太阳能冷管空调与建筑结合的试验研究
摘要：将能够同时制冷和制热的太阳能吸附制冷管组装成单元，再将8组单元组成一个太阳能空调系统，利用该太阳能空调系统与一个坡型屋顶办公建筑结合，通过该太阳能空调系统向房间提供冷量和生活热水。对该太阳能空调与住宅建筑的能量耦合进行试验研究，得到以下结论：在太阳能辐射量为21～23MJ·m。2之间时，该太阳能空调系统可以向房间提供冷量约27MJ，最大送回风温差约为7℃，最大制冷功率约为1．1kW，同时该系统还可以向房间提供45℃热水约450ks，整体系统的COP约为0．15。该太阳能空调系统与建筑结合减少空调电力消耗约3kWh／d，减少热水耗用标准煤2．7kg／d，可以降低建筑对电力的消耗和依赖，实现构造绿色节能建筑的理念。
关键词：太阳能；冷管；吸附制冷；空调；建筑
O 引言
目前，夏季空调制冷已成为电力负荷高峰的主要因素，其消耗了大量的电力以及化石能源，将建筑和太阳能利用相结合的研究成为各国学者和研究团队较为关注的方向之一，在Freiburg一所大学医院，研究人员建立了集热面积为170m2的太阳能真空集热吸附制冷系统，系统制冷功率为70kW?；ValentinTrillat-Berdal通过将集热面积12m2太阳能集热系统与90m长的双U型地热交换热泵结合，在可以向面积为180m2的家庭建筑提供供热功率15．5kW[21；Marderos对利用太阳能向住宅提供空调负荷中太阳能辐射强度和冷负荷的同步性进行了研究，在集热器温度为80。100cC时，制冷温度可达到5。15℃；在上海的气候条件下，一个包含150m2集热面积、两个吸附制冷机组以及地热辐射采暖系统及一个2．5m3的储热水箱绿色建筑，该系统可以在冬季提供25．04kW的热量，夏季提供15．31kW的冷量。
袁莹提出了太阳能与建筑一体化的集热器构件化理念，分析了集热装置构件化的建筑实例并提出设计问题和解决方案[5]。简毅文利用DeST软件研究分析了建筑能耗、外围护结构保温性能以及太阳辐射热之间的定量关系，并提出降低全年能耗的方法[6]。刘震炎[7’81在国际上率先提出并负责研制成功了太阳能冷管并对其进行了研究，与现有的太阳能制冷系统相比，单支太阳能冷管在一根管子内完成太阳能集热及热泵与制冷循环，突破了传统的太阳能热利用方式。王如竹对一种新型的可同时供热和制冷的太阳热水器一冰箱复合机装置进行了实验研究，系统制冷COP为0．0591，制冷循环COP为0．41，该研究为利用太阳能作为驱动源进行制冷和供热的吸附式制冷装置的商品化打下了基础。
本文研究的是将太阳能吸附制冷管组成制冷制热单元，并将8个冷管单元组合在一起后向一个坡型屋顶建筑提供冷量和热水，该太阳能空调系统的特点是制冷制热均在屋顶的冷管中完成，无需其它制冷设备，通过对太阳能空调、热水系统和住宅建筑的耦合研究，以期减少建筑对电力和化石能源的消耗，建造绿色节能建筑。
1 太阳能空调、热水系统与建筑结合试验的建立
太阳能冷管根据固体吸附式制冷原理，在一根玻璃管内完成太阳能吸附、脱附制冷循环，其原理及实物照片如图1所示。太阳能冷管的核心是吸附床，由复合吸附剂整体成型在真空管内管里面。在吸附床中部埋有热量导出管，通过变化换热实现吸附剂床在阳光下高效集热与离开阳光后有效散热[10’11]。其吸附制冷制热循环过程是：白天太阳能冷管接收太阳能辐射后吸附剂温度升高开始脱附，脱附出来的制冷剂蒸汽在冷凝器冷凝成了液态并储存在蒸发器内，同时加热冷凝器连接的热水联箱内的热水。傍晚时，太阳光辐射减弱，吸附床内的吸附剂开始吸附周围的制冷剂蒸汽，同时，蒸发器内的制冷剂开始汽化，向外输出冷量，直至次日清晨为止。
单支太阳能冷管在夏季晴或有云的气候条件下，白天和夜间总共可以提供热量超过600LI，在夜间制冷过程中，提供冷量约270L1。
为用20支太阳能冷管组成的制冷供热单元原理图以及试验照片，通过连续试验其制冷制热性能，该冷管单元在夏季太阳能辐射量约为20MJ·m。2时，可以提供4MJ以上的制冷量，制冷温度约为7℃，系统的制冷系数为O．18以上。同时该单元系统白天可以提供45kg、500C以上的热水，晚上提供70kg、40℃以上的热水，共计llMJ的热量，总制热系数分别约为0．52，总热有效利用率约为0．70。
太阳能空调、热水系统与建筑结合如图3所示，图4为试验照片。试验选用的建筑为坡型屋顶，建筑房间面积约为19舒，根据空调设计规范要求[13|，整个房间的制冷功率需要约为2．8kW，太阳能空调系统无法满足其全部的制冷负荷要求，只是作为一种能量的补充，系统还可以提供热水。太阳能空调系统主要功能是：主动式向建筑供能，提供空调冷量和生活热水；被动式节能，即太阳能集热系统对建筑本身维护结构的节能维护，文献[14]表明夏季屋顶冷负荷占整个房间冷负荷的40％以上，而屋顶的太阳能冷管空调系统可以降低太阳光对屋顶的辐射量减少屋顶的冷负荷。
系统的运行过程为：清晨热水箱上水，在白天吸附床脱附过程中，热水箱内的冷水被制冷剂冷凝加热，傍晚放水储存在热水箱内；当傍晚太阳能冷管停止脱附后，重新向热水箱内的冷管中芯导热管上冷水以冷却吸附床温度，同时得到相应的生活热水；当吸附床被冷却时，吸附床开始吸附制冷剂蒸汽同时蒸发器向外界输送冷量，开启循环风机将冷管蒸发冷量传递给室内。
实验中使用的主要仪器有：Keithley公司的2700MultimetedData Acqusition system，该仪器是集数字万用表、数据采集器和程控开关于一体，内部具有标准6位半的数字万用表，高速低噪声A／D转换技术以及快速伺服响应放大器、浮动电源和极低的漂移的缓冲放大器，所提供的基于ActiveX的应用软件Xlinx可实现自由地配置系统，实现多通道数据记录，对任意指定通道进行查错，并可将数据直接转化为Microsoft Excel文件或存盘。温度感应器采用的是Ptl00热电阻以及铜．镰铜热电偶。太阳能辐射测量仪器采用的是锦州233研究所生产的trm-1型太阳能辐射测试仪。实验中各点的温度可以通过计算机及时显示并且存储在计算机硬盘中。
2 试验结果和分析
2．1太阳能辐射量
太阳辐照强度的测定是从早上7：30开始记录太阳辐射强度以及环境温度随时间的变化情况，如图5所示。太阳辐照强度每5min记录一次测量，在17：30测量结束时记录累计值。测量过程中，太阳辐照仪的探头倾角与冷管的倾角保持一致，环境温度的热电偶悬挂于台架下面的遮阳处。当日最高太阳辐射强度为925W／m2，全日累计辐射量为22．7脚。当日白天气温波动为27—34℃。
2．2太阳能空调房间送回风温度的变化
傍晚时，热水联箱加入冷却水以冷却吸附床中芯管强化制冷效果，吸附床内的吸附剂开始吸附周围的制冷剂蒸汽，此时蒸发器内的制冷剂开始汽化，向蒸发器风道输出冷量，并通过风机循环向房间送冷风，系统冷风通道截面积为0．050，风速为3．2m／8，系统冷风量为0．160，8，风机出口温度以及回风温度如图6所示，吸附制冷过程直至次日清晨为止。
在19：30左右最大送回风温差有6．70C，其中送风温度为23．1℃，回风温度为29．8。C；随着吸附的饱和，到次日晨时送风温度为25．20C，回风温度为26．8℃，送回风温差减小至1．60C。
2．3制冷功率的变化
太阳能冷管系统的制冷功率是通过房间内送风口回风口之间空气焓差计算得到的，如图7所示，从图中可以看出，在最初的20rain，由于室外气温高于室内，系统将部分热量带入室内，随着冷管制冷的强化，整个系统的制冷功率迅速升高至约1．1kW，随后随着吸附床吸附的逐渐饱和而缓慢下降至次日晨的约0．2kW。
2．4热水箱内热水温度的变化
清晨，将地下水注入热水联箱，在白天，太阳能冷管接收太阳能辐射后制冷剂开始脱附，脱附出来的制冷剂蒸汽在冷凝器冷凝成了液态，同时加热冷凝器连接的热水联箱内的热水，白天热水箱热水温度以及环境温度的变化如图8所示，热水联箱内的热水从23．8℃升高至14：30的约45．8。C，随着吸附床脱附量的减小，同时由于热水联箱本身的散热损失，水箱内的热水温度下降至17：30的约44．5℃，通过放水装置将热水储存到储热水箱内，通过一天的加热可以得到475kg生活热水。
2．5太阳能空调、热水系统的性能汇总
太阳能空调、热水系统与建筑结合的性能如表1所示，在连续试验的两天内，当太阳能辐射量在2l一23MJ·m。2之间时，该空调系统可以提供26．7—27．5MJ的制冷量，系统COP约为0．15，每日可以节省空调电力消耗约3kWh；同时每El提供450kg以上约45℃生活热水，每日节省加热用标准煤约2．7kg。
3 结论
将太阳能冷管组成制冷制热单元并将8个单元组合后与—个坡型屋顶建筑结合，通过该太阳能复合系统向房间提供冷量和生活热水，通过夏季连续典型天气状况下的实验(太阳能辐射量在21。23m·m‘2之问时)，可得到以下结论：
1)太阳能冷管空调系统在夜间可以向房间内送冷风，最大送回风温度差约为7℃，至次日晨，送回风温度差约为1．50C；
2)整个太阳能空调系统的制冷功率最大值约为1．1kW，至次日晨制冷功率约为0．2kW，系统COP值约为0．15；
3)白天太阳能热水联箱可以提供生活热水450kg以上，热水温度约为450C；
4)连续两天的试验表明该太阳能空调系统可以提供冷量约27w，热量80MJ以上，每日节省空调电力消耗约3kWh，加热用标准煤约2．7kg，减少了该建筑对电力和化石能源的消耗，实现绿色节能目标。
参考文献(14条)
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