太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

張倩

（貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 貴州貴陽(yáng) 550000）

1 引言

近年來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題逐漸成為人們和社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，為了保護(hù)人們的居住環(huán)境，深入推廣綠色環(huán)保節(jié)能理念，很多節(jié)能減排的措施和政策應(yīng)用到各行各業(yè)中。在建筑行業(yè)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗占到了建筑物總能耗的一半以上，而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，給能源的消耗、社會(huì)環(huán)境都帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。利用太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)，不僅節(jié)約了一次性能源的消耗，而且該系統(tǒng)具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)，有效的減少了污染物的排放，實(shí)現(xiàn)了社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙豐收。因此，研究分析太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某省高效圖書(shū)館項(xiàng)目，建筑面積為2.02萬(wàn)m2，建筑每層層高為3m，建筑主體為6層，最高層為8層。在進(jìn)行太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，需要對(duì)1.15萬(wàn)m2的空間進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，負(fù)荷約為1350kW。

2.1 空調(diào)方案選擇

太陽(yáng)能主要的能量轉(zhuǎn)換方式有光-電和光-熱兩種。就目前太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，先對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后借助其發(fā)電產(chǎn)生的電力實(shí)現(xiàn)空調(diào)相關(guān)設(shè)備的啟用，該種技術(shù)手段還不成熟，穩(wěn)定性較差，相對(duì)而言成本較高，技術(shù)還存在缺陷，不具備實(shí)用性和推廣價(jià)值。結(jié)合本工程的實(shí)際情況，對(duì)常見(jiàn)的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的分析選擇如下：

（1）太陽(yáng)能去濕冷卻：常應(yīng)用在低濕度區(qū)域，主要作為建筑物的新風(fēng)系統(tǒng)，相對(duì)設(shè)備較大，不適用本工程的實(shí)際情況；

（2）太陽(yáng)能吸附式空調(diào)：機(jī)組容量較小，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的支撐力量還不完善，在本工程圖書(shū)館項(xiàng)目中的應(yīng)用還缺少成熟的應(yīng)用條件；

（3）太陽(yáng)能吸收式空調(diào)：現(xiàn)階段應(yīng)用較廣泛，較成熟的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)，而且在應(yīng)用過(guò)程中具有相類似的工程案例可供參考，因此，本工程選用太陽(yáng)能吸收式空調(diào)進(jìn)行圖書(shū)館太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.2 輔助能源選擇

在對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，輔助熱源的選擇十分重要，它有效的確保了太陽(yáng)能系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，并關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能效果。一般情況下，太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)在建設(shè)初期的投資預(yù)算較高，設(shè)計(jì)的技術(shù)也較為復(fù)雜，但隨著工程的投產(chǎn)運(yùn)行，運(yùn)行階段的整體成本支出較低，節(jié)能效果也較好。因此，在對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了提升空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最大化，應(yīng)確保其可以滿足正常運(yùn)行過(guò)程中的最大基本負(fù)荷，不應(yīng)當(dāng)以高峰值的負(fù)荷來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)能空調(diào)容量的設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)，為了確保吸收式制冷機(jī)組的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，選擇的輔助能源大多為燃?xì)忮仩t或電鍋爐，從而確保吸收式制冷機(jī)組的進(jìn)口溫度，保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。但是該種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定是輔助能源的應(yīng)用效率降低，不符合當(dāng)前綠色環(huán)保節(jié)能的社會(huì)理念。基于此背景下，本工程在進(jìn)行輔助能源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了電制冷機(jī)組作為太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的輔助能源，從而有效的避免了因?yàn)樘?yáng)能輻照變化，給吸收式制冷機(jī)組帶來(lái)的不利影響。同時(shí)，本工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還適當(dāng)?shù)脑龃罅颂?yáng)能的熱水箱，縮小了吸收式制冷機(jī)組的容量，在確保吸收式制冷機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的熱水供應(yīng)的同時(shí)，也避免了機(jī)組間歇運(yùn)作過(guò)程中，太陽(yáng)能熱水有足夠的儲(chǔ)存空間，減少了不必要的浪費(fèi)。

2.3 制冷機(jī)組與太陽(yáng)能集熱器選擇

作為太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的核心部件，太陽(yáng)能集熱器的選擇十分關(guān)鍵。其所提供的熱源溫度越高，相對(duì)應(yīng)的制冷COP值也就越高。本工程結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，在空調(diào)運(yùn)行時(shí)期，室外溫度一般在30℃以上，所以選擇了真空管集熱器。同時(shí)為了避免在系統(tǒng)停止運(yùn)行階段，集熱系統(tǒng)因?yàn)檫^(guò)熱出現(xiàn)炸管等問(wèn)題，對(duì)真空管集熱器的性能指標(biāo)要求有所提高，選擇了安全性最高的U形管真空管太陽(yáng)能集熱器。

3 太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的設(shè)計(jì)分析，本項(xiàng)目在進(jìn)行太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選用了U形管真空管集熱器。共計(jì)選擇集熱器746組，可實(shí)現(xiàn)1492m2的太陽(yáng)能采光。在進(jìn)行太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意以下要點(diǎn)：

（1）處于同陣列內(nèi)的U形管真空管集熱器，采用同程連接方式；對(duì)于處于不同陣列的集熱器，通過(guò)在回水干管連接處設(shè)置了手動(dòng)平衡閥，來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列間的流量平衡。

（2）由于本工程所在區(qū)域的太陽(yáng)角度較高，在進(jìn)行集熱器安裝過(guò)程中，敷設(shè)方式采用水平架空的方式，并為了避免惡劣天氣對(duì)集熱器造成破壞，在安裝過(guò)程中，將其隱藏在了女兒墻中。

3.2 蓄冷蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于太陽(yáng)輻照呈現(xiàn)出不斷變化的狀態(tài)，為了確保溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，蓄冷蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它有效的緩沖了因?yàn)樘?yáng)輻照變化，對(duì)吸收式制冷機(jī)組造成的不利影響。

本工程在進(jìn)行蓄冷蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先在機(jī)房?jī)?nèi)，將容量為45m3的儲(chǔ)熱水箱與閉式的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，以板式換熱器的方式相連。當(dāng)產(chǎn)生的熱量首先在該水箱內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)，如果水箱的最低溫度高于吸收式制冷機(jī)組的工作溫度，這是溴化鋰制冷機(jī)開(kāi)始進(jìn)行制冷操作，有效的避免了溴化鋰機(jī)組頻繁的啟停，對(duì)系統(tǒng)造成的損耗。當(dāng)圖書(shū)館的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)停止運(yùn)行過(guò)程中，相關(guān)的熱水可以在水箱中進(jìn)行儲(chǔ)存，便于空調(diào)再次啟動(dòng)時(shí)使用，減少了不必要的太陽(yáng)能資源浪費(fèi)。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程的主要冷凍機(jī)房設(shè)置在了圖書(shū)館的一樓，主要組成為溴化鋰吸收式冷水機(jī)組和螺桿式冷水機(jī)組。

（1）對(duì)于冷凍水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中利用了二次泵系統(tǒng)，將冷水機(jī)組和一級(jí)泵實(shí)現(xiàn)了注意對(duì)應(yīng)，當(dāng)冷水機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生了冷水，將其運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的冷水罐中進(jìn)行儲(chǔ)存。同時(shí)根據(jù)末端系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)二級(jí)泵變頻調(diào)節(jié)，將儲(chǔ)存在冷水罐中的冷凍水運(yùn)輸?shù)侥┒说脑O(shè)備。

（2）在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還對(duì)兩臺(tái)機(jī)組設(shè)置了冷卻塔，并由機(jī)房?jī)?nèi)的相關(guān)補(bǔ)水定壓裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的補(bǔ)水定壓。

3.4 運(yùn)行控制設(shè)計(jì)

本工程在進(jìn)行太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面充分利用太陽(yáng)能進(jìn)行制冷，另外一方面要確保太陽(yáng)能空調(diào)和電制冷空調(diào)的相互協(xié)作運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，首先利用太陽(yáng)能進(jìn)行圖書(shū)館的冷量供給，如果太陽(yáng)的光照不足或者負(fù)荷較大的時(shí)候，螺桿式冷水機(jī)組啟動(dòng)，對(duì)冷量進(jìn)行補(bǔ)充供給。因此，系統(tǒng)的運(yùn)行控制如下所示：

（1）采用溫差循環(huán)控制：對(duì)圖書(shū)館屋面的集熱器出口溫度和貯熱水罐溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，如果兩者的溫度差高于5℃，則系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵；如果兩者的溫度差低于2℃，則系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵。

（2）對(duì)太陽(yáng)能貯熱水罐水溫以及貯冷水罐回水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果太陽(yáng)能貯熱水罐水溫低于75℃，或者貯冷水罐回水溫度低于10℃，這時(shí)吸收式制冷機(jī)組停止運(yùn)行。如果太陽(yáng)能貯熱水罐水溫高于80℃，且貯冷水罐回水溫度高于14℃，這時(shí)吸收式制冷機(jī)組開(kāi)啟運(yùn)行，并向貯冷水罐進(jìn)行冷水的補(bǔ)充。

（3）如果現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到末端系統(tǒng)設(shè)備接收到貯冷水罐的水溫高于12℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟螺桿式冷水機(jī)組進(jìn)行冷量的補(bǔ)充。

（4）由于本工程所在區(qū)域沒(méi)有較明顯的冬季特征，所以在進(jìn)行太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)需考慮防凍措施的設(shè)計(jì)。對(duì)于圖書(shū)館處于長(zhǎng)期不允許階段（暑假），為了有效的避免太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)過(guò)熱造成真空管破裂，應(yīng)對(duì)熱系統(tǒng)分水器的安全閥進(jìn)行泄水處理。同時(shí)，對(duì)于非空調(diào)季時(shí)，為了避免太陽(yáng)能資源的浪費(fèi)，將所產(chǎn)生熱水共計(jì)周邊的公寓和宿舍樓，為他們提供生活熱水。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用相關(guān)技術(shù)也日漸成熟。本文結(jié)合某市圖書(shū)館項(xiàng)目，對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，整體設(shè)計(jì)滿足了業(yè)主的要求，制冷效果良好，即充分的利用了太陽(yáng)能資源，降低了污染物排放，又節(jié)約了建筑的能源消耗，符合當(dāng)前綠色節(jié)能的環(huán)保理念。