基于太陽能空氣集熱系統的空調系統的應用研究

李 強，修 強，宋 柳，朱相連

（新疆太陽能科技開發公司，烏魯木齊 830011）

基于太陽能空氣集熱系統的空調系統的應用研究

李 強，修 強，宋 柳，朱相連

（新疆太陽能科技開發公司，烏魯木齊 830011）

目前，太陽能主要應用于光熱低溫領域，雖然規避了種種關鍵技術壁壘，卻存在許多潛在問題。因此，本文利用系統原理圖和控制原理圖，測算空氣集熱器的換熱效率，研究了基于太陽能空氣集熱系統的空調系統實施的可行性。研究表明，基于空氣集熱系統的空調系統以成熟的太陽能供暖系統為基礎，進行功能提升與優化，該系統具有成熟的技術基礎，具備較高的可行性，市場前景廣闊。

空氣集熱器；太陽能；換熱

近年來，太陽能光熱利用已迎來行業的熱潮并趨于成熟，但仍有個別關鍵問題難以攻克，如蓄能、高溫真空集熱管抗疲勞性、高溫相變介質等。目前，光熱利用領域，大范圍應用僅限于工業制蒸汽、民用熱水、輔助供熱等方面，限于光熱低溫應用領域，不存在二次蓄能的中間環節，規避了以上關鍵性技術壁壘。在西北嚴寒地區，民用低溫供暖技術面臨冰凍問題，人們卻難以解決[1]。由于集熱管換熱介質為水，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題時有發生。采取的電伴熱帶輔助防凍措施，從根本上解決不了問題，且得不償失，如果停電就會對集熱系統造成致命破壞。

基于以上問題，本文提出利用空氣作為取熱介質，通過空氣換熱，收集熱量，直接將換熱后的空氣供給到采暖區域，實現供暖的目的；并結合該系統的特點進行了功能拓展，在系統中離心風機后端嵌入水冷機組，通過風閥的切換可實現夏季供冷的目的。因此，基于太陽能空氣集熱系統的空調系統就可以實現夏季供冷、冬季供熱的功能，由于添置設備少，可對現有單一空氣供暖系統進行升級改造，提升現有系統使用功能，有效提高空氣集熱系統的利用率。

1 系統原理圖

本太陽能空氣集熱空調系統，主要設備包括：集熱器陣列、離心風機、空氣換熱器、新風入口、室內出風口、室內回風口和風閥等。系統原理如圖1所示。

圖1 太陽能空氣集熱空調系統原理

整個系統按功能劃分為兩個子系統，為熱風系統和冷風系統，熱風系統依靠風機強制給空氣集熱器送風，通過空氣流將集熱器內的熱量置換出來，經輸送管路送入室內進行供暖。而冷風系統將風機輸送的空氣送入空氣換熱器，使熱空氣降溫后，送入室內。新風入口與回風口，交替開啟，既能保證室內熱平衡，又能給室內補充新鮮的空氣。

2 控制原理

本太陽能空氣集熱空調系統根據功能劃分為兩種控制模式，即夏季冷風模式與冬季熱風模式。基于該系統定位為民用，整個系統的智能化控制要求較高，既能滿足功能需要又能保證價格低廉、穩定，所以其控制部件選用市面上的工業級溫控器，就可以滿足控制要求。其控制原理圖如圖2所示。

整個控制系統，處于室內溫度自平衡控制模式。當冬季需要采暖時，室內溫控器實時檢測室內溫度，當室內溫度小于預設值K1時，太陽能空氣集熱空調系統切換為熱風模式。控制系統開始讀取集熱器溫度，當讀取的溫度大于預設值時，電動風閥切換，風機啟動，將熱風送入室內。若讀取的集熱器溫度小于預設值時，熱風模式處于待機狀態。夏季運行時，當室內溫度大于預設值K1時，太陽能空氣集熱空調系統切換為冷風模式，電動風閥進行切換，風機啟動，空氣換熱器啟動，制冷后的空氣通過風機強制送入室內，進行夏季室內空調。在上述兩種模式下運行時，回風口與新風入口的電動閥按設定時間交替進行切換，可良好地確保室內空氣質量和舒適度。

圖2 控制原理圖

3 太陽能空氣集熱器效率測試與分析

3.1 測試系統配置

太陽能空氣集熱空調系統，其換熱介質為空氣，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的太陽能集熱系統。但由于太陽能空氣集熱空調系統換熱后的空氣被直接輸送至采暖區域，所以太陽能熱空氣的實際利用率高于以水為介質的太陽能供暖系統[2]。本測試系統利用太陽能空氣供熱系統，對空氣換熱器進行加熱，空氣換熱器通過換熱后的過熱空氣，給空氣換熱器內部的水進行加熱，可通過水的溫升，間接計算出太陽能熱空氣供熱系統的空氣換熱效率。實際測試機組如圖3所示。

圖3 檢測控制試驗臺

該測試房間主要設備包括氣水換熱器、檢測測試控制臺、閥門柜等，空氣集熱器設于屋頂。風機選用250 W的離心風機，風量為12 m3/min，汽水換熱器蓄水量為1.1 t，空氣集熱器選用國內某品牌的6臺20支的熱管式空氣集熱器，其內部設有儲熱棒，性能參數如表1所示。

表1 空氣集熱器規格參數

3.2 測試數據分析

圖4為烏魯木齊甘泉堡工業園區在2015年（夏季）8月18日的實測數據，其包括太陽輻射與環境溫度、集熱器溫升和空氣換熱器溫升曲線圖。當日天氣為浮塵天氣，測試用空氣換熱器蓄水量為1.1 t，屋頂實際空氣集熱器面積為24 m2。

由表1、圖4分析可知，隨著太陽輻射值逐漸增大，集熱器溫度隨之升高，但當太陽輻射量減小后，集熱器降溫滯后，由于集熱器內設有蓄熱棒原因，整個集熱器溫度降溫有所延緩，但在該時間段內氣水換熱器的溫度一直保持良好的遞增態勢。

3.3 空氣集熱器效率測算

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為水的質量，kg；c為水的比熱容，即4.2×103J/（kg·℃）；Δt為單位時間內溫度變化值，℃。

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

通過公式μ=Q1/(S·J)·100%，人們可以計算出太陽能熱空氣系統的轉換效率。式中：μ為空氣集熱器的轉換效率；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試表）。

將表1數據代入以上公式可得，空氣轉換效率約為13.8%，限于本系統地域氣候特征及施工工藝的局限與差異（本系統集熱管內設有蓄熱棒），得出的數據僅供參考。與傳統的太陽能以水為介質的供暖指標相比，太陽能空氣集熱空調系統要求較低，以空氣為空調媒介的空調系統采暖指標在25℃～40℃就可以達到供暖要求，而以水為介質的供暖系統水溫最小要大于45℃。所以，太陽能空氣集熱空調系統在冬季的應用期要大于傳統的太陽能供暖系統，具有便于維護、故障率小、不存在蓄水升溫及利用效率高等特點。

4 結論

基于太陽能空氣集熱系統的空調系統的研究，將解決我國嚴寒地區、以水為導熱介質的太陽能集熱系統在冬季存在的管路結冰、凍裂等問題，同時解決了用戶夏季制冷的問題[3]。以空氣為媒介的太陽能集熱系統低于傳統以水為媒介的集熱器系統的換熱效率，但其利用率高，不存在室內二次換熱，直接以熱空氣的形式輸送到采暖區域，且供暖溫度指標相對較低。所以，基于空氣集熱系統的空調系統是建立在成熟的太陽能供暖系統上進行的功能提升與優化，從系統原理到設備配置，該系統具有成熟的技術基礎，因此具備較高的可行性與廣闊的應用市場。

1 劉慧芳，張時聰.嚴寒地區太陽能熱利用系統防凍實驗與研究[J].暖通空調，2014，（4）：27-31.

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

3 洪 亮，多 吉.太陽能空氣集熱器應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（1984-），男，陜西咸陽人，中級機電工程師，從事太陽能光伏、光熱應用研究工作。