公共建筑屋頂太陽能吸收式制冷空調可行性研究

毛方+姜文雍+李蕓

摘 要：公共建筑的屋頂是太陽能利用的合適場地，將太陽能集熱器和吸收式制冷系統相結合，將太陽能集熱器采集的中低溫熱源提供給吸收式制冷的的發生器，從而構成一套清潔能源利用裝置。學校、醫院、賓館等對熱負荷和冷負荷需求旺盛的單位是這種裝置應用的最佳對象，太陽吸收式制冷空調的超低能耗和節能減排效應和當下環保政策契合度很好，是一種具有廣闊前景的太陽能應用方向。

關鍵詞：公共建筑；太陽能；吸收式制冷；空調

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.056

太陽能作為一種清潔能源，一直是新能源利用方面的熱點。太陽能來源廣、使用過程無二次污染、取之不盡用之不竭。太陽能低溫范圍的利用在我國獲得了巨大的成功，但太陽能的低溫范圍應用主要局限于提供生活用的熱水，即太陽能熱水器。另一方面，即制冷應用，太陽能的利用就顯得相形見絀了。制冷是公共建筑的耗能大頭，每年夏季，大量的電能消耗在制冷空調的運行上面。夏季恰好又是太陽能輻射強度最高的季節，如何解決夏季太陽能輻射高峰和夏季的能耗高峰是當前公共建筑的節能減排能否收到良好效果的關鍵。

吸收式制冷主要利用各種來源不同的熱源——工業余熱、地熱資源、太陽能輻射、煤炭、天然氣等提供熱源，作為其制冷系統發生器的熱量來源[1]。其中，以溴化鋰--水吸收式制冷裝置技術最為成熟，應用最廣泛。吸收式制冷不需要傳統的蒸氣壓縮式制冷系統的壓縮機設備，取而代之的是由發生器、溶液泵和吸收器做成的二元工質對子循環系統。該子循環系統的作用取代傳統的壓縮機將制冷循環的制冷劑溫度和壓力提升，形成制冷劑循環。

1 屋頂太陽能集熱系統

公共建筑的屋頂一般為空余的平坦場地，采光條件優良，施工難度低。太陽能集熱裝置可根據建筑方位按最優角度布置在建筑的屋頂。目前，技術相對成熟的幾種太陽能集熱裝置分別是：槽式太陽能集熱器、塔式太陽能集熱器、蝶式太陽能集熱器和線性菲涅爾太陽能集熱器[2]。這幾種不同形式的集熱器各有其適用的場地合應用條件。結合集熱器本身的工作原理和溴化鋰吸收式制冷對熱源的溫度要求，公共建筑的屋頂比較適宜采用槽式太陽能集熱器。

槽式集熱器主要由拋物面槽式反光鏡面、真空管、機械支撐結構、連接管等組成。如圖1所示，平行太陽光束以垂直于拋物鏡面的方向照射到拋物槽表面時，槽式聚光器利用其拋物鏡的聚焦原理將光線匯集到位于焦線的真空管接收器外表面上，經過聚焦的光線被被吸熱管管壁上的選擇性吸收涂層所吸收。在吸熱管內部流動著傳熱介質，一般為導熱性能良好的導熱油，導熱油沿流動方向連續吸收管壁上的熱量，吸收能量后的導熱油溫度上升。一般槽式集熱器可將傳熱介質的溫度提升至250℃～300℃的溫度范圍。這些導熱介質吸收能量溫度上升后可以經連接管道串聯或并聯后匯合起來，進入儲熱裝置，然后再通過熱交換器將熱量傳遞給用熱設備。

整個過程主要分為采光、反射、吸收、熱交換四個階段，系統實現了光能到熱能的轉化過程。系統可隨用熱負荷的大小控制管道內導熱介質的流速、進而調節其出口溫度，以滿足不同的太陽能吸收式制冷空調對熱負荷的要求。

2 溴化鋰吸收式制冷的熱交換器

考慮到為發生器提供熱源的是太陽能集熱器，因此，需要綜合考慮熱能利用的有效性及換熱器結構的兼容性。發生器是溴化鋰吸收式制冷機的主要熱量消耗裝置，來自太陽能集熱器的導熱介質進入換熱器時要充分考慮到換熱面積。另一個問題是，太陽能作為一種清潔能源固然有優點，但太陽能又和當地的氣候條件緊密相關。需要考慮到無光照或者光照不足條件時采用電輔熱或者其他的替代熱源。因此，應用于太陽能吸收式制冷的熱交換器就要在結構上有所不同。一種經過改進的套管式換熱器可適應這些特殊的要求。

這種套管式換熱器由一根大管里面套兩根小管構成，其中一根小管里面流動的是來自太陽能集熱器的導熱介質，另一根小管為電加熱管。為了增加換熱面積，導熱介質管道呈螺旋形盤繞在電加熱管上。大管和小管之間的空隙則是溴化鋰溶液的流動區域。當光照充足時，來自太陽能集熱器的導熱介質攜帶足夠的熱量，通過管壁和溴化鋰溶液發生熱交換，溴化鋰溶液被加熱到預定溫度后沸騰產生蒸汽；當光照不足或無光照時，啟動電加熱管加熱溴化鋰溶液。這種構造的管殼式換熱器使得太陽能吸收式制冷的適用范圍大大增強。同時，由于溴化鋰吸收制冷機組禁止溶液在換熱設備里凝固，電加熱管可以有效防止系統在集熱器端沒有熱量傳遞時發生事故。

3 節能前景分析

根據一般公共建筑的使用規律，它們在能耗方面表現出顯著的時間和空間差異性。夏季由于空調的大范圍使用，電耗顯著上升。在一般公共建筑能耗分配中，照明用電、動力設備的電耗是基本是不變的，處于穩定狀態。另一方面，夏季供冷、冬季供暖能耗是在一年當中隨季節而波動[3]。因此，夏冬兩個季節的電耗明顯高于春秋兩個季節，由此看出，樓宇建筑的空調能耗在建筑能耗中占有很大的比例。尤其是醫院、賓館、商場、學校等人員密集的建筑。夏季增加部分的電量占夏季總用電量的30%左右。故一般人員密集公共建筑節能的關鍵在于采用新型節能型空調系統。

以一個房頂面積1000平米的學生宿舍房頂為例，夏季光照充足，太陽輻射強度高，輻射功率大約1000瓦/平方米。根據光熱轉換效率80%、日有效光照時長6小時計算，每天該房頂面積吸收的太陽能將轉化成17180000千焦的熱量。相當于標準煤0.6噸，相當于4878度電產生的熱量。考慮到不論是夏季的溴化鋰吸收式制冷機，還是冬季樓宇的用熱，太陽能產生的熱量均無需經過熱-電-熱這一能量轉化路線，而是直接的熱-熱轉換，因此，公共建筑房頂的太陽能利用節能前景都是十分客觀的。但太陽能吸收式制冷的應用也是面臨諸多現實問題的，首先樓宇頂部的結構強度問題，大規模的太陽能集熱裝置對樓宇的結構稱重提出了要求，現有的部分建筑房頂不一定考慮到過多的承重載荷。其次，太陽能吸收式制冷機組的首次投資成本明顯大于普通的蒸汽壓縮式制冷機組，且后期的需要合理維護，這在一定成程度上提升了使用成本[4]。

4 結論

公共建筑的房頂是一塊尚未完全開發利用的能源寶地，太陽能集熱技術的發展使得大規模的太陽能熱力用成為可能。槽式太陽能集熱系統結合建筑房頂的特點可以作為太陽能吸收式制冷的熱量采集終端。溴化鋰吸收式制冷的熱交換器可以考慮到太陽能本身的特點，結合電熱輔助措施，擴大太陽能吸收式制冷空調的應用范圍。

太陽能吸收式制冷汲取了吸收式制冷對熱源的寬泛要求的優點，結合現有的公共建筑的能源消費結構特點，使得太陽能吸收式制冷空調在該領域的廣泛前景。

參考文獻：

[1]呂斌.太陽能空調技術的現狀及發展趨勢 [J].節能與環保，2010（04）：46-48.

[2]陳亞平等.太陽能綜合空調系統在住宅小區應用的可行性探討[J].能源研究與利用，2007（05）：5-9.

[3]趙妍.建筑中太陽能技術應用及其開發碳減排項目的可行性分析[D].河北工業大學，2012.

[4]李玉潔.太陽能吸收式空調系統的經濟性分析[J].節能技術，2009，27（05）：441-445.

課題項目：衢州職業技術學院科研計劃項目“建筑房頂集中式太陽能吸收制冷技術應用研究”（項目編號：QZYZ1408）

作者簡介：毛方（1984-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，講師，研究方向：動力機械運動學仿真分析、動力機械傳熱分析。