太陽能空調系統設計探析

張倩

（貴州省建筑設計研究院有限公司 貴州貴陽 550000）

1 引言

近年來，環境污染問題逐漸成為人們和社會關注的焦點，為了保護人們的居住環境，深入推廣綠色環保節能理念，很多節能減排的措施和政策應用到各行各業中。在建筑行業，空調系統的能耗占到了建筑物總能耗的一半以上，而且隨著社會經濟的發展，呈現逐步上升的趨勢，給能源的消耗、社會環境都帶來了巨大的挑戰。利用太陽能空調系統，不僅節約了一次性能源的消耗，而且該系統具有綠色環保的特點，有效的減少了污染物的排放，實現了社會效益和經濟效益的雙豐收。因此，研究分析太陽能空調系統設計具有重要的現實意義。

2 項目簡介

某省高效圖書館項目，建筑面積為2.02萬m2，建筑每層層高為3m，建筑主體為6層，最高層為8層。在進行太陽能空調系統建設過程中，需要對1.15萬m2的空間進行空調系統設計，負荷約為1350kW。

2.1 空調方案選擇

太陽能主要的能量轉換方式有光-電和光-熱兩種。就目前太陽能技術的發展現狀來看，先對太陽能進行光電轉換，然后借助其發電產生的電力實現空調相關設備的啟用，該種技術手段還不成熟，穩定性較差，相對而言成本較高，技術還存在缺陷，不具備實用性和推廣價值。結合本工程的實際情況，對常見的太陽能空調系統的分析選擇如下：

（1）太陽能去濕冷卻：常應用在低濕度區域，主要作為建筑物的新風系統，相對設備較大，不適用本工程的實際情況；

（2）太陽能吸附式空調：機組容量較小，相關產業的支撐力量還不完善，在本工程圖書館項目中的應用還缺少成熟的應用條件；

（3）太陽能吸收式空調：現階段應用較廣泛，較成熟的太陽能空調系統，而且在應用過程中具有相類似的工程案例可供參考，因此，本工程選用太陽能吸收式空調進行圖書館太陽能空調系統的設計。

2.2 輔助能源選擇

在對太陽能空調系統進行設計過程中，輔助熱源的選擇十分重要，它有效的確保了太陽能系統的功能實現，并關系著整個系統的節能效果。一般情況下，太陽能空調系統在建設初期的投資預算較高，設計的技術也較為復雜，但隨著工程的投產運行，運行階段的整體成本支出較低，節能效果也較好。因此，在對太陽能空調系統設計過程中，為了提升空調系統的技術經濟效益最大化，應確保其可以滿足正常運行過程中的最大基本負荷，不應當以高峰值的負荷來進行太陽能空調容量的設計。

傳統的太陽能空調系統，為了確保吸收式制冷機組的長期穩定運行，選擇的輔助能源大多為燃氣鍋爐或電鍋爐，從而確保吸收式制冷機組的進口溫度，保持在穩定的狀態。但是該種系統設計方案的確定是輔助能源的應用效率降低，不符合當前綠色環保節能的社會理念。基于此背景下，本工程在進行輔助能源的設計過程中，采用了電制冷機組作為太陽能空調系統的輔助能源，從而有效的避免了因為太陽能輻照變化，給吸收式制冷機組帶來的不利影響。同時，本工程在設計過程中，還適當的增大了太陽能的熱水箱，縮小了吸收式制冷機組的容量，在確保吸收式制冷機組運行過程中的熱水供應的同時，也避免了機組間歇運作過程中，太陽能熱水有足夠的儲存空間，減少了不必要的浪費。

2.3 制冷機組與太陽能集熱器選擇

作為太陽能空調系統的核心部件，太陽能集熱器的選擇十分關鍵。其所提供的熱源溫度越高，相對應的制冷COP值也就越高。本工程結合項目的實際情況，在空調運行時期，室外溫度一般在30℃以上，所以選擇了真空管集熱器。同時為了避免在系統停止運行階段，集熱系統因為過熱出現炸管等問題，對真空管集熱器的性能指標要求有所提高，選擇了安全性最高的U形管真空管太陽能集熱器。

3 太陽能空調系統設計

3.1 太陽能集熱系統設計

根據前文的設計分析，本項目在進行太陽能空調系統設計時，選用了U形管真空管集熱器。共計選擇集熱器746組，可實現1492m2的太陽能采光。在進行太陽能集熱系統設計過程中應注意以下要點：

（1）處于同陣列內的U形管真空管集熱器，采用同程連接方式；對于處于不同陣列的集熱器，通過在回水干管連接處設置了手動平衡閥，來實現陣列間的流量平衡。

（2）由于本工程所在區域的太陽角度較高，在進行集熱器安裝過程中，敷設方式采用水平架空的方式，并為了避免惡劣天氣對集熱器造成破壞，在安裝過程中，將其隱藏在了女兒墻中。

3.2 蓄冷蓄熱系統設計

由于太陽輻照呈現出不斷變化的狀態，為了確保溴化鋰吸收式制冷機組的穩定運行，蓄冷蓄熱系統設計至關重要，它有效的緩沖了因為太陽輻照變化，對吸收式制冷機組造成的不利影響。

本工程在進行蓄冷蓄熱系統設計過程中，首先在機房內，將容量為45m3的儲熱水箱與閉式的太陽能集熱系統，以板式換熱器的方式相連。當產生的熱量首先在該水箱內進行存儲，如果水箱的最低溫度高于吸收式制冷機組的工作溫度，這是溴化鋰制冷機開始進行制冷操作，有效的避免了溴化鋰機組頻繁的啟停，對系統造成的損耗。當圖書館的太陽能空調系統停止運行過程中，相關的熱水可以在水箱中進行儲存，便于空調再次啟動時使用，減少了不必要的太陽能資源浪費。

3.3 空調系統設計

本工程的主要冷凍機房設置在了圖書館的一樓，主要組成為溴化鋰吸收式冷水機組和螺桿式冷水機組。

（1）對于冷凍水系統，設計過程中利用了二次泵系統，將冷水機組和一級泵實現了注意對應，當冷水機組運行過程中，產生了冷水，將其運輸到相應的冷水罐中進行儲存。同時根據末端系統的要求，實現二級泵變頻調節，將儲存在冷水罐中的冷凍水運輸到末端的設備。

（2）在設計過程中，還對兩臺機組設置了冷卻塔，并由機房內的相關補水定壓裝置實現對空調系統的補水定壓。

3.4 運行控制設計

本工程在進行太陽能空調系統設計過程中，一方面充分利用太陽能進行制冷，另外一方面要確保太陽能空調和電制冷空調的相互協作運行。當設備運行過程中，首先利用太陽能進行圖書館的冷量供給，如果太陽的光照不足或者負荷較大的時候，螺桿式冷水機組啟動，對冷量進行補充供給。因此，系統的運行控制如下所示：

（1）采用溫差循環控制：對圖書館屋面的集熱器出口溫度和貯熱水罐溫度進行實時的測量，如果兩者的溫度差高于5℃，則系統自動啟動太陽能集熱循環泵；如果兩者的溫度差低于2℃，則系統自動關閉太陽能集熱循環泵。

（2）對太陽能貯熱水罐水溫以及貯冷水罐回水溫度進行監測，如果太陽能貯熱水罐水溫低于75℃，或者貯冷水罐回水溫度低于10℃，這時吸收式制冷機組停止運行。如果太陽能貯熱水罐水溫高于80℃，且貯冷水罐回水溫度高于14℃，這時吸收式制冷機組開啟運行，并向貯冷水罐進行冷水的補充。

（3）如果現場檢測到末端系統設備接收到貯冷水罐的水溫高于12℃時，系統自動開啟螺桿式冷水機組進行冷量的補充。

（4）由于本工程所在區域沒有較明顯的冬季特征，所以在進行太陽能空調系統設計過程中，無需考慮防凍措施的設計。對于圖書館處于長期不允許階段（暑假），為了有效的避免太陽能集熱系統過熱造成真空管破裂，應對熱系統分水器的安全閥進行泄水處理。同時，對于非空調季時，為了避免太陽能資源的浪費，將所產生熱水共計周邊的公寓和宿舍樓，為他們提供生活熱水。

4 結束語

綜上所述，隨著科學技術的發展，太陽能資源的開發利用相關技術也日漸成熟。本文結合某市圖書館項目，對太陽能空調系統設計進行分析，從項目的實際運行情況來看，整體設計滿足了業主的要求，制冷效果良好，即充分的利用了太陽能資源，降低了污染物排放，又節約了建筑的能源消耗，符合當前綠色節能的環保理念。