太阳能在空调系统中的应用.docx

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太阳能在空调系统中的应用

太阳能在空调系统中的应用

第1章绪论

1.1我国的太阳能资源

我国地面接受的太阳能资源非常丰富，辐射总量为3340～8400（MJ/m2）/a，平均值为5852（MJ/m2）/a，主要分布在我国的西北、华北以及云南中部和西南部、广东广南部、福建东南部、海南岛东部和台湾西南部等地区。

太阳能高值中心（青藏高原）和低值中心（四川盆地）都处在北纬22°～35°这个条带中。

上图为我国太阳能辐射分布图。

图中将我国接收太阳辐射分为4哥等级，分别是：

非常丰富地区（Ⅰ）>6700MJ/m2；丰富地区（Ⅱ）5400～6700MJ/m2；较丰富地区（Ⅲ）4200～5400MJ/m2；较差地区（Ⅳ）<4200MJ/m2。

和地球上其他能源，特别是传统的化石能源相比，太阳能的特点是覆盖面广、无害性，相对于传统化石能源资源可以说是取之不尽、用之不竭，总量非常大；其缺点是能量密度较低（约1kW/m2）、分散、受地理位置和气候影响，存在随机性，而且只有白天有，但是随着化石资源的不断减少，大量使用化石资源带来的环境污染等，给我们开发利用太阳能资源带来了机会，当然，基于上述分析，如何实现经济大规模地利用太阳能依然是一项挑战。

（参考资料新能源概论）

1.2太阳能在建筑节能中的应用

1.2.1建筑节能的重要意义

建筑节能是指在建筑中提高能源利用效率，用有限的资源和最小的能源消费代价取得最大的经济和社会效应。

建筑节能具体是指节约采暖供热、空调制冷、采光照明以及调节室内空气、湿度、改变居室环境质量的能源消耗，还包括利用太阳能、地热（水）能源的综合技术工程。

欧美等发达国家对建筑节能方面的研究和应用开始得较早。

在国内，随着人们对环境问题的日益重视以及可持续发展理念在现代建筑设计中的体现，绿色建筑、可持续建筑、高性能建筑逐步产生。

因此在满足使用者舒适度的基础上，如何提高建筑对能源的利用效率、更好地利用自然能源、降低对外界热环境的影响，即建筑节能的问题显得日益重要。

我国地域辽阔，各地气候差异悬殊，绝大部分地区冬季寒冷，夏季炎热，温差很大。

近年来随着人民生活水平的提高和我国建筑业的快速发展，建筑耗能正在逐步提高。

作为耗能大户的建筑，其节能也就成为关系国计民生的重大问题。

而同时，由于我国节能工作起步较晚，能源浪费现象严重，建筑节能工作显得尤为突出。

1.2.2太阳能在建筑节能中的应用形式

太阳能在建筑节能中的应用形式主要有太阳能的热利用和太阳能光电技术。

目前，从我国的实际情况和居民的承受能力来看，光电技术成本过高，暂时不适合在建筑节能中应用；太阳能在建筑中的热利用便成为主要应用方式，尤其是以太阳能在建筑采暖、空调和供应热水等方面的应用为主。

1.2.2.1太阳能在采暖系统中的应用

1.2.2.1.1被动式采暖：

被动式采暖是指利用房屋结构本身完成太阳能的集热、蓄热和放热功能。

常用的被动式采暖主要有直接收益式、蓄热墙和附加阳光间3种。

直接收益式系统，是将阳光可以照射到的地面和墙体做成蓄热结构，或将太阳光直接引入室内，其结构如图1所示。

白天利用其蓄积太阳能，晚间这些表面则又成为散热表面。

由于直接收益式系统获得的太阳能有限，整幢建筑必须有良好的保温性能才能使此系统发挥作用。

蓄热墙的目的是在冬季将进人室内的太阳辐射热储存起来，当夜晚气温下降时再以对流方式逐渐地使热量释放出来。

墙体隔着一层玻璃朝向太阳，当阳．光透过玻璃照射到墙体上时，一方面墙体开始储存热量，同时处于玻璃和墙体之间的空气被加热。

上升的热气流通过墙体上方的开口进人室内，同时带动室内冷空气从墙体下方开口进人风腔，如此不断循环，使室内温度提高。

这种系统被称为“特隆比墙”。

其结构如图2所示，特点是简单、经济、实用，容易建造并且应用广泛。

附加阳光间系统和蓄热式系统接近，只不过将玻璃幕墙改做成一个阳光间，利用阳光间的热空气及蓄热的南墙来蓄积太阳能。

阳光间内的南墙可以开窗，将阳光间内的热空气导人室内。

这种系统结构简单，对建筑外立面影响小，如图3所示。

我国被动太阳房采暖节能60％一70%[I]，平均1平建筑面积每年可节约20一40kg标煤，发挥着良好的经济和社会效益。

1.2.2.1.2主动式采暖：

太阳能主动式采暖是利用太阳能集热器吸收太阳能作为采暖系统的热源，向采暖系统提供低温热水，通过室内部分的采暖系统来完成室内的加温过程，使室内温度达到设计要求门。

以太阳能水源热泵采暖系统为例：

太阳能水源热泵系统由3部分组成，即太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统。

其系统是将建筑物的消防水池作为蓄水供应系统，以解决太阳能的间歇性和不稳定性。

在我国大部分地区运用太阳能水源热泵系统，都会收到良好的节能效果，尤其是对于年太阳辐射总量较高，冬季日照率高的地区，该系统是一种理想选择。

因此，根据2种方式采暖自身的特点，室外气温较高的地区可以采取被动方式；对于夏热冬冷的地区应将主动式与被动式结合起来使用。

1.2.2.2太阳能在空调系统中的应用

目前，实现太阳能空调一般有2条途径：

一是先实现光一电转换，再以电力推动常规的压缩式制冷机制冷；二是进行光一热转换，以热能制冷。

前者系统比较简单，但成本太高，以当前太阳能电池的价格来算，在相同制冷功率情况下，其造价约为后者的4一5倍。

因此，国内外的太阳能空调系统至今仍以第2种为主，而后者又多采用吸收式制冷系统。

太阳能吸收式制冷，是利用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。

热媒水的温度越高，则制冷机的性能系数越高，这样空调系统的制冷效率也越高。

常规的吸收式空调系统主要包括吸收式制冷机、空调箱、锅炉等，而太阳能吸收式空调系统是在此基础上再增加太阳集热器、储水箱和自动控制系统。

夏季，被集热器加热的热水首先进人储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱向制冷机提供热媒水；从制冷机流出并已降温的热水流回储水箱，再由集热器加热成高温热水；制冷机产生的冷媒水通向空调箱，以达到制冷空调的目的。

冬季，同样先将集热器加热的热水进入储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱直接向空调箱提供热水，以达到供热采暖的目的。

当太阳能不能够满足要求时，可由辅助锅炉补充热量。

与常规空调相比，太阳能吸收式空调具有三大优点。

①太阳能空调的季节适应性好，也就是说，系统制冷能力随着太阳辐射能的增加而变大，而这正好与夏季人们对空调的迫切要求一致。

②传统的压缩式制冷机以氟里昂为介质，它对大气层有极大的破坏作用，而吸收式制冷机是以无毒、无害的澳化锉为介质，它对保护环境十分有利。

③同一套太阳能吸收式空调系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热水结合起来，显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性。

在强调太阳能空调优点的同时，也应看到它目前存在的局限性，因而在推广应用过程中应注意解决以下问题：

①虽然太阳能空调开始进人实用化阶段，但目前已经实现商品化的产品大都是大型的澳化铿制冷机，只适用于单位的中央空调。

对此，科研单位正在积极研究开发各种小型的溟化铿或氨水吸收式制冷机，以便与太阳集热器配套逐步进人家庭。

②虽然太阳能空调可以无偿利用太阳能资源，但由于自然条件下的太阳辐照度不高，使集热器采光面积与空调建筑面积的配比受到限制，目前只适用于层数不多的建筑。

对此，科研单位正在加紧研制可产生水蒸气的真空管集热器，以便与蒸气型吸收式制冷机结合，进一步提高集热器与空调建筑面积的配比。

③虽然太阳能空调可以大大减少常规能源的消耗，大幅度降低运行费用，但目前系统的初投资仍然偏高，只适用于有限的富裕用户。

为此，需降低现有真空管集热器的成本，使越来越多的单位和家庭具有使用太阳能空调的经济承受能力。

1.2.2.3太阳能在热水系统中的应用

太阳能在建筑热水供应中的应用以太阳能热水器为主要形式，太阳能热水器按其集热装置的不同可分为平板式热水器、闷晒式热水器、真空管热水器三大类。

经过多年的发展，真空管式太阳能热水器己经取得长足的进步，逐步占据了太阳能热水器市场的绝对主导地位。

太阳能热水器是我国太阳能利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的领域，太阳能热水器的经济、环境和社会效益都非常好。

但是仍然存在诸多问题，如太阳能设计单位和生产厂家未考虑到我国地域辽阔，不能针对不同纬度地区太阳高度角不同而设计不同采光效果的热水器；太阳能热水器未能与建筑物融为一体，造成了视觉污染等。

1.3本文的研究内容

本文主要是针对沈阳某办公楼太阳能供暖系统设计讨论太阳能在采暖系统中的应用，并进行能耗分析。

第2章太阳能热水采暖系统

2.1太阳能热水器

吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置称为“太阳能集热器”，它是构成各种太阳能热利用系统的关键部件。

太阳能集热器可以用以下多种方法进行分类。

（1）按传热介质的类型进行分类

①液体集热器——用液体作为传热介质的太阳能集热器。

②空气集热器——用空气作为传热介质的太阳能集热器。

（2）按进入采光口的太阳辐射是否改变方向进行分类

①聚光集热器——利用反射器、透镜或其他光学器件将进入采光口的太阳辐射改变方向并会聚到吸热体上的太阳能集热器。

②非聚光集热器——进入采光口的太阳辐射不改变方向也不集中射到吸热体上的太阳能集热器。

（3）按是否跟踪太阳进行分类

①跟踪集热器——以绕单轴旋转或绕双轴旋转的方式全天跟踪太阳视运动的太阳能集热器。

②非跟踪集热器——全天都不跟踪太阳视运动的太阳能集热器。

（4）按是否有真空空间进行分类

①平板集热器——吸热体表面基本上为平板形状的非聚光集热器。

②真空管集热器——采用玻璃管并在管壁和吸热体之间有真空空间的太阳能集热器。

（5）按工作温度范围进行分类

①低温集热器——工作温度在100℃以下的太阳能集热器。

②中温集热器——工作温度在100～250℃以下的太阳能集热器。

③高温集热器——工作温度在250℃以上的太阳能集热器。

2.2太阳能热水采暖系统的基本组成与工作原理

2.2.1太阳能热水采暖系统的基本组成

太阳能热水系统通常由太阳能集热器、贮水箱、连接管路、辅助加热器、控制器等部件组成。

2.2.2太阳能热水采暖系统的工作原理及运行方式

液体太阳能采暖系统的工作原理

所谓液体太用能采暖系统，就是用太阳能集热器收集太阳辐射能并转换成热能，以液体（通常是水或一种防冻液）作为传热介质，以水作为储热介质，热量经由散热部件送至室内进行采暖。

在集热器循环回路中若采用水，则在冬季夜间或阴雨雪天气都需采取防冻措施；若采用防冻液，则需在集热器和储热水箱之间采用一个液·液热交换器，将加热后防冻液的热量传递给采暖用的热水。

当储热水箱的热量不能满足需要时，则由辅助热源供给采暖负荷。

2.3太阳能热水采暖系统的发展现状

2.3.1我国太阳能热水采暖系统的发展现状

我国太阳能产业发展很快，截至2006年，我国太阳能热水器年生产能力达到1500万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达1亿平方米，生产量和使用量居世界第一。

虽然我国太阳能热水器应用已经相当广泛，但太阳能采暖工程应用却处于起步阶段，已建成的都是单体示范建筑，如北京清华阳光公司办公楼、天普新能源示范大楼等，太阳能区域供热采暖工程则还没有应用实践。

　　近年的太阳能采暖建设项目中，比较集中和有代表性的是北京周边郊区县新民居的太阳能采暖工程。

由于农村住宅相对分散，密度低，不宜采用投资大，维护水平高的集中供暖模式，而传统的燃煤取暖方式又存在效率低、污染环境、费用较高等问题，在农村推广安全环保、运行费用低的太阳能采暖系统符合新农村建设的客观要求。

太阳能采暖所需的集热面积远大于太阳能热水系统，安装位置要求较大，对于高层建筑或居住密度较大的城区存在安装建设条件不足的问题，限制了应用，而农村住宅一般建筑容积率较低，没有明显遮挡，具备建设太阳能采暖项目的良好条件。

北京平谷区新民居太阳能采暖工程项目进展较早，有很多成功应用的经验。

2.3.2国外太阳能热水