太陽(yáng)能蓄熱式供熱能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能蓄熱式供熱能量收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能采暖和集熱聯(lián)合應(yīng)用由于通常、巨大的體積、無(wú)法比擬的能源，利用太陽(yáng)能已成為世界趨勢(shì)。由于太陽(yáng)能的分散性、不穩(wěn)定性及利用效率低、成本高等缺陷,目前對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用一般多集中在太陽(yáng)能熱水器方面,即以水作為工質(zhì)或者媒介來儲(chǔ)存太陽(yáng)能并提供生活或者工業(yè)用熱水。若利用聯(lián)合制冷供熱供暖設(shè)備將大大提高能源綜合利用率,因此隨著集熱蓄熱技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)利用聯(lián)合制冷供熱供暖設(shè)備將成為太陽(yáng)能利用方向。為解決單一系統(tǒng)效率低的問題,設(shè)計(jì)出了以太陽(yáng)能熱力驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷、供暖、供熱水聯(lián)供運(yùn)行系統(tǒng)。該裝置通過采用全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管和固液聯(lián)合蓄熱裝置對(duì)低品位的太陽(yáng)能進(jìn)行集熱、蓄熱處理,將太陽(yáng)輻射能不斷地收集,最終轉(zhuǎn)換為較高品位的熱能并存儲(chǔ),有效地解決太陽(yáng)能的分散性和不穩(wěn)定性問題,使吸收式制冷及房屋供暖成為可能。另外,針對(duì)效率低和成本高問題,該裝置對(duì)同一套設(shè)備進(jìn)行3個(gè)主體功能的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了該套設(shè)備裝置的全年綜合化利用,進(jìn)而提高了設(shè)備利用率和綜合效益,對(duì)降低成本、擴(kuò)大使用規(guī)模起到積極作用。1系統(tǒng)規(guī)劃1.1系統(tǒng)圖見圖1系統(tǒng)由3部分構(gòu)成。12太陽(yáng)能集熱蓄熱部分為系統(tǒng)儲(chǔ)能、供能;2儲(chǔ)存能量有三個(gè)功能熱力驅(qū)動(dòng)吸收式制冷、供暖、供熱水;32自動(dòng)控制和電路系統(tǒng)組成部分1.2集熱蓄熱裝置圖1所示系統(tǒng)三大主要循環(huán)回路及功能如下:回路1——以夏季運(yùn)行為主,集熱蓄熱裝置供給溴化鋰吸收式制冷裝置熱能,實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的熱力驅(qū)動(dòng);回路2——以冬季運(yùn)行為主,集熱蓄熱裝置供給房屋取暖所需熱量;回路3——全年運(yùn)行,集熱蓄熱裝置供給水箱中冷水升溫所需熱量。1.3系統(tǒng)工作原理針對(duì)因氣候等客觀原因而導(dǎo)致的集熱和蓄熱能量不足問題,該裝置增設(shè)輔助熱源。當(dāng)能量不能滿足回路中溴化鋰吸收式制冷、供暖及供熱水所需熱量時(shí),啟動(dòng)輔助熱源,此時(shí)關(guān)閉圖1中的閥門5。在以夏天為主的高溫天氣時(shí),系統(tǒng)設(shè)備主要完成回路1溴化鋰吸收式制冷和回路3供熱水,此時(shí)圖1中三通閥門6開啟1回路并關(guān)閉2回路。在以冬季為主的低溫天氣時(shí),系統(tǒng)設(shè)備主要完成回路2對(duì)房間的供暖和回路3供熱水,此時(shí)圖1中三通閥門6開啟2回路并關(guān)閉1回路。通過控制回路3中循環(huán)泵(圖1中未顯示,具體將在下述中出現(xiàn))的開閉,實(shí)現(xiàn)蓄熱器中的熱能經(jīng)過換熱器對(duì)水箱中冷水的加熱。對(duì)圖1蓄熱裝置2中的液體蓄熱器來說,當(dāng)其中液體經(jīng)太陽(yáng)能熱管加熱轉(zhuǎn)化為氣體的壓力超過設(shè)定的允許值時(shí),單向閥門4打開,氣體進(jìn)入調(diào)壓容器,進(jìn)而將液體蓄熱容器壓力降低,當(dāng)進(jìn)入調(diào)壓容器中的氣體放熱液化后再經(jīng)管道流入蓄熱容器。自動(dòng)控制裝置部分將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、適時(shí)自動(dòng)化控制,如控制系統(tǒng)圖1中的部分閥門的開閉,控制系統(tǒng)各個(gè)循環(huán)中泵或風(fēng)機(jī)的開閉和功率大小調(diào)整。2三大循環(huán)系統(tǒng)的原則2.1吸收式制冷裝置圖2中的吸收式制冷裝置為無(wú)泵型溴化鋰制冷機(jī)。整套制冷裝置除輸送冷卻水或者冷媒水及其控制部件外,不再有其他部件消耗電能。通過換熱裝置將蒸發(fā)器中的冷量送到儲(chǔ)冷裝置或者直接送入房間,此過程噪聲較小,運(yùn)行過程更具舒適感。溴化鋰吸收式制冷機(jī)的發(fā)生器中所需熱能來源于在蓄熱裝置中通過熱交換所得熱空氣所承載的熱能。如圖2所示,熱空氣通過風(fēng)機(jī)沿管路進(jìn)行輸送。該裝置在溴化鋰吸收式制冷中的運(yùn)行原理和運(yùn)行過程如下所述。傳統(tǒng)電力驅(qū)動(dòng)制冷設(shè)備,以氟氯烴化合物作為工質(zhì),對(duì)環(huán)境臭氧層造成破壞及造成溫室效應(yīng)。吸收式制冷以溴化鋰水溶液為工質(zhì),無(wú)臭、無(wú)毒,有利于達(dá)到環(huán)保要求,噪聲低,安裝方便,維護(hù)簡(jiǎn)單,該制冷方式可以利用較低溫度的低品位能源,如蓄積太陽(yáng)能而得到的低品位熱能。該裝置符合國(guó)家的環(huán)保政策要求。在夏季,全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管接收太陽(yáng)電磁輻射能,將沸點(diǎn)高于100℃的油性液體加熱成蒸氣狀態(tài),蒸氣通過管道回到蓄熱器中,將熱量傳遞給外部的礫石堆。礫石堆具有成本低廉、易于取得等優(yōu)點(diǎn),且比熱容較小,相對(duì)于水來說,易于獲得較高的溫度。當(dāng)固液聯(lián)合蓄熱裝置中的礫石堆儲(chǔ)存一定的能量且達(dá)到合適的溫度,開啟風(fēng)機(jī),同時(shí)閥門5打開,利用空氣在礫石床中加熱并達(dá)到一定的溫度時(shí),再將熱量輸送到溴化鋰吸收式制冷裝置的發(fā)生器完成換熱,供給制冷裝置所需要的驅(qū)動(dòng)熱能。最后利用冷媒水將取得的冷量送入房間,以滿足生活需要。此裝置系統(tǒng)適用于單戶家庭,尤其是廣大農(nóng)村地區(qū)。在夏天,集熱蓄熱裝置可以利用整個(gè)上午和下午蓄存的熱能,分別滿足單戶家庭中午和晚上較短時(shí)間制冷負(fù)荷所需要的驅(qū)動(dòng)熱負(fù)荷。同樣,當(dāng)太陽(yáng)能集熱蓄熱裝置所得到的熱量不能滿足運(yùn)行負(fù)荷要求時(shí),可以開啟輔助熱源。常用的輔助能源加熱形式有:內(nèi)置式電加熱器、電鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、燃煤爐等。該裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,在蓄熱裝置中的礫石堆處安裝有溫度傳感器,當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí),風(fēng)機(jī)啟動(dòng),溴化鋰吸收式制冷機(jī)開始工作,若無(wú)需利用冷量,可以加裝一個(gè)蓄冷裝置,將冷媒水的冷量存于蓄冷裝置中。當(dāng)房間需要冷量時(shí),開啟房間輸冷設(shè)備,將冷量由蓄冷裝置引入房間;當(dāng)房間溫度降低到設(shè)定值時(shí),輸冷設(shè)備關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,有利于節(jié)約能源,提高能源的利用率。2.2分布控制系統(tǒng)供暖工作過程中集熱蓄熱原理與上述一致。冬季,在房間中安裝溫度傳感器,當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí),溫度傳感器將信號(hào)傳遞給控制器,控制器控制風(fēng)機(jī)的開啟,使得空氣經(jīng)過蓄熱器中的礫石堆加熱后將高溫氣體送入房間,當(dāng)溫度達(dá)到或超過設(shè)定值時(shí),控制器使得風(fēng)機(jī)停機(jī),從而實(shí)現(xiàn)房屋供暖的自動(dòng)化控制。當(dāng)蓄熱能量不能滿足房間負(fù)荷時(shí),開啟輔助熱源。房間中的熱空氣進(jìn)口處位于房屋上端,冷空氣出口位于房屋下端。2.3液體工質(zhì)的傳熱過程供熱水工作過程中集熱蓄熱原理與上述一致。與制冷和供暖不同的是,在該加熱循環(huán)回路中,沒有將空氣作為傳熱工質(zhì),而是通過換熱管將蓄熱器中的熱量傳遞給水箱。液體工質(zhì)在管道中通過泵循環(huán)流動(dòng),在水箱中同樣安裝溫度傳感器,當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí),控制部分將泵打開,液體工質(zhì)在管內(nèi)開始循環(huán)流動(dòng),進(jìn)而完成傳熱過程,當(dāng)溫度達(dá)到或者超過設(shè)定值,控制部分使泵停機(jī)。此裝置根據(jù)實(shí)際需要,可以一年四季提供熱水。2.4控制電路系統(tǒng)感溫元件安放在房間、水箱等位置。調(diào)節(jié)對(duì)象為各個(gè)功能循環(huán)回路中的泵、風(fēng)機(jī)、開關(guān)等設(shè)備?？刂齐娐房梢詫?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化集中化控制,提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性和調(diào)節(jié)靈活性,使系統(tǒng)安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。以上三種循環(huán)所用到的控制電路部分可以集中在同一個(gè)控制面板上。3系統(tǒng)計(jì)算3.1太陽(yáng)能集熱管面積計(jì)算在吸收式制冷循環(huán)過程中,根據(jù)房間所需冷量負(fù)荷的大小q1及其溴化鋰制冷裝置的性能系數(shù)COP可以得到制冷所需熱負(fù)荷Q2=q1/COP。由熱負(fù)荷Q2,再根據(jù)太陽(yáng)能集熱管的單位面積集熱量a、集熱效率b、蓄熱裝置的蓄熱效率c,并除去系統(tǒng)的各種熱損失d,進(jìn)而計(jì)算出蓄熱裝置中蓄熱物質(zhì)的質(zhì)量M或體積V,同時(shí)可以算出所需要的太陽(yáng)能集熱管的面積S。在房間供暖循環(huán)、供熱水循環(huán)過程中,可以采用上述相同的方法,計(jì)算出太陽(yáng)能集熱管的面積S和蓄熱物質(zhì)的質(zhì)量M或體積V。通過比較各個(gè)獨(dú)立的計(jì)算數(shù)值,并根據(jù)實(shí)際需要確定系統(tǒng)最終的太陽(yáng)能集熱管的面積S和蓄熱物質(zhì)的質(zhì)量M或體積V。3.2計(jì)算系統(tǒng)造價(jià)在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析的過程中,可以利用以上數(shù)據(jù)計(jì)算出太陽(yáng)能集熱管的價(jià)格、蓄熱裝置的價(jià)格、溴化鋰制冷機(jī)的價(jià)格,及其各種管道等的價(jià)格,進(jìn)而求出系統(tǒng)總的造價(jià)。3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)若該系統(tǒng)裝置能夠得到推廣和規(guī)模應(yīng)用,可以采用先進(jìn)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件PROE對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì),以期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效能最高、造價(jià)最低。4系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)該系統(tǒng)裝置適用于單戶型家庭,要求其房屋頂部具有較為寬闊的面積。根據(jù)不同地區(qū)接受太陽(yáng)能輻射量的大小,具體使用應(yīng)因地制宜:對(duì)中原地區(qū),其氣候表現(xiàn)為冬冷夏熱,四季分明,利用該套系統(tǒng)裝置可以實(shí)現(xiàn)上述的三個(gè)循環(huán),即夏季用吸收式制冷循環(huán)、冬季房間供暖、全年供給熱水;對(duì)于東北地區(qū),夏季溫度不高,則上述系統(tǒng)裝置只需考慮冬季供暖和供熱水問題;對(duì)于華南地區(qū),冬季溫度較高,則上述系統(tǒng)裝置只需考慮夏季供冷和供熱水問題。不同使用環(huán)境下,應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)裝置及其相關(guān)部件進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì),以提高系統(tǒng)設(shè)備的適應(yīng)性。同時(shí),可以將該裝置與建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)裝置和建筑的完美結(jié)合。為延長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命,要對(duì)系統(tǒng)的電路部分作優(yōu)化設(shè)計(jì),加裝防雷設(shè)施,定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。5太陽(yáng)能在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用前景農(nóng)村地區(qū)對(duì)生活質(zhì)量的要求日益提高。與此同時(shí),傳統(tǒng)能源價(jià)格日益攀升以及社會(huì)環(huán)保