毛方+姜文雍+李芸

摘 要：公共建筑的屋顶是太阳能利用的合适场地，将太阳能集热器和吸收式制冷系统相结合，将太阳能集热器采集的中低温热源提供给吸收式制冷的的发生器，从而构成一套清洁能源利用装置。学校、医院、宾馆等对热负荷和冷负荷需求旺盛的单位是这种装置应用的最佳对象，太阳吸收式制冷空调的超低能耗和节能减排效应和当下环保政策契合度很好，是一种具有广阔前景的太阳能应用方向。

关键词：公共建筑；太阳能；吸收式制冷；空调

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.056

太阳能作为一种清洁能源，一直是新能源利用方面的热点。太阳能来源广、使用过程无二次污染、取之不尽用之不竭。太阳能低温范围的利用在我国获得了巨大的成功，但太阳能的低温范围应用主要局限于提供生活用的热水，即太阳能热水器。另一方面，即制冷应用，太阳能的利用就显得相形见绌了。制冷是公共建筑的耗能大头，每年夏季，大量的电能消耗在制冷空调的运行上面。夏季恰好又是太阳能辐射强度最高的季节，如何解决夏季太阳能辐射高峰和夏季的能耗高峰是当前公共建筑的节能减排能否收到良好效果的关键。

吸收式制冷主要利用各种来源不同的热源——工业余热、地热资源、太阳能辐射、煤炭、天然气等提供热源，作为其制冷系统发生器的热量来源[1]。其中，以溴化锂--水吸收式制冷装置技术最为成熟，应用最广泛。吸收式制冷不需要传统的蒸气压缩式制冷系统的压缩机设备，取而代之的是由发生器、溶液泵和吸收器做成的二元工质对子循环系统。该子循环系统的作用取代传统的压缩机将制冷循环的制冷剂温度和压力提升，形成制冷剂循环。

1 屋顶太阳能集热系统

公共建筑的屋顶一般为空余的平坦场地，采光条件优良，施工难度低。太阳能集热装置可根据建筑方位按最优角度布置在建筑的屋顶。目前，技术相对成熟的几种太阳能集热装置分别是：槽式太阳能集热器、塔式太阳能集热器、蝶式太阳能集热器和线性菲涅尔太阳能集热器[2]。这几种不同形式的集热器各有其适用的场地合应用条件。结合集热器本身的工作原理和溴化锂吸收式制冷对热源的温度要求，公共建筑的屋顶比较适宜采用槽式太阳能集热器。

槽式集热器主要由抛物面槽式反光镜面、真空管、机械支撑结构、连接管等组成。如图1所示，平行太阳光束以垂直于抛物镜面的方向照射到抛物槽表面时，槽式聚光器利用其抛物镜的聚焦原理将光线汇集到位于焦线的真空管接收器外表面上，经过聚焦的光线被被吸热管管壁上的选择性吸收涂层所吸收。在吸热管内部流动着传热介质，一般为导热性能良好的导热油，导热油沿流动方向连续吸收管壁上的热量，吸收能量后的导热油温度上升。一般槽式集热器可将传热介质的温度提升至250℃～300℃的温度范围。这些导热介质吸收能量温度上升后可以经连接管道串联或并联后汇合起来，进入储热装置，然后再通过热交换器将热量传递给用热设备。

整个过程主要分为采光、反射、吸收、热交换四个阶段，系统实现了光能到热能的转化过程。系统可随用热负荷的大小控制管道内导热介质的流速、进而调节其出口温度，以满足不同的太阳能吸收式制冷空调对热负荷的要求。

2 溴化锂吸收式制冷的热交换器

考虑到为发生器提供热源的是太阳能集热器，因此，需要综合考虑热能利用的有效性及换热器结构的兼容性。发生器是溴化锂吸收式制冷机的主要热量消耗装置，来自太阳能集热器的导热介质进入换热器时要充分考虑到换热面积。另一个问题是，太阳能作为一种清洁能源固然有优点，但太阳能又和当地的气候条件紧密相关。需要考虑到无光照或者光照不足条件时采用电辅热或者其他的替代热源。因此，应用于太阳能吸收式制冷的热交换器就要在结构上有所不同。一种经过改进的套管式换热器可适应这些特殊的要求。

这种套管式换热器由一根大管里面套两根小管构成，其中一根小管里面流動的是来自太阳能集热器的导热介质，另一根小管为电加热管。为了增加换热面积，导热介质管道呈螺旋形盘绕在电加热管上。大管和小管之间的空隙则是溴化锂溶液的流动区域。当光照充足时，来自太阳能集热器的导热介质携带足够的热量，通过管壁和溴化锂溶液发生热交换，溴化锂溶液被加热到预定温度后沸腾产生蒸汽；当光照不足或无光照时，启动电加热管加热溴化锂溶液。这种构造的管壳式换热器使得太阳能吸收式制冷的适用范围大大增强。同时，由于溴化锂吸收制冷机组禁止溶液在换热设备里凝固，电加热管可以有效防止系统在集热器端没有热量传递时发生事故。

3 节能前景分析

根据一般公共建筑的使用规律，它们在能耗方面表现出显著的时间和空间差异性。夏季由于空调的大范围使用，电耗显著上升。在一般公共建筑能耗分配中，照明用电、动力设备的电耗是基本是不变的，处于稳定状态。另一方面，夏季供冷、冬季供暖能耗是在一年当中随季节而波动[3]。因此，夏冬两个季节的电耗明显高于春秋两个季节，由此看出，楼宇建筑的空调能耗在建筑能耗中占有很大的比例。尤其是医院、宾馆、商场、学校等人员密集的建筑。夏季增加部分的电量占夏季总用电量的30%左右。故一般人员密集公共建筑节能的关键在于采用新型节能型空调系统。

以一个房顶面积1000平米的学生宿舍房顶为例，夏季光照充足，太阳辐射强度高，辐射功率大约1000瓦/平方米。根据光热转换效率80%、日有效光照时长6小时计算，每天该房顶面积吸收的太阳能将转化成17180000千焦的热量。相当于标准煤0.6吨，相当于4878度电产生的热量。考虑到不论是夏季的溴化锂吸收式制冷机，还是冬季楼宇的用热，太阳能产生的热量均无需经过热-电-热这一能量转化路线，而是直接的热-热转换，因此，公共建筑房顶的太阳能利用节能前景都是十分客观的。但太阳能吸收式制冷的应用也是面临诸多现实问题的，首先楼宇顶部的结构强度问题，大规模的太阳能集热装置对楼宇的结构称重提出了要求，现有的部分建筑房顶不一定考虑到过多的承重载荷。其次，太阳能吸收式制冷机组的首次投资成本明显大于普通的蒸汽压缩式制冷机组，且后期的需要合理维护，这在一定成程度上提升了使用成本[4]。

4 结论

公共建筑的房顶是一块尚未完全开发利用的能源宝地，太阳能集热技术的发展使得大规模的太阳能热力用成为可能。槽式太阳能集热系统结合建筑房顶的特点可以作为太阳能吸收式制冷的热量采集终端。溴化锂吸收式制冷的热交换器可以考虑到太阳能本身的特点，结合电热辅助措施，扩大太阳能吸收式制冷空调的应用范围。

太阳能吸收式制冷汲取了吸收式制冷对热源的宽泛要求的优点，结合现有的公共建筑的能源消费结构特点，使得太阳能吸收式制冷空调在该领域的广泛前景。

参考文献：

[1]吕斌.太阳能空调技术的现状及发展趋势 [J].节能与环保，2010（04）：46-48.

[2]陈亚平等.太阳能综合空调系统在住宅小区应用的可行性探讨[J].能源研究与利用，2007（05）：5-9.

[3]赵妍.建筑中太阳能技术应用及其开发碳减排项目的可行性分析[D].河北工业大学，2012.

[4]李玉洁.太阳能吸收式空调系统的经济性分析[J].节能技术，2009，27（05）：441-445.

课题项目：衢州职业技术学院科研计划项目“建筑房顶集中式太阳能吸收制冷技术应用研究”（项目编号：QZYZ1408）

作者简介：毛方（1984-），男，湖北咸宁人，硕士研究生，讲师，研究方向：动力机械运动学仿真分析、动力机械传热分析。