能一般而言，溴化鋰吸收式制冷機的性能比較穩(wěn)定，其性能系數(shù)(COP)的高低取決于設(shè)計水平、機組型式、運轉(zhuǎn)情況，工作蒸汽壓力、冷卻水溫度和流量、污垢情況、機組內(nèi)的真空水平等許多因素。溴化鋰吸收式制冷機在實際運行中，常常由于熱源加熱蒸汽壓力（或水溫）的波動、季節(jié)氣候變化和用戶負荷的改變，使制冷機不能在設(shè)計工況下工作，例如引起制冷機工作蒸汽與冷卻水的消耗量、制

9、冷機的性能系數(shù)等產(chǎn)生一系列的變化。另外，在用戶冷負荷發(fā)生變化時，制冷機的制冷量也應(yīng)隨時作相應(yīng)的改變。由于單效溴化鋰吸收式制冷機的性能較差，其性能系數(shù)(COP)較小，一般只有0.7左右。影響其性能的主要有以下一些因素：2.4.1不凝性氣體對制冷機性能的影響 "真空是溴化鋰吸收式制冷機的第一生命"，溴化鋰吸收式制冷機是在高真空狀態(tài)下工作的制冷設(shè)備，有些機組的制冷性能不穩(wěn)定或達不到設(shè)計能力的一個主要原因，就是機組真空問題沒有解決好。對于溴化鋰吸收式制冷機來講，真空度的高低實質(zhì)上是機組內(nèi)不凝性氣體被抽除多少的反映。機組系統(tǒng)內(nèi)不凝性氣體的來源大致如下：機組啟動時，機組內(nèi)空氣未完全抽盡

10、；空氣通過管路連接處、焊縫、閥門等處泄漏到機組內(nèi)；在機組內(nèi)，由于溴化鋰溶液對金屬材料的腐蝕而產(chǎn)生的氫氣。機組內(nèi)存在不凝性氣體，主要影響吸收過程，使傳熱、傳質(zhì)減弱。外部漏入制冷機的空氣與制冷機內(nèi)因金屬表面腐蝕所釋放的氫氣等均屬不凝性氣體。這些氣體都不能凝結(jié)，也不會被溴化鋰溶液吸收。當它們附著于冷凝器的傳熱管表面時，增加了傳熱熱阻，提高了冷凝壓力，使發(fā)生器壓力隨之增大，減小了發(fā)生器的產(chǎn)汽量，使制冷機的制冷量下降。不凝性氣體存在于吸收器中時，減少了吸收過程中水蒸氣被吸收的質(zhì)推動力，使傳質(zhì)系數(shù)減小，傳質(zhì)過程惡化，制冷量明顯下降。不凝性氣體積聚越多，制冷量下降越厲害，有時甚至會達到不能制冷的地步。2.4

11、.2溶液循環(huán)量對制冷機性能的影響溶液循環(huán)量的多少對機組的經(jīng)濟運轉(zhuǎn)非常重要。對于額定的加熱蒸汽壓力、冷卻水溫度和冷媒水出口溫度，溴化鋰吸收式制冷機有與之對應(yīng)的溶液循環(huán)倍率，從上式可看出，在此循環(huán)倍率下，進發(fā)生器的稀溶液量與制冷量成正比。若調(diào)整不當，會出現(xiàn)以下兩種情況。(一)稀溶液量過大 若進入發(fā)生器的稀溶液量過大，則發(fā)生器里加熱蒸汽的熱量大部分用來提高稀溶液的溫度，產(chǎn)汽量降低，從而使發(fā)生器中溶液的平衡濃度下降，同時使通向吸收器的濃溶液流量增大，加大了吸收器的放熱量，提高了噴淋溶液的溫度，降低了噴淋溶液的濃度，使噴淋溶液的吸收效果惡化，吸收能力下降。產(chǎn)汽量降低使制冷量下降，濃溶液濃度降低使性能系數(shù)

12、下降。(二)稀溶液量過小 若進入發(fā)生器的稀溶液量過小，其結(jié)果與上述情況相反。但濃溶液出口濃度的增加，將會產(chǎn)生濃溶液結(jié)晶的危險。一旦發(fā)生結(jié)晶，吸收器吸收效果將惡化，蒸發(fā)器不可能發(fā)揮其制冷效果，使制冷機處在局部負荷下運行，這是很不利的。因此，溶液循環(huán)量的調(diào)節(jié)是否合適，對溴化鋰吸收式制冷機的經(jīng)濟運行是十分重要的。另外，吸收器噴淋量加大可以適當?shù)馗纳莆掌鞯奈招Ч?，但卻增加了吸收器泵的電耗。反之，若吸收器噴淋量太小，則會影響吸收效果。所以必須調(diào)整噴淋量到一個合適的值。蒸發(fā)器噴淋量的影響結(jié)果與吸收器噴淋量的影響結(jié)果相類似。溴化鋰吸收式制冷機因發(fā)生器容汽空間的垂直高度太小，冷劑蒸汽的流速太高或擋液板結(jié)構(gòu)

13、不良，或者由于加熱蒸汽壓力突然升高，稀溶液濃度較低，溶液的pH值太大，冷卻水溫度太低等原因而造成發(fā)生器中溶液強烈沸騰，使發(fā)生器中的溴化鋰液滴被冷劑蒸汽帶入冷凝器；吸收器溴化鋰液滴也有可能濺入蒸發(fā)器，造成冷劑水污染。可以從蒸發(fā)器液囊視鏡觀察冷劑水的顏色，發(fā)現(xiàn)冷劑水帶黃色時，有污染之疑。這時可通過冷劑水取樣閥取樣，測定冷劑水的密度，若測得的密度不大于1.04kg/l時，一般不作處理；當大于1.04kg/l時，可通過冷劑水旁通閥使冷劑水再生，直至冷劑水的密度達到合格。冷劑水被污染后，隨著機組運行時間的增長，冷劑水中溴化鋰的含量會越來越多，試驗表明，當冷劑水的密度大于1.1時，制冷量將明顯下降。這是因

14、為冷劑水含溴化鋰后會呈現(xiàn)稀溶液狀態(tài)。根據(jù)拉烏爾定律可知：同一溫度下溴化鋰水溶液的飽和蒸汽壓力總是低于純水的蒸汽壓力，由于溶液周圍冷劑蒸汽壓力的下降，使吸收器中傳質(zhì)推動力減小，吸收過程減弱，造成冷媒水出口溫度上升，制冷機的制冷量下降。2.4.3表面活性劑對制冷機性能的影響為了提高溴化鋰吸收式制冷機中傳熱，傳質(zhì)效果，提高制冷機的性能，目前廣泛地添加一定的有機物質(zhì)-表面活性劑，在溴化鋰溶液中添加0.1%的辛醇，可以使制冷量提高10%15%。在溴化鋰溶液中常用的表面活性劑有異辛醇或正辛醇，它們在常壓下均為無色有刺激性氣味的油狀液體，幾乎不能溶解于溴化鋰溶液。在加熱蒸汽壓力較高的兩效溴化鋰吸收式制冷機中

15、，由于加熱溫度較高，辛醇在較高溫度下要分解，可改用氟化醇。它們的強化機理如下：(一)提高吸收效果添加表面活性劑后提高了吸收效果。這是因為添加辛醇后，溶液的表面張力大幅度下降，使溶液與水蒸氣的結(jié)合能力增強，這意味著吸收效率的提高；另外，添加辛醇后，溴化鋰水溶液的分壓力降低，吸收推動力增大，提高了吸收效果。(二)增強傳熱 添加表面活性劑后，冷凝器由膜狀凝結(jié)變?yōu)橹闋钅Y(jié)，提高了冷凝效果，添加辛醇后起到了改善凝結(jié)表面的作用。由于辛醇可以使銅管受熱面完全潤濕，含有辛醇的水蒸汽與銅管受熱面接觸后，隨后形成一層液膜，水蒸氣在辛醇液膜上呈現(xiàn)珠狀凝結(jié)。珠狀凝結(jié)的放熱系數(shù)可比膜狀凝結(jié)提高兩倍以上，因而提高了冷凝器

16、的傳熱效果。一般添加0.1%0.3%已能滿足要求。辛醇的密度較小，它總是漂浮于吸收器液囊的液面上。為使辛醇能隨著溶液的噴淋進入吸收器的傳熱面，在吸收器液面上設(shè)有沖辛醇管，沖擊辛醇，使之與溶液混合，然后通過噴淋溶液把它帶至吸收器傳熱管。如不足時可予以補充。2.4.4水側(cè)污垢系數(shù)對制冷機性能的影響溴化鋰吸收式制冷機運行一段時間后，由于各種因素的影響，傳熱管內(nèi)壁上逐漸生成一層水垢，增加了傳熱熱阻，使傳熱惡化。這時冷凝器壓力和吸收器壓力都增加，從而降低了濃度差，加大了溶液的循環(huán)倍率f，導(dǎo)致制冷量下降。污垢系數(shù)是表示這種污垢所引起的熱阻大小的參數(shù)，污垢系數(shù)越大，熱阻越大，傳熱效果越差，制冷量越小。通常來

17、說，新機組的制冷量比設(shè)計值高8%10%，這是因為新溴化鋰吸收式制冷機的污垢系數(shù)近似等于零。但為了保證在長期運行以后，制冷量仍可達到設(shè)計要求，在運行期間應(yīng)注意水質(zhì)分析，若發(fā)現(xiàn)水質(zhì)較差，則應(yīng)及時采取水處理措施，例如對水中的雜質(zhì)進行適當?shù)幕瘜W(xué)處理，并定期用機械或化學(xué)方法清理傳熱面。另外，制冷機在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)所用水的水質(zhì)情況選取適當?shù)奈酃赶禂?shù)進行傳熱計算。各種情況的污垢系數(shù)可在有關(guān)書籍及手冊中查得。通常在水質(zhì)比較好的情況下，可取0.0001m/W，如果水質(zhì)很差，污垢系數(shù)甚至可達0.00040.0006m/W。因此，我們必須了解制冷機的這種運轉(zhuǎn)性能和研究它們的變化規(guī)律。根據(jù)這種變工況的特性，用戶能夠按

18、自己的具體條件恰當?shù)剡x擇制冷機；能夠確定和選擇制冷機的調(diào)節(jié)、控制方案，使制冷機在最合理的情況下工作。這種調(diào)節(jié)和控制應(yīng)是自動化的，它不僅可以減少操作人員的勞動強度，而且可以準確地保證制冷機在規(guī)定的工況下運行，從而降低運轉(zhuǎn)費用，防止運轉(zhuǎn)事故的發(fā)生。3.集熱器集熱器是太陽能之驅(qū)式太陽能空調(diào)的核心所在，集熱器的質(zhì)量直接關(guān)系著太陽能空調(diào)的成敗，就目前太陽能集熱產(chǎn)品而言，真空管太陽能集熱器是太陽能空調(diào)的最近選擇。3.1.1真空管太陽能集熱器的結(jié)構(gòu)：分內(nèi)外管，內(nèi)管內(nèi)壁有水銀涂層，內(nèi)管外壁有吸熱涂層，內(nèi)外管之間是真空層；外管是透明的玻璃，內(nèi)外管均采用高硬度的高硼硅玻璃；一端有進出口，另一端封閉。3.1.2真空

19、管太陽能的特點：1.真空管太陽能工作原理是采用內(nèi)管的吸熱涂層對太陽光吸收，加熱內(nèi)管里的水，在與水箱或連箱進行交換，提高水溫。作為一種集熱板它在吸熱的同時也會進行散熱，而熱量的傳遞只有三種方式：輻射，傳導(dǎo)，對流。真空管太陽能的三種散熱傳熱方式均很小，內(nèi)管的水銀涂層防止熱量輻射；內(nèi)外管中間的真空層防止熱量傳導(dǎo)；至于熱量的對流散發(fā)對真空管太陽能而言，幾乎為零。熱效率達93.5%。2.真空管太陽能的使用壽命：由于它的材料是高硼硅玻璃，而內(nèi)外涂層在真空的環(huán)境里不受氧化，在不受外力的情況下壽命超20年以上。 3.各種環(huán)境的影響：散熱小，保溫效果好，抗凍能力強（在南極都有優(yōu)良表現(xiàn)）；真空管對臺風的阻力小，抗

20、臺風能力強；真空管是圓形的形狀受外來沖擊力小，抗冰雹能力強。3.2.1跟日技術(shù)跟日對焦太陽能能技術(shù)在很大程度上提高太陽能集熱器的效率。當太陽直射時，對焦才更加精確，而且單位面積聚光面上聚集的被真空管吸收的太陽光最多，通過比較各種跟日技術(shù)，視日技術(shù)對太陽能空調(diào)來說相對更完善些。3.2.2視日運動軌跡跟蹤系統(tǒng)視日運動軌跡系統(tǒng)根據(jù)跟蹤系統(tǒng)的軸數(shù)可分為單軸和雙軸兩種。單軸跟蹤一般用3種方式：一是傾斜布置東西跟蹤；二是焦線南北水平布置，東西跟蹤；三是焦線東西水平布置，南北跟蹤。這3種方式都是單軸轉(zhuǎn)動的南北向或東西向跟蹤。雙軸跟蹤可以分為兩種方式：極軸式全追蹤和高度角一方位角式全追蹤。在太陽高度和赤緯角的

21、變化上都能夠跟蹤太陽，從而獲得最多的太陽能。全跟蹤(即雙軸跟蹤)就是根據(jù)這樣的要求而設(shè)計的。視日運行軌跡跟蹤方法是通過計算機計算太陽運行軌跡，并自動跟蹤其軌跡來實現(xiàn)對太陽的跟蹤。在天文學(xué)上，太陽的觀測位置是可以根據(jù)當?shù)氐牡乩砦恢煤蜁r間來確定的，計算機就根據(jù)這一信息來確定太陽的觀測位置。其優(yōu)點是通過計算機運算使跟蹤裝置可以全天跟蹤，而不需要人為地干預(yù)和幫助。另外，采用視日運行軌跡跟蹤方法還需要完成日出時間和日落時間的計算。在日出前，跟蹤裝置按照一定的運行軌跡到達預(yù)定的位置等待日出；在日落后，跟蹤裝置又需要按原路線返回到日出前位置。另一方面，這種跟蹤方式對機構(gòu)的機械加工水平和儀器的安裝都有較嚴格的要求，要求機構(gòu)的加工精度必須足夠高，成本較高。另外，由于算法、機械加工精度以及儀器的安裝等原因，跟蹤精度受到了一定的限制。3.2.3跟蹤精度通過提高太陽能利用率方法可知，所有的跟蹤方法都和精度有關(guān)，且計算機控制的全自動跟蹤裝置要比其他跟蹤裝置的跟蹤精度高。雖然研究人員利用計算機控制相繼開發(fā)了高精度裝置，但是對于具體的應(yīng)用以及究竟需要多高的跟蹤精度，目前并沒有統(tǒng)一的標準。實驗表明：對于太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)而言，跟蹤精度是10。，每40min跟蹤一次時，太陽能電池板的接收面的太陽相對輻射通量僅變化08 。另外，對于高跟蹤精度意味著高成本，無法進行大面積的推廣。因此，適