太陽能與傳統(tǒng)能源互補(bǔ)的空腔式毛細(xì)管網(wǎng)空調(diào)制冷供暖系統(tǒng)研究

崔秋娜, 靳俊杰, 張雪灝, 李慧濤, 張曉雅

(河南城建學(xué)院 能源與建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的追求也越來越高，配備空調(diào)夏季制冷、冬季供暖逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ钪械幕疽蟆Ｎ覈ㄖ芎恼紦?jù)了社會總能耗的28%左右[1]，而空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑能耗的60%[2]，隨著國家提出的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，空調(diào)節(jié)能顯得至關(guān)重要。

近年來，國家大力提倡利用可再生能源，以太陽能為代表的可再生能源越來越受到人們的重視。在太陽能不同形式的利用中，光熱轉(zhuǎn)換的效率最高，可達(dá)40%[3]。以太陽能熱為驅(qū)動(dòng)力的制冷技術(shù)已成為制冷空調(diào)的研究熱點(diǎn)[4]，在熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)中，以吸收式制冷技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，而溴化鋰吸收式制冷是吸收式制冷技術(shù)中使用最廣泛的一種形式[5]。

毛細(xì)管網(wǎng)因其高效節(jié)能、節(jié)省建筑空間、舒適性高、不易滲漏等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的青睞[6]，然而在夏季制冷時(shí)容易產(chǎn)生凝露問題，一直是制約其發(fā)展的重要因素，為此，國內(nèi)學(xué)者韓東太等人[7-8]利用毛細(xì)管呼吸式重力循環(huán)裝置來解決這一問題，起到一定的效果。本文提出天花板—地板空腔式毛細(xì)管網(wǎng)空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)合太陽能和傳統(tǒng)能源天然氣，利用溴化鋰制冷機(jī)組來進(jìn)行空調(diào)的制冷和供熱，不僅解決了毛細(xì)管網(wǎng)凝露問題，而且達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏季制冷時(shí)，太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水儲存在儲水罐中，達(dá)到設(shè)定的水溫即可為溴化鋰吸收式制冷機(jī)組提供熱源進(jìn)行制冷，而達(dá)不到設(shè)定溫度時(shí)，由燃?xì)獗趻鞝t補(bǔ)充熱源使水溫達(dá)到設(shè)定的要求，保證機(jī)組的正常制冷過程。制冷機(jī)組提供的冷水進(jìn)入到天花板—地板空腔式毛細(xì)管網(wǎng)末端，在空腔內(nèi)部通過軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流與毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)行對流換熱，然后再通過風(fēng)口送入到房間內(nèi)進(jìn)行制冷。

冬季供暖時(shí)，太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水儲存在儲水罐中，達(dá)到設(shè)定的水溫時(shí)即可對房間進(jìn)行供暖，而遇到陰雨天氣或者晚上儲水罐中的水溫達(dá)不到設(shè)定溫度時(shí)，通過燃?xì)獗趻鞝t加熱儲水罐中的水來提高溫度，確保供暖的正常運(yùn)行。通過儲水罐把熱水輸送到天花板—地板空腔式毛細(xì)管網(wǎng)末端，由貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行對流換熱，產(chǎn)生的熱空氣經(jīng)過風(fēng)口送入到房間內(nèi)進(jìn)行采暖。

2 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 夏季空調(diào)制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

夏季空調(diào)制冷系統(tǒng)主要包含太陽能集熱器系統(tǒng)、溴化鋰吸收式制冷機(jī)組系統(tǒng)、燃?xì)鉅t加熱系統(tǒng)以及末端毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 空調(diào)制冷系統(tǒng)示意圖

在空調(diào)房間，毛細(xì)管網(wǎng)布置在天花板腔體和地板腔體中，在天花板腔和地板腔的一側(cè)分別布置有進(jìn)風(fēng)口，另一側(cè)有出風(fēng)口，具體分布如圖2所示。

圖2 空調(diào)房間結(jié)構(gòu)示意圖

在天花板腔體中，毛細(xì)管懸空布置，上面是防潮保溫材料，下面是水槽，出現(xiàn)凝結(jié)水時(shí)，經(jīng)水槽排出；在地板腔體中，同樣懸空布置毛細(xì)管，下面是水槽，有凝結(jié)水時(shí)，通過水槽排出，上面是防潮地板。具體如圖3和圖4所示。

圖3 天花板腔體截面結(jié)構(gòu)圖

圖4 地板腔體截面結(jié)構(gòu)圖

2.2 冬季空調(diào)供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冬季空調(diào)供暖系統(tǒng)與夏季空調(diào)制冷系統(tǒng)相比，少了溴化鋰吸收式制冷機(jī)組系統(tǒng)，主要包含太陽能集熱器系統(tǒng)、燃?xì)鉅t加熱系統(tǒng)以及末端毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)等，其中毛細(xì)管網(wǎng)鋪設(shè)在天花板腔體和地板腔體中，此外還包含循環(huán)水泵、分水器、集水器及閥門等部件，如圖5所示。

圖5 空調(diào)供暖系統(tǒng)示意圖

3 空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

3.1 夏季制冷系統(tǒng)工作原理

夏季制冷時(shí)，太陽能集熱器把儲水罐中的水加熱，達(dá)到符合的溫度要求時(shí)輸送到溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，通過機(jī)組產(chǎn)生的冷水，經(jīng)過分水器送入到房間的毛細(xì)管網(wǎng)末端，進(jìn)行制冷；當(dāng)太陽光線強(qiáng)度不夠，致使儲水罐中的水溫達(dá)不到要求時(shí)，啟動(dòng)燃?xì)鉅t，對儲水罐中的水進(jìn)行加熱，補(bǔ)充熱源，從而達(dá)到所要求的水溫，然后輸送到溴化鋰吸收式制冷機(jī)組產(chǎn)生冷水，從而實(shí)現(xiàn)制冷。

當(dāng)冷水進(jìn)入到天花板腔體和地板腔體中的毛細(xì)管網(wǎng)中時(shí)，通過貫流風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，空氣流與毛細(xì)管進(jìn)行對流換熱，換熱后的冷空氣通過出風(fēng)口送到房間中，達(dá)到制冷的目的。當(dāng)毛細(xì)管表面溫度低于空氣的凝露溫度時(shí)，空氣流遇冷便會產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，凝露的水珠隨重力作用滴落在水槽中然后排出室外。此外，一部分冷量會通過地板表面和天花板的水槽表面，以冷輻射的方式釋放到房間中，進(jìn)行輻射制冷。

3.2 冬季供暖系統(tǒng)工作原理

冬季供暖時(shí)，太陽能集熱器產(chǎn)生熱水儲存在儲水罐中，達(dá)到設(shè)定的溫度要求時(shí)，通過循環(huán)水泵提供動(dòng)力，輸送到房間中的毛細(xì)管網(wǎng)末端，進(jìn)行采暖；如果太陽光線強(qiáng)度較弱，儲水罐中的水溫達(dá)不到供暖要求，則開啟燃?xì)鉅t對儲水罐中的水進(jìn)行加熱，水溫達(dá)到供暖要求后，輸送到毛細(xì)管網(wǎng)末端進(jìn)行供暖。

同制冷形式相似，當(dāng)供暖熱水輸送到天花板腔體和地板腔體中的毛細(xì)管網(wǎng)中時(shí)，同樣通過貫流風(fēng)機(jī)，使空氣與毛細(xì)管進(jìn)行對流換熱，換熱后的熱空氣通過出風(fēng)口送入到房間而達(dá)到供暖的目的。采暖時(shí)地板腔體的出風(fēng)口有別于夏季制冷時(shí)的出風(fēng)口，布置在風(fēng)道的下側(cè)，有利于減少熱量的損失。

4 系統(tǒng)可行性分析

太陽能溴化鋰吸收式空調(diào)制冷技術(shù)是目前一種比較成熟的空調(diào)節(jié)能制冷技術(shù)，也是未來空調(diào)技術(shù)發(fā)展的趨勢之一，國內(nèi)學(xué)者已做了不少的相關(guān)研究[9-11]，將得到越來越廣泛的應(yīng)用。以毛細(xì)管網(wǎng)為末端的溴化鋰吸收式制冷，用電加熱恒溫水箱模擬夏季太陽能加熱系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究表明該制冷系統(tǒng)技術(shù)是可行的[12]。

受制于毛細(xì)管網(wǎng)空調(diào)制冷的凝露問題，傳統(tǒng)手段通常依靠新風(fēng)除濕方法，確保不會凝露的干工況條件下，才能進(jìn)行制冷運(yùn)行，對控制系統(tǒng)的要求較高。目前常采取毛細(xì)管重力循環(huán)裝置來進(jìn)行制冷，雖然避免了凝露問題，但往往因鋪設(shè)面積小所需供水溫度較低、難以達(dá)到房間制冷要求。本文方案采用的天花板—地板空腔式毛細(xì)管網(wǎng)末端，同樣避免了凝露問題，且鋪設(shè)面積大，不影響美觀，可使用低品位熱能的冷、熱水來進(jìn)行制冷或供暖，節(jié)能效果較好，此外安裝了貫流風(fēng)機(jī)，強(qiáng)化了對流換熱的效果，具備一定的可行性。

5 小結(jié)

該系統(tǒng)充分利用了可再生能源太陽能，結(jié)合溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，末段采取毛細(xì)管網(wǎng)高效換熱器來進(jìn)行制冷或供暖，當(dāng)熱源不足時(shí)，利用燃?xì)獗趻鞝t燃燒傳統(tǒng)能源天然氣來補(bǔ)充熱量，達(dá)到所需求的水溫，保證了有效進(jìn)行制冷或供暖。

毛細(xì)管網(wǎng)布置在天花板—地板腔體中，腔體底部設(shè)置有水槽，當(dāng)空氣遇冷發(fā)生凝露時(shí)，滴落到水槽中排出室外，有效地解決了毛細(xì)管凝露問題；在天花板—地板腔中均布置有毛細(xì)管網(wǎng)，大大增加了鋪設(shè)面積，既增加了換熱面積，且有貫流風(fēng)機(jī)加大對流換熱作用，便于利用低品位熱能的冷、熱水，更加有利于節(jié)能。