太阳能空调/热泵系统在太阳能建筑示范工程中的应用

0引言
　　随着经济发展和人民生活水平的提高，空调和采暖能耗在我国建筑能耗中的比重大幅度地提高，逐步发展成为建筑能耗中的一个主要部分，给能源和环境带来更大的压力。而太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源，用太阳能补充常规能源驱动空调和采暖系统对于节能和环保都具有十分重要的意义。
　　“天普新能源示范大楼” 的立项就是为了探索建筑上综合利用新能源的经验，该项目得到了科技部和中国科学院的支持。大型太阳能空调／热泵系统则是该大楼的主要供能系统。本文对太阳能空调／热泵系统作详细描述，并分析系统在运行中的部分数据，以便总结经验，为推广应用打下基础。
　　1太阳能空调／热泵系统详述
　　1．1系统工作原理
　　新能源示范大楼总建筑面积 8000 m2。该楼主体建筑于2002年8月基本建成，2003年底通过验收，现已完成并投入运行。
　　本系统的目标是为满足天普新能源示范大楼夏季空调、冬季供暖的需求，系统主要由太阳能集热器阵列、溴化锂制冷机、热泵机组、蓄能水池和自动控制系统等几大部分组成。
　　
　　系统工作原理如图1所示。建筑采暖、空调期间，均优先利用太阳能为储能水池蓄能。冬季通过板式换热器将集热系统收集的热量交换给蓄能水池，达到蓄热的目的；夏季吸收式制冷机以太阳能集热系统收集的热水为热源，制造冷冻水，作为储能水池的冷源。
　　热泵作为太阳能空调的辅助系统。冬季，当水池温度低于33°C或者处于用电低谷期（ 每晚 22：00时－次日 7：00 时），热泵启动，向蓄能水池供热；夏季，当太阳能制冷无法维持水池温度 18°C时，热泵则向蓄能水池供冷，保持水池的温度。
　　过渡季节系统仅启动太阳能部分制冷、制热，并在不同的过渡季节选用不同的工作模式。春季，系统在蓄冷模式下工作，吸收式制冷机向蓄能水池提供冷冻水，降低蓄能水池的温度为夏季供冷做准备；秋季，系统转换成蓄热模式，太阳能集热系统向蓄能水池供热，提高水池的温度为冬季供暖做准备。
　　不论冬季还是夏季，空调水系统的热水和冷冻水均由蓄能水池供给。冬季，室内温度低于 18°C时大楼供能泵开启，水池向大楼供暖，当室内温度高于20°C，供能泵关闭；夏季，室内温度高于27°C时大楼供能泵开启，水池向大楼供冷，当室内温度低于23°C，供能泵关闭。建筑全年采用自然通风。
　　1．2系统详述
　　
　　集热系统总采光面积812m2 ，集热器由热管式真空管和Ｕ 型管式真空管组成。考虑到与建筑一体化问题，集热器在安装前被预制成不同的模块，Ｕ型管集热器和热管集热器由φ58×1800的真空管 分别预 制成 4000×1200mm2和2000×2400 mm2的安装模块。经过建筑部门和设计人员的精心设计，热管式集热器布置在新能源示范大楼东楼的南向坡屋顶， 型管集热器安装在新能源示范大楼西楼的南向坡屋顶 Ｕ及机房的南坡屋顶（如图2所示），各排集热器并联连接，安装倾角同北京的纬度相近，38度左右。这样布置集热器不仅可以满足集热器的安装要求，又能够保证建筑物造型美观，充分体现出太阳能与建筑一体化的特色。在夏季，与建筑结合为一体的集热器还有隔热效果，同时达到节能目的。
　　由于太阳能本身能量密度低，受时间、天气等条件限制，要使空调系统能够全天候的工作，辅助系统是必不可少的。本系统采用了一台地源热泵机组作为辅助系统。
　　冷却水系统摒弃了常规使用的冷却塔，利用距离机房不远处一水景水池作为冷却水的来源，冷却水在水池和机组之间循环。这样不仅节省了冷却塔的费用，而且与建筑和环境协调。
　　自动控制系统主要由传感器，可编程控制器（PLC）及工业控制微机3部分组成，分为自动和手动两个控制模式。为了符合各个季节系统运行的特点，自动控制模式又分为供冷、蓄冷、供热、蓄热、空挡五个运行工况。并且控制系统支持远程监控，可以通过网络从异地监视系统运行和改变操作指令，将网络等高科技引入了控制系统之中。
　　为了最大限度地利用太阳能，同时根据建筑空调的特点，系统设置了储能水池。本系统配置的储能水池比通常太阳能系统的储水箱容积要大得多，有1200m3，这是本系统设计的一大特点。蓄能水池的大容积，保证水池所蓄能量可完全满足建筑的需要；同时在建筑不需要空调的过渡季节，水池可提前蓄冷、蓄热为空调季节做准备。由于蓄能水池对太阳能的储蓄中转，集热器全年工作，利用率大大提高。蓄能水池设置在地下，传热温差远远小于与环境的温差，有利于减少储能的损失。
　　2 太阳能生活热水系统
　　大楼生活热水系统采用独立的太阳能热水系统，这样可以避免生活热水系统与空调水系统之间的切换，降低系统复杂程度。太阳能生活热水系统的储热式全玻璃真空管集热模块安装在建筑物南立面，模块在安装过程中取消常规的框架，水箱，与建筑融为一体，同时起到建筑物南立面隔热保温效果。建筑南立面共安装48个集热模块，总采光面积 206 m2 。
　　3 冬季供暖系统分析
　　3．1 冬季供暖测试数据及分析
　　采集了2004.1.1～2004.3.15的运行数据，以下列举部分数据进行分析。
　　2004.1.1～2004.3.15太阳能集热系统工作443.5小时，向地下蓄能水池储蓄能量32761.9kWh，热泵工作675h，蓄热299025 kWh。根据热泵的工作原理，可以计算得到，热泵从废热（车间冷却水）中提取能量227475 kWh，则系统利用太阳能和废热共蓄热260237.9，新能源在供暖中的比例为0.784。
　　
　　通过表1计 算得到，2004.1.1～2004.3.15系统共蓄热331787.9 kWh，消耗电能93644.5 kWh，热泵的输出对象是地下蓄能水池，所以热泵不用考虑变工况，热泵几乎都是在满负荷的条件下运行，发挥了热泵的最大效能，这和当今大多数空调机组以较低的负荷率运转相比，本身就是一种节能。虽然进入热泵冷凝器的水温有所变化，但是这对热泵的能效比并没有太大的影响，热泵的 ＥＥＲ 都可以保持在一个较高的水平。图3显示了2004.1.1～2004.3.15连续最冷7天的室内外温度对比，从图中我们可以看到，当环境温度低且有波动时，室内温度在20°C～22°C之间变化，室内温度和温度变化幅度符合设计标准，表明本系统完全可以满足建筑采暖的温度和舒适度要求。

　　
　　3.2 环境效益分析
　　分别对空调采用的几种常用的典型热源方案，即燃煤锅炉系统、燃油锅炉系统、天然气锅炉系统和太阳能空调／热泵系统进行比较，燃煤锅炉选用普通燃煤（燃料热值：２０．９ＭＪ／ｋｇ ）， 燃 油 锅 炉 以 ０＃ 柴 油 为 燃 料（ 燃 料 热 值 ：４２ＭＪ／ｋｇ ）。燃煤锅炉和燃油锅炉的效率分别取 ０．５８ 和 ０．８８。天然气锅炉效率 ０．８８，鉴于天然气热值有一定波动范围，本文取值 ４９．５ＭＪ／ｋｇ。
　　
　　各种方案单位面积采暖燃料燃烧产生的 ＣＯ２ 数量见图４。从图 ４中我们可以看出，煤燃烧释放出的 ＣＯ２ 最多，其次是柴油和天然气，太阳能系统污染排放量为零。太阳能空调热泵系统的运行仅仅使用电能，而其他几种方案除需电能外均要产生 ＣＯ２ 等温室气体，尤其是燃煤锅炉产生的氮、硫化物的污染也是不容忽视的。
　　可见用太阳能空调热泵采暖避免了燃料燃烧对大气的污染以及所产生的温室效应，其环保优势是其他几种方案所不能比拟的。
　　４ 结论
　　系统主要有以下特点：（１）将集热器预制成安装模块，实现与建筑的良好结合；（２） 利用地源热泵作为太阳能空调的辅助系统，简化了太阳能空调系统的构成，增加了太阳能空调系统的可靠性；（３）系统设置大容积地下蓄能水池，使太阳能系统全年工作成为现实，同时降低了蓄能的损失；（４）新能源利用率高，具有较强的节能优越性。在采暖季节，利用太阳能和废热的蓄热量接近总蓄热量的 ８０％ ，能耗比达到 ３．５４（５）；环境效益明显。通过与利用常规能源的采暖系统比较，具有污染排放物少等环保优势。综上所述太阳能采暖 ／ 空调系统在节能、环境安全等方面都具有优势和潜力，随着各方面技术的进一步成熟，太阳能采暖 ／ 空调系统会逐步进入实用化和商业化，成为广大暖通设计人员的另一选择。

太阳能空调技术现状趋势分析

温室效应的加剧，生活水平的提高，人类对空调的需求急剧上升。以中国为例，空调需求量从1997年的550万台增长到了1998年的660万台，1999年的需求达到了900万台。普通空调发展很快，但耗电大、热岛效应严重，太阳能空调虽然发展慢，但它以不需电能、节约能源、没有污染、工作寿命长等优点引起世界学者的重视。
　 一、太阳能空调技术的发展
　　70年代后期，世界各国对太阳能利用的研究蓬勃发展，太阳能空调技术也随之出现。人们发现太阳能空调的应用比较合理：当太阳辐射越强，天气越热的时候，太阳能空调的负荷越大，制冷效果最好。因而太阳能空调技术也引起了世界学者的广泛注意。不少科研机构、高等院校和企业纷纷投入人力和物力研制太阳能制冷（空调〕机，其中多数是小型的吸收式制冷试验样机。
　　在国外，佛罗里达大学的法伯教授就着手于这方面的研究，并投入了实际运行，他采用氨吸收式制冷机，冷却水为21℃的井水，据认为制冷系数有0.45左右。日本也报道了他们研制的太阳能供冷系统，该系统由面积32.2平方米的平板集热器，7kW的溴化锂制冷机和2.5立方米的储热水罐组成。数据表明，该系统可提供冬天供热所需的全部能量和夏天典型日内为驱动吸收式制冷机所需的能量的70%。沙特阿拉伯建设了平板集热器的太阳能空调，采用溴化锂制冷机进行制冷，并公开了其性能。
　　在国内，天津大学1975年研制的连续式氨一水吸收式太阳能制冰机，日产冰量可达5.4kg。北京师范学院（现首都师范学院等）1977年研制成功1.5m2平板型间歇式太阳能制冰机，每天可制冰6.8-8kg；1979年又研制出8m2平板型自动跟踪连续式太阳能冷藏柜。华中工学院（现华中理工大学）研制了采光面积为1.5m2，冰箱容积为70升，以氨一水为工质对的小型太阳能制冷装置，可维持冰箱0℃10小时左右。香港大学完成了太阳能吸收式空调设计、运行和在香港气候条件下的性能数据。另外，上海交通大学制冷与低温工程研究所在太阳能制冷方面作了大量的工作，并且提出了一种太阳能供热与制冷联合循环的复合机装置。1987年，中国科学院广州能源研究所与香港理工学院合作在深圳建成了一套科研与实用相结合的示范性太阳能空调与热水综合系统，集热面积共120m2，制冷能力14kw，1998年1月，中科院广州能源研究所研制成功了实用型太阳能空调热水系统，在广州江门市投入运行。其中，制冷用热水温度65℃-75℃，生活势水温度55℃-60℃，采用500平方米高效率平板集热器，一台100kW两级吸收式制冷机可满足超过600平方米的空调负荷
　　随着太阳能制冷空调关键技术的成熟，特别在太阳能集热器和制冷机方面取得了迅猛发展，太阳能空调也得到了快速发展。九十年代真空管集热器和溴化锂吸收式制冷机大量地进入了市场。真空管集热器的热水温度夏季都在85℃以上，完全能够满足太阳能空调的需要。中国科学院广州能源研究所研制的低温热水型两级吸收式制冷机，热源温度只需60℃以上，特别适合于在太阳能空调中使用。国内不少厂家也开始生产太阳能空调，例如上海中天生产小型太阳能空调，广州能源、烟台福山等生产大型太阳能空调都具有比较成熟的经验。
　 二、当前太阳能空调的技术特点
现在太阳能空调的实现方式主要有两种，一是先实现光-电转换，再用电力驱动常规压缩式制冷机进行制冷；这种实现方式原理简单、容易实现，但成本高。象青岛海尔就生产过这种太阳能冰箱和空调。二是利用太阳的热能驱动进行制冷，这种制冷方式技术要求高，但成本低、无噪音、无污染。现采用的主要是这种方式。这种方式的太阳能空调一般又可分为吸收式和吸附式两种。
　　吸收式制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术，根据吸收剂的不同，分为氨-水吸收式制冷和溴化锂-水吸收式制冷两种。它以太阳能集热器收集太阳能产生热水或热空气，再用太阳能热水或热空气代替锅炉热水输入制冷机中制冷。由于造价、工艺、效率等方面的原因，这种制冷机不宜做得太小。所以，采用这种技术的太阳能空调系统一般适用于中央空调，系统需要有一定的规模。

　　吸附式制冷技术是利用固体吸附剂对制冷剂的吸附作用来制冷，常用的有分子筛-水、活性炭-甲醇吸附式制冷。
　 三、太阳能空调技术的优势和应用前景
当前，大部分使用的空调技术是一种以电能为动力，把室内热量加以吸收排除到室外的循环系统。耗能的严重问题，在世界能源日益紧张的今天，采用更为节能的空调系统是人类的共同需要。太阳能空调解决了这个问题，它基本不用电能，运行费用低（可无运行费用），无运动部件，寿命长，无噪声。而且利用太阳能作为能源的空调系统，它的诱人之处还在于越是太阳能辐射强烈的时候，环境气温越高，人们的生活越需要空调，此时，太阳能空调的制冷能力就越强。这是人和自然和谐的理想境界。使用太阳能空调的结果，既创造了室内宜人的温度，又能降低大气的环境温度，还减弱了城市中的热岛效应。更为可取的是，它既节约了能源，还不使用破坏大气层的氟里昂等有害物质，是名副其实的绿色空调。 在节能和环境方面有很大的发展潜力。
就我国的空调行业而言，空调器的市场正处于发展和完善阶段，目前，大中城市家庭的空调器普及仅在20%以下，市场潜力十分巨大。随着人们生活水平的大幅提高，空调器已逐渐成为家庭必备的家用电器，阻碍空调进入家庭的主要矛盾是耗能和价格因素。从太阳能空调的特性和技术特点来看，太阳能空调最适合于上述矛盾的解决和应用，当前空调行业的需求也给太阳能空调技术的发展和应用带来了难得的机遇。太阳能空调技术一定有广阔的应用前景。
　　四、存在的问题及可能的解决办法
　　(1) 因受太阳能集热器的影响，太阳能空调普遍存在着效率低、价格高的问题。但是太阳能空调是建立在太阳能热水应用基础上的，太阳能空调中的太阳能集热器可以与太阳能热水器相通用，随着太阳能热水器的发展，太阳能集热器的效率也会提高；对于原来有太阳能热水器的用户可以改造，先制冷再用余热洗澡，使其有更好的经济性。
　 (2)从集热器、制冷机等相应的成本分配来看，集热温度、冷水温度及冷却水温度应各为多少，才能建立一个最为经济合理的太阳能空调系统，也是尚待解决的课题。不过我想，只要有了合适的集热器和制冷机，建立经济合理的太阳能空调系统，只是时间问题。
(3)由于太阳能的收集存在着时效问题，蓄热技术也必须得到很好地解决。现存的蓄热方法主要采用增加热水容量，增强保温效果，随着蓄热技术和蓄热载体的研究开发，太阳能空调系统的不可靠性和间断性也会有所改善。
(4)对于居住相对集中的楼房来说，集热器的安装受到很大的限制。这主要是因为太阳能空调的安装不普遍，楼房的设计没有考虑到太阳能空调，就象八十年代的太阳能热水器，安装很复杂，而现在楼房设计者想到了，太阳能热水器抬上就是。
(5)没有太阳能空调系统的计算机设计软件、控制芯片、技术标准、统一的配套设备和零部件。这是科技与市场结合的问题，需要太阳能空调形成一定的规模，占领一定的市场，还需要一定的时间和政府、科技部门的支持。
　经过几十年的发展，太阳能空调技术已经开始迈入实用化阶段，并逐渐走入了市场；科技的进步和经济的发展对能源与环境也提出了更高的要求，相信在政府和社会的大力支持下，紧紧依托太阳能热水器这个成熟的大市场，太阳能空调一定会有很大的发展。