2018年暖通工程師《專業(yè)知識(shí)》太陽能發(fā)展

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　　一、太陽能發(fā)展

　　太陽能空調(diào)是以太陽能作為制冷空調(diào)的能源。利用太陽能制冷可以有兩條途徑，一是利用光伏技術(shù)產(chǎn)生電力，以電力推動(dòng)常規(guī)的壓縮式制冷機(jī)制冷;二是進(jìn)行光-熱轉(zhuǎn)換，用熱作為能源制冷。前者系統(tǒng)比較簡單，但以目前光電池的價(jià)格計(jì)算，其造價(jià)為后者的3-4倍;后者除了供冷之外，還結(jié)合供熱利用。因此國外的太陽能空調(diào)系統(tǒng)通常以第二種為主。

　　節(jié)約常規(guī)能源和保護(hù)自然環(huán)境是當(dāng)今世界關(guān)心的兩大熱點(diǎn)，常用的壓縮式空調(diào)機(jī)不僅消耗大量電能，而且存在對(duì)環(huán)境的污染問題。近幾年，越來越多的科學(xué)家和工程技術(shù)人員對(duì)太陽能空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究、開發(fā)，目前已在世界一些國家安裝了太陽能空調(diào)系統(tǒng)，用于夏季制冷、冬季采暖以及提供熱水，發(fā)展太陽能空調(diào)應(yīng)用的基礎(chǔ)和意義。

　　1.1太陽能空調(diào)的市場(chǎng)基礎(chǔ)

　　太陽熱水器在國內(nèi)市場(chǎng)迅猛發(fā)展，全國太陽熱水器的使用量已超過1000萬平方米，近年來每年增長超過200萬平方米，由此可見，太陽熱水器的使用量和需求量都非常大，市場(chǎng)前景非常好。另一方面，空調(diào)的需求也是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。如果把供熱與空調(diào)結(jié)合起來將是一個(gè)更加理想的方案。這是太陽能空調(diào)實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用的市場(chǎng)基礎(chǔ)。

　　1.2太陽能空調(diào)的技術(shù)基礎(chǔ)

　　太陽能制冷空調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成熟。①在太陽能集熱器方面，真空管集熱器、平板集熱器都已經(jīng)在市場(chǎng)上推廣應(yīng)用;②在制冷機(jī)方面，溴化鋰吸收式制冷機(jī)在上世紀(jì)九十年代大量地進(jìn)入了市場(chǎng)。中國科學(xué)院廣州能源研究所研制的低溫?zé)崴蛢杉?jí)吸收式淡化侄制冷機(jī)，熱源溫度只需60℃以上，特別適合于太陽能的利用。③在系統(tǒng)方面，已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

　　因此，太陽能空調(diào)應(yīng)用在技術(shù)上是可行的。

　　二、太陽能空調(diào)的技術(shù)特點(diǎn)及工作原理

　　(一)技術(shù)特點(diǎn)

　　目前太陽能空調(diào)的實(shí)現(xiàn)方式主要依靠太陽的熱能進(jìn)行制冷和供熱，一般又可分為吸收式和吸附式兩種。吸收式制冷技術(shù)是利用吸收劑的吸收和蒸發(fā)特性進(jìn)行制冷的技術(shù)，根據(jù)吸收劑的不同，分為氨-水吸收式制冷和溴化鋰-水吸收式制冷兩種。吸收式制冷技術(shù)是以太陽能集熱器收集太陽能產(chǎn)生熱水或熱空氣，再用太陽能熱水或熱空氣代替鍋爐熱水輸入制冷機(jī)中制冷。由于造價(jià)、工藝、效率等方面的原因，這種制冷機(jī)不宜做得太小，采用這種技術(shù)的太陽能空調(diào)系統(tǒng)一般適用于中央空調(diào)，系統(tǒng)需要有一定的規(guī)模;但是普通家用空調(diào)通過該技術(shù)改造成太陽能空調(diào)，具有成本低、改造簡便可行。吸附式制冷技術(shù)是利用固體吸附劑對(duì)制冷劑的吸附作用來制冷，常用的有分子篩-水、活性炭-甲醇吸附式制冷。

　　利用太陽能作為能源的空調(diào)裝置，一般可以分成三部分：

　　其一是太陽能集熱器。集熱器形式多樣，性能各異。集熱器采用真空管型最多，真空管型最基本的種類有三種：熱管式真空集熱管(簡稱熱管)、全玻璃真空集熱管和直通式真空集熱管。熱管式真空集熱管是繼傳統(tǒng)平板式真空集熱管之后開發(fā)出的高科技節(jié)能產(chǎn)品，它將熱管技術(shù)和真空技術(shù)融為一體，將太陽能集熱器的工作溫度從 70 ℃提高到 120 ℃以上，大大提高了集熱器的熱性能，是一種溫?zé)崂玫睦硐氘a(chǎn)品。

　　其二是制冷系統(tǒng)。利用低溫?zé)嵩醋鳛閯?dòng)力的制冷系統(tǒng)不同于壓縮式制冷系統(tǒng)，它必須能充分利用低溫?zé)嵩醋鳛閯?dòng)力這一要求，目前以吸收式制冷技術(shù)較為成熟。吸收式制冷采用溴化鋰-水、氨-水等作為工質(zhì)對(duì)，有較好的經(jīng)濟(jì)性，特別是采用溴化鋰-水作為工質(zhì)對(duì)，能滿足對(duì)安全性要求很高的空調(diào)裝置，是一種較為理想的工質(zhì)對(duì)。

　　其三是自動(dòng)化控制系統(tǒng)，即對(duì)裝置的各種工作參數(shù)進(jìn)行控制和安全保護(hù)的控制系統(tǒng)。以熱管為太陽能集熱管，溴化鋰-水為工質(zhì)對(duì)的吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)，不管是作為制冷量大的大型空調(diào)，還是作為家用空調(diào)都有著現(xiàn)實(shí)意義和發(fā)展前途，特別是目前人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，對(duì)環(huán)境的要求越來越高，無污染、低能耗、利用太陽能作為動(dòng)力的空調(diào)將會(huì)受到人們的青睞。

　　(二)工作原理

　　1、熱管式集熱管的工作原理

　　當(dāng)陽光射在真空管內(nèi)的吸熱片上，熱管內(nèi)的工質(zhì)受熱沸騰汽化，蒸汽不斷沖向頂部的冷凝端，在冷凝端冷凝變成液體，冷凝的工質(zhì)沿管壁流回?zé)峁艿恼舭l(fā)段，完成一個(gè)循環(huán)。這種在一端吸熱汽化而在另一端凝結(jié)放熱，通過內(nèi)部相變實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的熱管，習(xí)慣稱為重力熱管。熱管的內(nèi)部沒有吸熱芯，凝結(jié)的液體從凝結(jié)段回流到蒸發(fā)段是依靠凝結(jié)液自身的重力，不需要外部動(dòng)力而自動(dòng)循環(huán)，這就是熱管式真空管的集熱過程。由于熱管是依靠重力使工質(zhì)循環(huán)的，在使用中必須將蒸發(fā)段置于凝結(jié)段的下方。若蒸發(fā)段置于凝結(jié)段的上方，重力對(duì)凝結(jié)液的回流會(huì)起阻礙作用，這時(shí)沒有動(dòng)力使凝結(jié)液返回到蒸發(fā)段，熱管就不能工作。所以熱管也可以稱之為單向傳熱的熱二極管。熱管的這種特性非常適用于太陽能集熱器，(環(huán)球網(wǎng)校暖通工程師頻道整理太陽能發(fā)展相關(guān)考點(diǎn))它可以將吸收的太陽能熱量傳送至水箱，將水加熱，而反向不可逆。也就是說，白天吸熱，晚上不放熱。這對(duì)減少集熱器的熱損失，提高集熱器的保溫性能是十分有益的。

　　于熱管主要依靠工質(zhì)相變時(shí)吸收和釋放潛熱以及蒸汽流動(dòng)傳輸熱量，而大多數(shù)工質(zhì)的汽化潛熱是很大的，因此不需要很大的蒸發(fā)量就能傳遞大量的熱。當(dāng)蒸汽處于飽和狀態(tài)，其流動(dòng)和相變時(shí)的溫差很小，而管壁又比較薄，故熱管的表面溫度梯度很小。當(dāng)熱流密度很低時(shí)，可以得到高度等溫的表面，提高導(dǎo)熱系數(shù)。熱管的安裝傾角對(duì)傳熱性能有一定的影響。對(duì)于一定的充液比，當(dāng)傾角較小時(shí)，傳熱率隨傾角的變化迅速上升;當(dāng)超過某一傾角時(shí)，傳熱率的變化變得很平坦，傾角對(duì)傳熱率的影響較小。當(dāng)傾角為20°～ 45°時(shí)，傳熱效率最高，其中以 40°時(shí)為最佳。熱管安裝傾角范圍由當(dāng)?shù)氐乩砭暥葲Q定，而在我國境內(nèi)，從廣州到哈爾濱的緯度為N23°～N45°，傾角均在傳熱效率高的范圍內(nèi)，這對(duì)于熱管作為集熱器是十分有利的，可以最大限度地提高熱管的傳熱效率。熱管具有啟動(dòng)工作溫度低、熱損少、管內(nèi)不結(jié)垢、不炸管、全年使用不結(jié)凍、集熱效率高、使用壽命長等特點(diǎn)。

　　2、溴化鋰水溶液(LiBr-H2O)吸收式制冷裝置的工作原理

　　當(dāng)發(fā)生器中的溶液被工作蒸汽或熱水加熱后，由于水的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于溴化鋰，因此，溶液中的水分就會(huì)不斷地蒸發(fā)出來，成為制冷劑水蒸汽，同時(shí)使發(fā)生器中剩余溶液的濃度增高。制冷劑水蒸汽經(jīng)分離器將其夾帶的液滴分離后進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻，凝結(jié)成制冷劑水，再經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓，然后進(jìn)入蒸發(fā)器中蒸發(fā)汽化，吸取蒸發(fā)器管中冷媒水的熱量，使冷媒水的溫度降低，產(chǎn)生冷效應(yīng)。為使水蒸汽還原成液態(tài)，同時(shí)也為了使發(fā)生器中由于析出了水分而濃縮的溶液(濃溶液)能繼續(xù)發(fā)揮作用，就需將發(fā)生器中的濃溶液和蒸發(fā)器中生成的水蒸汽部分送進(jìn)吸收器中，并用冷卻水降低它們的溫度，使得濃溶液具備“吸收”水分的條件。于是，當(dāng)水蒸汽與濃溶液接觸時(shí)，水蒸汽便被吸收，同時(shí)使?jié)馊芤鹤兂蔀橄∪芤?。然后由溶液泵加壓，再送回發(fā)生器中加熱，從而完成一個(gè)封閉的制冷循環(huán)。

　　溴化鋰是一種無色粒狀的結(jié)晶鹽，性質(zhì)穩(wěn)定，在大氣中不易變質(zhì)不易分解，沸點(diǎn)很高(1265 ℃)，極易溶于水中，其水溶液具有強(qiáng)烈的吸濕性，而且，在常溫下飽和溴化鋰水溶液的濃度達(dá) 60% ，濃度越大，溫度越低，吸濕能力越強(qiáng)。溴化鋰在空氣中對(duì)鋼鐵有很強(qiáng)的腐蝕作用，但在真空狀態(tài)下加入緩蝕劑，基本上不腐蝕金屬。以溴化鋰-水溶液為工作對(duì)的吸收式制冷系統(tǒng)主要缺點(diǎn)是：熱效率低，冷卻水消耗量大，設(shè)備的密封性要求較高，有一定的腐蝕性。但由于可以直接利用低參數(shù)的熱源作動(dòng)力，是利用太陽能低品位熱源的理想的制冷裝置;整個(gè)機(jī)組除功率較小的屏蔽泵外，無其它運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)轉(zhuǎn)安靜，運(yùn)行時(shí)基本上沒有噪音和振動(dòng);以溴化鋰～水作為工質(zhì)對(duì)，無毒，無臭，有利于滿足環(huán)保要求;制冷機(jī)在真空狀態(tài)下進(jìn)行，無高壓爆炸危險(xiǎn);制冷量調(diào)節(jié)范圍廣，在 20% ～ 100% 的負(fù)荷內(nèi)可進(jìn)行制冷量的無級(jí)調(diào)節(jié);對(duì)外界條件變化的適應(yīng)性強(qiáng)，可在加熱蒸汽的壓力 0.2 ～ 0.8 MPa(表壓力)、冷卻水溫度 20 ～ 35 ℃、冷媒水出水溫度 5 ～ 15 ℃的范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn);機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)安裝基礎(chǔ)的要求低，無需特殊的機(jī)座;體積小，用地省，制造管理容易，維護(hù)費(fèi)用亦較低廉;運(yùn)轉(zhuǎn)十分安全。

　　3 、系統(tǒng)構(gòu)造及工作原理

　　熱管式太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)由太陽能集熱器、溴化鋰吸收制冷系統(tǒng)、數(shù)臺(tái)循環(huán)泵、蓄熱的水箱、輔助電加熱器、兩個(gè)冷卻器和連接管路等輔助器件以及控制系統(tǒng)組成。循環(huán)水由循環(huán)泵輸入水箱，熱管吸收太陽能在水箱加熱循環(huán)水，水的溫度升高，由另一臺(tái)循環(huán)泵輸送到溴化鋰吸收式制冷裝置的發(fā)生器，將熱量釋放給發(fā)生器，水返回水箱。吸收器的冷卻水由循環(huán)水泵輸送到空氣冷卻器循環(huán)冷卻，冷凝器產(chǎn)生的熱量，由另一臺(tái)循環(huán)水泵輸送到另一個(gè)空氣冷卻器(大型的可考慮用冷卻塔)。整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)由三個(gè)流通環(huán)路組成，即發(fā)生器流通環(huán)路、制冷水流通環(huán)路和冷卻水流通環(huán)路。各流通環(huán)路流量、溫度都由流量計(jì)與溫度傳感器測(cè)定。輔助電加熱器則是在夜間或集熱器工作不正常時(shí)加熱水以保證制冷效果。
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