太陽能煙囪制冷系統的研究

肖庭庭　李征濤

摘要：

通過分析制冷系統和太陽能煙囪熱氣流發電系統的技術和特點，提出了太陽能煙囪制冷系統.將太陽能煙囪系統與制冷系統相結合進行制冷，可實現制冷不用電.該系統由煙囪、集熱棚、蓄熱層、渦輪機、開啟式制冷壓縮機、冷凝器和變速器等組成.介紹了太陽能煙囪制冷系統的結構特點、工作原理以及系統相關參數的計算方法.分析結果表明，太陽能煙囪制冷系統結構簡單，運行維護方便，制冷不用電，無污染，具有良好的環境效應，可根據環境溫度改變壓縮機運行轉速調節供冷負荷，能有效解決熱帶及沙漠地區的供冷及供電問題.

關鍵詞：

太陽能煙囪系統； 制冷系統； 系統參數

中圖分類號： TB 61+5； TK 514文獻標志碼： A

Abstract：

By analyzing the technical features of solar hot air chimney generating electricity and refrigeration system，a solar chimney refrigeration system combining with them to provide cooling water without electricity was proposed.It is made up of chimney，heat collector，heat storage layer，turbine，opentype compressor，condenser，and transmission.The operation principles，structure characteristics and geometric theory of this refrigeration system were formulated and analyzed，and the calculation formulae for refrigeration performance parameters and size of chimney and heat collector were deduced preliminarily basing on rated cooling capacity.The analysis results show that this mechanism is of simple structure，easy operation and maintenance，refrigerating without electricity，no pollution and has good environmental effect.It can change the speed of the compressor to regulate cooling load according to the ambient temperature，besides，it can effectively solve the problem of cooling and power supply in tropical and desert regions.

Keywords：

solar chimney； refrigeration system； system parameters

在壓縮式制冷系統中，壓縮機依靠電源供電，使制冷劑在系統內循環.為使系統熱量能夠在冷凝器內有效釋放，在冷凝器側安裝了電機和葉片.電機供電后，葉片強制環境空氣流過冷凝器進行換熱，空氣帶走制冷系統的熱量，實現制冷.制冷系統耗電量大，在炎熱的夏季易產生用電高峰，造成供電緊張.因此，研究各類低耗電量或不用電的制冷系統，具有重大現實意義.

由于具有不依賴電力、不使用氟利昂作制冷劑、季節適應性好、無運動部件、可利用余熱廢熱等優點，吸收式制冷系統在中央空調中得到廣泛應用.但該系統節電不節能，能效低，能耗大，機組笨重且價格無優勢，所以，吸收式制冷系統的發展也受到了一定的限制[1-3].相對于太陽能吸收式制冷系統，太陽能光伏制冷系統具有制冷效果好、能量利用率高及自身損失低等優點，尤其是近年來隨著光伏電池產業的蓬勃發展以及光電轉換效率的不斷提高，太陽能光伏制冷顯示出了強勁的發展勢頭.但光伏電池板和電能儲存裝置鉛酸蓄電池在制造過程中耗能及污染都很大，且工作壽命短，不易維護，光伏轉化效率仍然不高，光伏電池板也容易受自然因素的影響，同時成本的居高不下也大大限制了太陽能光伏制冷系統的發展[4-5].

為此，提出了太陽能煙囪制冷系統，利用流過制冷系統冷凝器的高速太陽能煙囪熱氣流帶走冷凝熱，并驅動制冷系統壓縮機進行制冷.該系統利用可再生的太陽能作為驅動能源，可不使用電能.

1結構特點

太陽能煙囪制冷系統結構示意圖如圖1所示.它由煙囪系統、渦輪機系統和制冷系統組成.

煙囪系統主要包括煙囪、集熱棚、支架及蓄熱層等.煙囪通常采用玻璃纖維材質包覆木質豎直框架制成；集熱棚用金屬支架支撐，其上鋪蓋玻璃、薄膜等透明或半透明材料；蓄熱層一般采用砂石或土壤制成.渦輪機系統包括渦輪機、傳動軸及變速器等.渦輪機安裝在煙囪底部入口處，主要作用是將熱氣流動能轉化為機械能，并通過變速器驅動壓縮機運轉；變速器安裝在渦輪機和壓縮機之間，用以調節壓縮機運轉速度.制冷系統主要包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器、儲液罐、氣液分離器及連接管等.壓縮機為開啟式制冷壓縮機，安裝在渦輪機下方；冷凝器按平鋪方式安裝在壓縮機下方；蒸發器采用管殼式換熱器，通過該蒸發器向外界提供冷媒水.

2工作原理

太陽能煙囪制冷系統的基本原理是利用溫室效應、煙囪效應、風力渦輪機技術和制冷技術.太陽輻射透過集熱棚透明材料使蓄熱層和空氣的溫度升高，同時蓄熱層也參與加熱集熱棚中的空氣，使其密度小于集熱棚外相同高度處的大氣密度，從而和環境形成密度差.棚中央的煙囪起負壓管的作用，加大了系統內外的壓力差，形成強烈的上升氣流.當系統內部空氣以一定的速度進入煙囪入口時，熱氣流驅動設置在煙囪底部的渦輪機轉動，從而推動壓縮機運轉進行制冷[6].熱氣流一方面驅動渦輪機轉動，另一方面也通過流經冷凝器帶走制冷系統的冷凝熱.反過來，冷凝器加熱了熱氣流，對驅動渦輪機轉動起到促進作用.

2.1煙囪系統

太陽能煙囪系統主要是將太陽能轉化為空氣內能，再轉化為動能.其運行原理為集熱棚構成了一個巨大的溫室，空氣在其內部受熱產生密度差，在重力和煙囪負壓的作用下產生上升的熱氣流.此外，蓄熱層在白天存儲的太陽能，可用于夜間加熱空氣，以保證煙囪系統在夜間也能產生上升氣流驅動制冷系統進行制冷.

2.2渦輪機系統

渦輪機安裝在煙囪底部壓力梯度變化最大處，由系統內部空氣進入煙囪時形成的強烈上升氣流推動，將空氣流的動能部分轉變為渦輪機的轉動機械能，通過變速器調節轉速最終驅動壓縮機運轉進行制冷.

當太陽輻射較低、環境溫度低時，所需冷量較少，此時，渦輪機入口空氣流速度也低.為保證渦輪機能正常驅動壓縮機，變速器需同步降低壓縮機轉速，減小壓縮機輸入功率，減小冷量輸出.反之，當太陽輻射較強時，所需冷量較多，此時渦輪機能提供壓縮機較多功率，通過變速器提高壓縮機轉速，增大冷量輸出.

2.3制冷系統

在渦輪機的驅動下，制冷系統在蒸發器處吸收熱量，在冷凝器處釋放熱量，從而通過蒸發器向外提供冷媒水，實現制冷.所采用的開啟式制冷壓縮機直接由渦輪機通過變速器進行驅動.由于原動機與制冷劑和潤滑油不直接接觸，原動機不必滿足耐制冷劑和耐油的要求，因而該系統可采用氨制冷劑.該系統易拆卸，方便維修，但由于其密封性能較差，制冷劑易通過支承軸承向外泄漏，因此必須有軸封裝置[7].冷凝器為風冷式換熱器，由于只作冷凝器使用，更適合采用結構緊湊、換熱效率高的微通道換熱器.為保證系統的正常運行，在壓縮機進、出口處加裝氣液分離器和油分離器.此外，在冷凝器出口加裝儲液器.

3系統相關參數計算

對太陽能煙囪制冷系統進行設計時，首先要確定供冷負荷（額定制冷量），并由此計算渦輪機輸入制冷系統的功率，再根據渦輪機輸出功率對集熱棚和煙囪進行設計，從而評估經濟效益，確定設計方案.計算中假設：① 煙囪內不存在渦輪機；② 不考慮煙囪內空氣在流動過程中產生的摩擦且煙囪壁面絕熱；③ 系統內的氣體近似為不可壓縮流體.

3.1制冷系統性能參數[8]

假設制冷系統額定制冷量為Q0，制冷劑采用R134a.制冷循環的壓焓圖如圖2所示，其中：h為焓；p為壓力；點1、2分別對應壓縮機吸氣口、排氣口狀態；點3對應冷凝器出口狀態；點4對應蒸發器進口狀態；點2s為等熵壓縮過程的終點.

由采光面積Acoll即可計算集熱棚直徑.根據陳偉華[11]的研究，在特定規模下，煙囪高度決定了系統的最大抽力.集熱棚高度有一個最佳值，當離地高度大于該最佳值時，系統不能提供足夠的內外壓力差，多余的空氣受熱后形成不規則旋流，從入口處流出，帶走部分熱量，使系統效率降低.

4優勢與不足分析

太陽能煙囪制冷系統無需消耗電能但可實現制冷.相比于傳統的電驅動式、吸收式和太陽能光伏制冷系統，具有明顯的優勢.不過，該制冷系統也存在一些本質上的不足.

4.1優勢

（1） 設備簡單，制冷不用電，運行成本低.太陽能煙囪制冷系統制冷不用電，其冷凝器也是采用高速熱氣流進行換熱，所以運行成本較低.

（2） 轉化效率高.制冷系統直接利用渦輪機機械能驅動壓縮機進行制冷，減少了渦輪機機械能轉換為電能，輸送后轉換為機械能，再驅動壓縮機進行制冷等中間環節，所以系統轉換效率高.

（3） 太陽能存儲方便，夜間可制冷.蓄熱層在白天存儲了太陽能，在夜間加熱集熱棚內的空氣，保證了系統持續穩定供冷，降低了對太陽光照變化的依賴性.

（4） 可有效解決熱帶及沙漠地區的供冷及供電問題，如中東地區、非洲的赤道地區等.將系統進行改進后，利用渦輪機一部分機械能驅動發電機，則該系統既能供冷，又能供電.

（5） 該制冷系統以太陽輻射為動力源，空氣為驅動工質，不會產生氮、硫氧化物等化石能源所帶來的污染氣體，也不會產生二氧化碳、甲烷等溫室效應氣體，無任何環境污染，具有良好的環境效應.

4.2不足之處

（1） 規模大，前期投資成本高.由于太陽能轉換為機械能的效率不高，使得所需的土地面積相當大，對應的集熱棚和煙囪規模也要很大，所以導致投資成本很高；

（2） 冷凝溫度高，對制冷效果影響大.冷凝器安裝在煙囪底部入口處，所處環境溫度很高，導致制冷系統的冷凝溫度高，所以冷凝器的安裝位置有待進一步研究.

5結論

提出了太陽能煙囪制冷系統，將太陽能煙囪與制冷系統相結合進行制冷，實現制冷不用電.介紹了該制冷系統的結構特點、工作原理以及系統相關參數的計算方法.分析結果表明，太陽能煙囪制冷系統結構簡單，制冷不用電，運行成本低，能有效解決熱帶及沙漠地區的供冷及供電問題，無污染，具有良好的環境效應.總體上看，太陽能煙囪制冷系統在解決能源短缺和環境問題等方面，具有良好的應用前景，但其商業化尚需在今后的實踐中進一步探索和研究.

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