基于太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李 強(qiáng)，修 強(qiáng)，宋 柳，朱相連

（新疆太陽(yáng)能科技開(kāi)發(fā)公司，烏魯木齊 830011）

基于太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李 強(qiáng)，修 強(qiáng)，宋 柳，朱相連

（新疆太陽(yáng)能科技開(kāi)發(fā)公司，烏魯木齊 830011）

目前，太陽(yáng)能主要應(yīng)用于光熱低溫領(lǐng)域，雖然規(guī)避了種種關(guān)鍵技術(shù)壁壘，卻存在許多潛在問(wèn)題。因此，本文利用系統(tǒng)原理圖和控制原理圖，測(cè)算空氣集熱器的換熱效率，研究了基于太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施的可行性。研究表明，基于空氣集熱系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)以成熟的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行功能提升與優(yōu)化，該系統(tǒng)具有成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，具備較高的可行性，市場(chǎng)前景廣闊。

空氣集熱器；太陽(yáng)能；換熱

近年來(lái)，太陽(yáng)能光熱利用已迎來(lái)行業(yè)的熱潮并趨于成熟，但仍有個(gè)別關(guān)鍵問(wèn)題難以攻克，如蓄能、高溫真空集熱管抗疲勞性、高溫相變介質(zhì)等。目前，光熱利用領(lǐng)域，大范圍應(yīng)用僅限于工業(yè)制蒸汽、民用熱水、輔助供熱等方面，限于光熱低溫應(yīng)用領(lǐng)域，不存在二次蓄能的中間環(huán)節(jié)，規(guī)避了以上關(guān)鍵性技術(shù)壁壘。在西北嚴(yán)寒地區(qū)，民用低溫供暖技術(shù)面臨冰凍問(wèn)題，人們卻難以解決[1]。由于集熱管換熱介質(zhì)為水，冬季夜間氣溫驟降，致使集熱管冰凍炸裂，蓄水箱漏水等諸多問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。采取的電伴熱帶輔助防凍措施，從根本上解決不了問(wèn)題，且得不償失，如果停電就會(huì)對(duì)集熱系統(tǒng)造成致命破壞。

基于以上問(wèn)題，本文提出利用空氣作為取熱介質(zhì)，通過(guò)空氣換熱，收集熱量，直接將換熱后的空氣供給到采暖區(qū)域，實(shí)現(xiàn)供暖的目的；并結(jié)合該系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了功能拓展，在系統(tǒng)中離心風(fēng)機(jī)后端嵌入水冷機(jī)組，通過(guò)風(fēng)閥的切換可實(shí)現(xiàn)夏季供冷的目的。因此，基于太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供熱的功能，由于添置設(shè)備少，可對(duì)現(xiàn)有單一空氣供暖系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提升現(xiàn)有系統(tǒng)使用功能，有效提高空氣集熱系統(tǒng)的利用率。

1 系統(tǒng)原理圖

本太陽(yáng)能空氣集熱空調(diào)系統(tǒng)，主要設(shè)備包括：集熱器陣列、離心風(fēng)機(jī)、空氣換熱器、新風(fēng)入口、室內(nèi)出風(fēng)口、室內(nèi)回風(fēng)口和風(fēng)閥等。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能空氣集熱空調(diào)系統(tǒng)原理

整個(gè)系統(tǒng)按功能劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)，為熱風(fēng)系統(tǒng)和冷風(fēng)系統(tǒng)，熱風(fēng)系統(tǒng)依靠風(fēng)機(jī)強(qiáng)制給空氣集熱器送風(fēng)，通過(guò)空氣流將集熱器內(nèi)的熱量置換出來(lái)，經(jīng)輸送管路送入室內(nèi)進(jìn)行供暖。而冷風(fēng)系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)輸送的空氣送入空氣換熱器，使熱空氣降溫后，送入室內(nèi)。新風(fēng)入口與回風(fēng)口，交替開(kāi)啟，既能保證室內(nèi)熱平衡，又能給室內(nèi)補(bǔ)充新鮮的空氣。

2 控制原理

本太陽(yáng)能空氣集熱空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為兩種控制模式，即夏季冷風(fēng)模式與冬季熱風(fēng)模式?；谠撓到y(tǒng)定位為民用，整個(gè)系統(tǒng)的智能化控制要求較高，既能滿足功能需要又能保證價(jià)格低廉、穩(wěn)定，所以其控制部件選用市面上的工業(yè)級(jí)溫控器，就可以滿足控制要求。其控制原理圖如圖2所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)，處于室內(nèi)溫度自平衡控制模式。當(dāng)冬季需要采暖時(shí)，室內(nèi)溫控器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度小于預(yù)設(shè)值K1時(shí)，太陽(yáng)能空氣集熱空調(diào)系統(tǒng)切換為熱風(fēng)模式?？刂葡到y(tǒng)開(kāi)始讀取集熱器溫度，當(dāng)讀取的溫度大于預(yù)設(shè)值時(shí)，電動(dòng)風(fēng)閥切換，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，將熱風(fēng)送入室內(nèi)。若讀取的集熱器溫度小于預(yù)設(shè)值時(shí)，熱風(fēng)模式處于待機(jī)狀態(tài)。夏季運(yùn)行時(shí)，當(dāng)室內(nèi)溫度大于預(yù)設(shè)值K1時(shí)，太陽(yáng)能空氣集熱空調(diào)系統(tǒng)切換為冷風(fēng)模式，電動(dòng)風(fēng)閥進(jìn)行切換，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，空氣換熱器啟動(dòng)，制冷后的空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制送入室內(nèi)，進(jìn)行夏季室內(nèi)空調(diào)。在上述兩種模式下運(yùn)行時(shí)，回風(fēng)口與新風(fēng)入口的電動(dòng)閥按設(shè)定時(shí)間交替進(jìn)行切換，可良好地確保室內(nèi)空氣質(zhì)量和舒適度。

圖2 控制原理圖

3 太陽(yáng)能空氣集熱器效率測(cè)試與分析

3.1 測(cè)試系統(tǒng)配置

太陽(yáng)能空氣集熱空調(diào)系統(tǒng)，其換熱介質(zhì)為空氣，由于空氣的比熱容要低于水的比熱容，所以空氣的換熱效率要低于以水為介質(zhì)的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。但由于太陽(yáng)能空氣集熱空調(diào)系統(tǒng)換熱后的空氣被直接輸送至采暖區(qū)域，所以太陽(yáng)能熱空氣的實(shí)際利用率高于以水為介質(zhì)的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)[2]。本測(cè)試系統(tǒng)利用太陽(yáng)能空氣供熱系統(tǒng)，對(duì)空氣換熱器進(jìn)行加熱，空氣換熱器通過(guò)換熱后的過(guò)熱空氣，給空氣換熱器內(nèi)部的水進(jìn)行加熱，可通過(guò)水的溫升，間接計(jì)算出太陽(yáng)能熱空氣供熱系統(tǒng)的空氣換熱效率。實(shí)際測(cè)試機(jī)組如圖3所示。

圖3 檢測(cè)控制試驗(yàn)臺(tái)

該測(cè)試房間主要設(shè)備包括氣水換熱器、檢測(cè)測(cè)試控制臺(tái)、閥門柜等，空氣集熱器設(shè)于屋頂。風(fēng)機(jī)選用250 W的離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為12 m3/min，汽水換熱器蓄水量為1.1 t，空氣集熱器選用國(guó)內(nèi)某品牌的6臺(tái)20支的熱管式空氣集熱器，其內(nèi)部設(shè)有儲(chǔ)熱棒，性能參數(shù)如表1所示。

表1 空氣集熱器規(guī)格參數(shù)

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

圖4為烏魯木齊甘泉堡工業(yè)園區(qū)在2015年（夏季）8月18日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其包括太陽(yáng)輻射與環(huán)境溫度、集熱器溫升和空氣換熱器溫升曲線圖。當(dāng)日天氣為浮塵天氣，測(cè)試用空氣換熱器蓄水量為1.1 t，屋頂實(shí)際空氣集熱器面積為24 m2。

由表1、圖4分析可知，隨著太陽(yáng)輻射值逐漸增大，集熱器溫度隨之升高，但當(dāng)太陽(yáng)輻射量減小后，集熱器降溫滯后，由于集熱器內(nèi)設(shè)有蓄熱棒原因，整個(gè)集熱器溫度降溫有所延緩，但在該時(shí)間段內(nèi)氣水換熱器的溫度一直保持良好的遞增態(tài)勢(shì)。

3.3 空氣集熱器效率測(cè)算

由公式Q1=c·m·Δt，人們可求得空氣換熱器中水獲得的熱量。式中：Q1為獲取的熱量，J；m為水的質(zhì)量，kg；c為水的比熱容，即4.2×103J/（kg·℃）；Δt為單位時(shí)間內(nèi)溫度變化值，℃。

此外，該公式可以轉(zhuǎn)化為：Q1=4.2×103×m×(t0-t1)式中，t0為初溫；t1為末溫。

通過(guò)公式μ=Q1/(S·J)·100%，人們可以計(jì)算出太陽(yáng)能熱空氣系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。式中：μ為空氣集熱器的轉(zhuǎn)換效率；S為集熱面積；J為輻射值（利用朝向與空氣集熱器相同的全輻射測(cè)試表）。

將表1數(shù)據(jù)代入以上公式可得，空氣轉(zhuǎn)換效率約為13.8%，限于本系統(tǒng)地域氣候特征及施工工藝的局限與差異（本系統(tǒng)集熱管內(nèi)設(shè)有蓄熱棒），得出的數(shù)據(jù)僅供參考。與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能以水為介質(zhì)的供暖指標(biāo)相比，太陽(yáng)能空氣集熱空調(diào)系統(tǒng)要求較低，以空氣為空調(diào)媒介的空調(diào)系統(tǒng)采暖指標(biāo)在25℃～40℃就可以達(dá)到供暖要求，而以水為介質(zhì)的供暖系統(tǒng)水溫最小要大于45℃。所以，太陽(yáng)能空氣集熱空調(diào)系統(tǒng)在冬季的應(yīng)用期要大于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，具有便于維護(hù)、故障率小、不存在蓄水升溫及利用效率高等特點(diǎn)。

4 結(jié)論

基于太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)的研究，將解決我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)、以水為導(dǎo)熱介質(zhì)的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在冬季存在的管路結(jié)冰、凍裂等問(wèn)題，同時(shí)解決了用戶夏季制冷的問(wèn)題[3]。以空氣為媒介的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)低于傳統(tǒng)以水為媒介的集熱器系統(tǒng)的換熱效率，但其利用率高，不存在室內(nèi)二次換熱，直接以熱空氣的形式輸送到采暖區(qū)域，且供暖溫度指標(biāo)相對(duì)較低。所以，基于空氣集熱系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)是建立在成熟的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)上進(jìn)行的功能提升與優(yōu)化，從系統(tǒng)原理到設(shè)備配置，該系統(tǒng)具有成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，因此具備較高的可行性與廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

1 劉慧芳，張時(shí)聰.嚴(yán)寒地區(qū)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)防凍實(shí)驗(yàn)與研究[J].暖通空調(diào)，2014，（4）：27-31.

2 張東峰，陳曉峰.高效太陽(yáng)能空氣集熱器的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30（1）：61-63.

3 洪 亮，多 吉.太陽(yáng)能空氣集熱器應(yīng)用于建筑供暖的研究[J].西藏科技，2008，（2）：36-39.

Research and Application of Air Conditioning System Based on Solar Air Heating System

Li Qiang,Xiu Qiang,Song Liu,Zhu Xianglian
(Xinjiang Solar Energy Technology Development Company,Urumqi 830011)

At present,solar energy is mainly used in the field of solar thermal and low temperature.Although it avoids all kinds of key technical barriers,there are many potential problems.Therefore,this paper uses the system schematic diagram and the control principle diagram to calculate the heat exchange efficiency of the air collector,and illustrates the feasibility of air-conditioning system based on solar air-heating system.The research shows that the air-conditioning system based on air-heating system is based on the mature solar heating system and functions are improved and optimized.The system has a mature technical foundation,high feasibility and broad market prospect.

air collector; solar energy; heat exchange

TU834

A

1008-9500(2017)11-0125-03

2017-09-28

李強(qiáng)（1984-），男，陜西咸陽(yáng)人，中級(jí)機(jī)電工程師，從事太陽(yáng)能光伏、光熱應(yīng)用研究工作。