赵建伟，杨　帆，戚　磊

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)



太阳能室温调节系统的研究*

赵建伟，杨帆，戚磊

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

摘要：太阳能室温调节系统主要利用太阳能对室内温度进行调节。冬季，利用太阳能集热管加热介质液，为地暖管道提供热源，进行室内供暖。夏季，利用冷水辅以储水制冷装置降低室内温度。太阳能加热的介质液作为热源推动制冷机工作，对循环水进行制冷，冷水由循环泵带动，在室内和储水装置间进行循环，从而实现居室降温效果。本系统的制冷机采用吸收式制冷机，整个制冷过程不需要电力供应，以热制冷代替了传统的以电制冷。

关键词：室温；以热制冷；介质；空气能；太阳能

夏季，使用挂式空调耗电量巨大，给电力供应带来了诸多问题，水冷空调耗电量低，但是由于现有产品功能不完善，造成的水资源浪费非常严重；冬季，太阳能热水得不到充分利用，热量散失得不到重视，而城市供暖或农村居家供暖会消耗大量的煤炭及其它不可再生资源。如今太阳能产业蓬勃发展，利用太阳能调节室内温度成为一个适宜的选择，但目前国内外尚没有集太阳能跟踪、低碳控温和以热制冷等功能于一体的系统[1]。太阳能室温调节系统充分利用了太阳能，在极大降低资源消耗的前提下可实现良好的室温调节效果。

1设计方案

冬季利用太阳能集热管加热介质液，为室内地暖管道提供热源，提高室内温度。夏季，由太阳能加热的介质液为制冷机提供热源，利用冷水辅以储水制冷装置降低室内温度。通过手机来控制介质液或冷水的流速，以实现控制调节力度的目的。系统的自动追光功能，可为系统的正常运行提供电力及热力保障。

1.1冬季供暖

系统对传统太阳能的结构进行了改造，如图1所示。在集热管内放入细金属管道，并对集热管进行密封处理，金属管道内通入导热介质，太阳能集热管收集热量后对金属管道内的导热介质进行加热，循环泵带动导热介质流动，导热介质流经浴室，可对储水桶内的水进行加热，但是不与水接触，实现太阳能基本的功能。介质液还可通过金属管道流向室内的地暖管道，地暖管道周围铺有固体储热介质，可对金属管道内导热介质携带的热量进行充分的吸收，对热量做到最大限度的利用，实现室内供暖[2]。

图1　太阳能室温调节系统供暖示意图

1.2夏季制冷

夏季制冷功能由冷水循环实现，循环水的降温采用了以热制冷的方式，功能原理如图2所示。太阳能集热管加热的介质液作为热源推动制冷机工作，对循环水进行制冷。冷水在室内和储水制冷装置间进行循环，流入室内的盘式管道，借助风机实现居室降温效果。

制冷机主要由蒸发管、扩散管、冷凝管以及液氨储存罐组成，内部为氨、氦气和水。液氨在低分压下变为氨蒸汽，向氦气中扩散形成氨、氦气的混合气体，氨溶于水后形成浓氨溶液进入蒸发管加热后氨蒸汽蒸发，发生反应一：NH4OH→NH3+H2O(放热)，进入冷凝管后，氨气冷却成氨，发生反应二：NH3+H2O→NH4OH(吸热)，实现制冷，氨水回流到储存罐，完成一次制冷循环[3]。分析整个制冷循环，可得知只需提供40 ℃的热源，即可让反应持续发生。而在夏季，太阳能集热管所加热的介质液温度绝对会高于40 ℃，所以热源完全可由介质液提供，改变了传统高能耗的以电制冷，实现了以热制冷。

图2　制冷系统示意图

1.3自动追光

自动追光功能提高了对太阳光的利用率及集热效率，为整个系统正常运行提供了电力、热力保障。同时由于保温桶与集热管分离，大大减轻了自动追光部分的重量，使得操作更加灵活，而且减小了屋顶的承载力。如图3所示，太阳能自动追踪装置由四个光敏电阻对太阳照射角度进行实时监测，利用单片机对采集到的信息进行处理，再发送指令到步进电机，即可实现集热管的升起、下落以及水平移动，即自动追光[4]。为保证自动追光的稳定性，系统在自动追光竖直结构的传动部分采用了蜗轮蜗杆，如果蜗杆蜗轮的升角小于摩擦角则蜗轮将发生自锁现象，让集热管可以随时在任意位置保持静止，这使得集热管的竖直运动更加稳定[5]。

图3　自动化追光系统结构

1.4温度调节力度

温度的调节力度可通过手机控制。由于导热介质循环系统和冷水循环系统由两个小型水泵提供循环动力，这使得我们可以通过控制介质液或水的流速来控制温度调节的力度。通过手机蓝牙向单片机发送指令，单片机接收到指令后，会对控制水泵转速的PWM数值进行相应的加减以改变其转速，实现温度的可控调节，保证了系统不会因循环系统不稳定而导致热量散失过多或者制冷效果不理想。

2节能效果对比

2.1制冷功耗对比

如表1所示，1.5匹传统空调的功率为3 200～3 600 W，耗电量高达2.2～2.6度/小时；5匹水空调(约合1.5匹传统空调)耗电部分为水泵和位于室内的风机，功率一般为75 W，总功率为150 W左右，耗电量低，在0.15度/小时左右，但是由于所用水的回灌措施不到位，造成的水资源浪费非常严重；太阳能室温调节系统采用和5匹水空调相同的循环泵和风机，功耗远低于传统空调，同时水进行循环制冷，制冷所用的制冷机无需电量供应但效果不打折扣，改善了水空调严重浪费水资源的缺点。

表1　制冷功耗对比

2.2取暖费用及耗能对比

如表2所示，冬季取暖周期以城市供暖周期为标准，选为四个月。农村取暖日均燃煤量约为3 kg，煤炭单价5元/kg，一个取暖周期的费用约为1 800元；城市供暖价格约为24元/平方米，供暖面积保守估计为60平方米，一个供暖周期的费用约为1440元；太阳能室温调节系统耗能部分仅有为介质循环提供动力的循环泵，其功率约为125 W，按每天24小时供暖，市电价格0.546 9元/度计算，一个供暖周期的费用为200元左右。另外，农村燃煤取暖和城市供暖需消耗大量化石燃料或其他不可再生资源，而太阳能室温调节系统消耗的部分电能还可由太阳能电池板提供。

表2　取暖费用及耗能对比

3创新点及优势

1) 太阳能室温调节系统大胆尝试利用太阳能集热管加热介质液，同时采用对温度要求较低的地暖为室内供暖，可大量减少因取暖而造成的不可再生资源的使用，同时降低冬季取暖费用。

2) 系统以热制冷代替了传统的以电制冷，在节约大量电力资源消耗的前提下，减少了水资源的浪费，达到了夏季室内最佳制冷效果。

3) 系统只有介质循环系统需要少量电源，同时由于对太阳能结构的改进，使得追光更加灵活，太阳能可为整个系统提供电力及热力保障，可基本实现独立工作而不需要外接电源。

4应用前景

我国是一个资源消耗大国，化石燃料的大量使用使环境遭受着严重的污染，这些现状告诉我们切实实行节能减排迫在眉睫。太阳能室温调节系统从节水节电节约资源出发而设计，摆脱了对电力的依赖，充分利用了太阳能，可在节约家庭大量资源消耗的基础上实现良好的室温调节效果，符合我国可持续发展的基本国策，应用前景可观。

参考文献

[1]刘心.我国太阳能行业的发展情况[J].科技创业月刊，2002(8)：19-20.

[2]杨启岳.组合变相储热材料应用于太阳能供暖系统[J].热力发电，2004(2)：7-9.

[3]杨思文.氨水吸收式制冷机的基础理论和设计之六：制冷循环与工作过程[J].流体机械，1990(2)：58-64.

[4]林立，张俊亮.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2012：92-94.

[5]于洪民.蜗杆蜗轮机构的自锁性[J].机械制造，1997(1)：10-11.

Research on Solar Water Temperature Regulation System

Zhao Jianwei, Yang Fan, Qi Lei

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

Abstract:Solar temperature regulation system mainly uses solar energy for indoor temperature regulation. In winter, the solar collector is used to heat medium solution, provide heat for warming the pipe and indoor heating. In summer, the cold water is used with the supplemented storage refrigeration unit to reduce the indoor temperature. The solar heated dielectric fluid as a heat source is used to promote the refrigerator work for the circulating of cooling water. The cold water is circulated between the indoor and storage devices with circulating pump and to achieve the pump cooling effect in the room. The chiller system is absorption type without power supply during the whole refrigeration process, and takes heating refrigeration instead of traditional electric refrigeration.

Key words:room temperature; cooling by heating; medium liquid; air energy; solar

收稿日期：2016-03-07

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201510448034)

作者简介：赵建伟(1994- )，男，山东临沂人，本科在校，研究方向：机械电子。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0080- 03

中图分类号：TK513

文献标识码：A