CN1313784C - 基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量*** - Google Patents

基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量*** Download PDF

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Abstract

一种节能领域的基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，包括：太阳能集热***、太阳能热水供应***、太阳能地板采暖***、太阳能空调***、太阳能强化自然通风***及控制***。太阳能集热***和太阳能热水供应、地板采暖、空调、强化自然通风***以蓄热水箱为中介通过管道连接起来，控制***以工控机为核心部件，利用温度传感器的采集信号，实现对太阳能集热***以及太阳能热水供应、地板采暖、空调、强化自然通风***的控制。本发明集生活热水供应、地板采暖、空调、强化自然通风四项功能于一体，提高太阳能热利用***的设备利用率，提高***的太阳能利用率，可极大地促进太阳能建筑一体化进程，具有极大的经济和社会价值。

Description

基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***
技术领域
本发明涉及的是一种制冷技术领域的***，特别是一种基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***。
背景技术
能源问题是人类发展面临的一个重大问题，能源和环境的协调发展成为趋势。我国建筑能耗的比例已经从1978年的10％，上升到27.45％，其中采暖和空调的能耗占建筑总能耗的55％。在建筑中充分利用太阳能这种绿色的清洁能源，对减少建筑能耗、减少环境污染、改善能源结构具有重要的意义，同时为提高我国可持续发展能力提供了资源保证。当太阳辐射强、气温高的时候，人们更需要的是空调降温而不是热水，这种情况在我国南方地区尤为突出。因此，将太阳能热水***进行拓展，开发出集热水供应、采暖、空调于一体的太阳能复合能量***具有重要的意义。太阳能热水以及地板采暖技术较为成熟，太阳能空调制冷尚未在产业化突破，一般都采用溴化锂吸收式制冷机，目前的热水型(单级)吸收式制冷机要求的热源温度在88～90℃以上，这对太阳能集热器的要求比较高。与市场上普遍使用的太阳能热水器不能很好地接轨。在高温下运行太阳能的有效时间很短，一天当中只有太阳辐射很强的时候才能达到温度要求，同时太阳能集热器的热效率也会降低。此外，***投资费用高，并且由于溴化锂吸收式制冷机本身的容量限制(目前容量最小的溴化锂吸收式制冷机的制冷量也在70kW以上)，没有实用于家庭的小容量机组，基于溴化锂吸收式制冷机的太阳能空调***难以小型化(容量低至10kW以下)，无法直接应用于广大家庭的空调制冷市场。总之，造价高以及太阳能集热器的非通用性影响了太阳能吸收式空调的推广应用。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利名称为：太阳能中高温集热吸收式空调***，申请号为：01251735，该专利公开了一种太阳能中高温集热吸收式空调***。包括太阳能中高温集热装置及辅助锅炉，储热水箱中的热水夏季用于驱动吸收式制冷机组，冬季为空调器提供采暖用热水，四季供应生活热水。该专利主要针对于吸收式制冷机组而言的，没有涉及高效吸附式制冷技术在太阳能空调中的应用，另外也没有包括太阳能强化自然通风技术以及太阳能地板采暖技术。
发明内容
本发明目的是针对现有太阳能热利用***的不足，提出一种基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，使其解决上述的不足，集太阳能热水供应、空调、地板采暖、自然通风功能为一体，相对于常规太阳能热利用***，本发明具有功能齐全、太阳能利用率高、地域适应性广等突出特点，符合当前太阳能热利用***与建筑一体化的发展趋势。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：太阳能集热***、太阳能热水供应***、太阳能地板采暖***、太阳能空调***、太阳能强化自然通风***、控制***、热水循环泵、分水缸以及集水缸。其连接方式为：太阳能集热***和太阳能热水供应***、太阳能地板采暖***、太阳能空调***、太阳能强化自然通风***通过管道并联在分水缸以及集水缸之间，其中热水循环泵为太阳能热水供应***、太阳能地板采暖***、太阳能空调***、太阳能强化自然通风***的公用部件。
太阳能集热***包括：太阳能集热器阵列、集热循环泵以及蓄热水箱，三者通过管道连接在一起。以集热循环泵为动力，将蓄热水箱下部的水送入太阳能集热器阵列，加热后流回到蓄热水箱上部。为了提高集热效率，蓄热水箱可以采用分层水箱。
太阳能地板采暖***、太阳能空调***以及太阳能强化自然通风***通过管道上的阀门进行季节性切换控制，分别在夏季、冬季、过渡季运行。太阳能热水供应***全年运行，分水缸和集水缸通过管道再和蓄热水箱连接。
太阳能空调***包括高效吸附制冷机、空调末端风机盘管、冷却塔、冷却水循环泵、冷冻水循环泵。高效吸附制冷机与空调末端风机盘管通过冷冻水循环泵以及管道连接；高效吸附制冷机与冷却塔通过冷却水循环泵以及管道连接；高效吸附制冷机与蓄热水箱通过热水循环泵以及管道连接。
其中，太阳能空调***的核心部件-高效吸附制冷机是由两个单床***复合而成的双床连续制冷***，整个制冷机组由三个真空腔组成，左右为两个由吸附床、冷凝器和蒸发器组成的吸附/解吸工作腔，底部为热管隔离蒸发器的工作腔。左右两个吸附床交替进行加热解吸和冷却吸附过程，从而实现连续制冷。高效吸附制冷机由吸附床、冷凝器、蒸发器组成。两套吸附床、冷凝器和蒸发器分别设置在两个绝热保温腔体中，底部为热管隔离蒸发器的工作腔。冷却水通过管道在两个冷凝器中直通，而后可通过电动阀的切换分别进入两个吸附床；热水可通过电动阀切换分别进入两个吸附床；冷冻水在热管隔离蒸发器中循环流动，从而实现制冷。吸附式制冷机采用两床连续吸附式制冷循环，使用硅胶-水作为吸附工质对。
太阳能地板采暖***设有地板采暖盘管。蓄热水箱与地板采暖盘管通过热水循环泵以及管道连接在一起。太阳能地板采暖***还设有温控阀，连接到控制***，根据室温自动调节地板采暖盘管的流量。蓄热水箱上部的太阳能热水首先送入地板采暖盘管，地板采暖回水回到蓄热水箱下部。
太阳能强化自然通风***设有翅片管式换热器。翅片管式换热器固定在屋面通风结构的风道中。翅片管式换热器与蓄热水箱通过热水循环泵以及管道连接在一起。将太阳能热水由蓄热水箱上部送入翅片管式换热器，通过翅片管式换热器与屋面通风结构中空气之间自然对流换热，加热空气，从而诱导热压作用下的自然通风。翅片管式换热器的回水同样回到蓄热水箱下部。
太阳能热水供应***设有生活热水换热器。生活热水换热器与热水循环泵之间通过管道连接在一起。采用二次换热方式提供生活热水，以保证水质清洁。
控制***的核心部件是工控机，包括：参数采样***、集热***温差启停控制***和太阳能热水供应、地板采暖、空调、强化自然通风***的变工况控制***。参数采样***通过传感器分别和集热***温差启停控制***与变工况控制***连接在一起。
集热***温差启停控制***通过判断设置在太阳能集热器出口的温度传感器以及蓄热水箱下部的温度传感器显示值之差控制集热泵的启停。
参数采样***由太阳能集热***供回水温度和流量采样***、太阳能空调用热水、冷却水、冷冻水供回水温度和流量采样***、太阳能地板采暖用热水供回水温度和流量采样***、太阳能强化自然通风用热水供回水温度和流量采样***、生活热水换热器进出口温度和流量采样***以及环境温度、太阳辐射强度采样***组成。各采样***将温度、流量、太阳辐射强度等信号上传到工控机，工控机通过程序控制电动执行机构以及水泵、冷却塔等的运行。
太阳能热水供应、地板采暖、空调、强化自然通风***的变工况控制***包括电动调节阀、变频水泵，其中，温度传感器与电动调节阀连接，电动调节阀与变频水泵连接。根据温度传感器上传到工况机的温度信号，通过程序判断用户冷热负荷的变化，从而调节水泵流量以及阀门开度。
太阳能集热器阵列将蓄热水箱下部的水加热后，流入蓄热水箱上部，当蓄热水箱上部水温达到生活热水供应、地板采暖、空调、强化自然通风各自的热水供水设定温度时，开启热水循环泵，将蓄热水箱上部的水送入末端热利用***。随季节的变化，其流向则依***工作模式而定。如果***处于空调模式，则蓄热水箱上部的热水通入吸附式制冷机，加热一个吸附床使其解析，而另一吸附床被冷却塔提供冷却水冷却，进而吸附蒸发器中的冷剂蒸汽，蒸发器蒸发制冷，通过空调水管道为***应用场合空调器提供冷冻水以实现制冷；如果***工作于地板采暖模式，则蓄热水箱上部的水通入地板采暖分水器，由此分别送入各地板采暖盘管环路实现采暖；如果***处于强化自然通风模式，则蓄热水箱上部的水通入屋面通风结构中的翅片管式换热器，通过自然对流换热，加热风道中的空气以强化热压作用下的自然通风；生活热水模式不受季节性控制，它分别与上述三种运行模式并联，合用一台热水循环泵，在***实现季节性工况的同时，实现生活热水供应。集热***温差启停控制***具有相对独立性，它在全年均根据程序设定的温差实现集热循环泵的自动启停，同时要实现集热***冬季防冻保护以及夏季防过热保护；变工况控制***在空调模式下首先判断当前的蓄热水箱上部水温是否达到***设定的空调***开机温度，达到设定值后开启吸附式制冷机组，同时开启热水循环泵、冷却塔、冷却水循环泵、冷冻水循环泵以及空调末端装置，在空调***运行过程中，根据空调末端所服务的空间室温来控制冷冻水循环泵的流量，当蓄热水箱上部水温低于***设定的停机温度时，关闭吸附式制冷机组、同时关闭热水循环泵、冷却塔、冷却水循环泵、冷冻水循环泵以及空调末端装置；变工况控制***在地板采暖模式下根据当前蓄热水箱上部水温是否超过***设定温度来决定热水循环泵的开启，地板采暖运行过程中，根据地板采暖所服务的空间室温以及地板温度来控制地板采暖盘管环路的开度，此外，根据蓄热水箱上部水温控制地板采暖供回水管之间旁通阀的开启，以防供水温度超温，破坏地板采暖盘管；变工况控制***在太阳能强化自然通风模式下根据当前蓄热水箱上部水温与***设定值控制热水循环泵的启停；生活热水供应***的控制分别隶属于上述三种模式。另外***还包括7个水回路，即太阳能集热循环回路、供空调用热水回路、冷却水回路、冷冻水回路；地板采暖用热水回路；太阳能强化自然通风用热水回路、生活热水换热器用热水回路。
本发明首先通过太阳能集热器阵列收集太阳辐射热，并蓄存于蓄热水箱，蓄热水箱中的热水驱动高效吸附制冷机提供夏季的冷负荷，同时提供生活热水负荷；冬季，蓄热水箱中的热水直接用于提供采暖负荷及生活热水负荷，过渡季，蓄热水箱中的热水通过翅片管式换热器强化自然通风，同时提供生活热水负荷。从而太阳能复合能量***在全年均实现充分合理的利用。
本发明集太阳能热水供应、空调、地板采暖、强化自然通风于一体，实现了太阳能热利用技术的高度集成，具有环保节能、设备利用率高、太阳能利用率高、符合太阳能建筑一体化趋势等特点。据计算，在太阳能资源较好的地区，对于一组60m2的太阳能集热器阵列与固体吸附制冷机组、地板采暖、强化自然通风、热水供应相结合的太阳能复合能量***，在制冷模式中，可向用户同时提供冷负荷10kW及生活热水负荷1.5kW；在采暖模式中，***可向用户同时提供采暖热负荷及生活热水负荷18kW；在太阳能强化自然通风模式中，***可向用户同时提供强化自然通风用加热量以及生活热水负荷21kW。该太阳能复合能量***全年太阳能综合利用率可达到70％以上。
本发明采用翅片管式换热器强化自然通风，解决了过渡季节太阳能热水大量过剩的问题，在改善室内空气品质、节约通风耗能的同时，提供了一种新颖的强化自然通风设计思路。
本发明采用地板采暖盘管作为太阳能采暖***的末端设备，地板采暖要求的供水温度较低，是太阳能采暖的最佳方式。
本发明采用吸附制冷机实现太阳能***的热冷转换，突破了太阳能空调***实现产业化的技术瓶颈，具有容量小(可低至10kW以下)、驱动热源温度低、运行操作简单、易于维修等突出优点。实现制冷机组与市场上现有的常规太阳能热水器的高度匹配，具有广阔的市场前景。可广泛应用于家庭及小规模业务场所(如会所、游泳池等)的制冷、采热、通风及热水供应，推广应用具有极大的经济和社会价值。
附图说明
图1本发明***的结构示意图
图2高效固体吸附制冷机结构示意图
太阳能集热***1、太阳能热水供应***2、太阳能地板采暖***3、为太阳能空调***4、太阳能强化自然通风***5、控制***6、热水循环泵7、分水缸8、集水缸9、太阳能集热器阵列10、集热循环泵11、蓄热水箱12、生活热水换热器13、地板采暖盘管14、高效吸附制冷机15、空调末端风机盘管16、冷却塔17、冷却水循环泵18、冷冻水循环泵19、冷凝器20、蒸发器21、吸附床22、翅片管式换热器23、工控机24、参数采样***25、集热***温差启停控制***26、变工况控制***27、温控阀28、太阳能集热***供回水温度和流量采样***29、太阳能空调用热水、冷却水、冷冻水供回水温度和流量采样***30、太阳能地板采暖用热水供回水温度和流量采样***31、太阳能强化自然通风用热水供回水温度和流量采样***32、生活热水换热器进出口温度和流量采样***33、环境温度、太阳辐射强度采样***34、电动调节阀35、变频水泵36、温度传感器37。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括：太阳能集热***1、太阳能热水供应***2、太阳能地板采暖***3、太阳能空调***4、太阳能强化自然通风***5、控制***6、热水循环泵7、分水缸8以及集水缸9。其连接方式为：太阳能集热***1和太阳能热水供应***2、太阳能地板采暖***3、太阳能空调***4、太阳能强化自然通风***5通过管道并联在分水缸8以及集水缸9之间，其中热水循环泵7为太阳能热水供应***2、太阳能地板采暖***3、太阳能空调***4、太阳能强化自然通风***5的公用部件。
太阳能集热***1包括：太阳能集热器阵列10、集热循环泵11以及蓄热水箱12，三者通过管道连接，蓄热水箱12通过管道和分水缸8、集水缸9连接在一起。
太阳能热水供应***2设有生活热水换热器13，生活热水换热器13与热水循环泵7之间通过管道连接在一起。
太阳能地板采暖***3设有地板采暖盘管14，蓄热水箱12与地板采暖盘管14通过热水循环泵7以及管道连接在一起。太阳能地板采暖***3还设有温控阀28，根据室温自动调节地板采暖盘管14的流量，连接到控制***6。
太阳能空调***4包括：高效吸附制冷机15、空调末端风机盘管16、冷却塔17、冷却水循环泵18、冷冻水循环泵19。高效吸附制冷机15与空调末端风机盘管16通过冷冻水循环泵19以及管道连接在一起，高效吸附制冷机15与冷却塔17通过冷却水循环泵18以及管道连接在一起，高效吸附制冷机15与蓄热水箱12通过热水循环泵7以及管道连接在一起。
太阳能强化自然通风***5设有翅片管式换热器23。翅片管式换热器23与蓄热水箱12通过热水循环泵7以及管道连接在一起。
高效吸附制冷机15由冷凝器20、蒸发器21、吸附床22组成。两套吸附床22、冷凝器20和蒸发器21分别设置在两个绝热保温腔体中。冷却水通过管道在两个冷凝器20中直通，而后可通过电动阀的切换分别进入两个吸附床22；热水可通过电动阀切换分别进入两个吸附床22；冷冻水在热管隔离蒸发器中循环流动，从而实现制冷。吸附式制冷机15采用两床连续吸附式制冷循环，使用硅胶-水作为吸附工质对。
控制***6的核心部件是工控机24，包括：参数采样***25、集热***温差启停控制***26和太阳能热水供应、地板采暖、空调、强化自然通风***的变工况控制***27，参数采样***25通过传感器分别和集热***温差启停控制***26与变工况控制***27连接在一起。
集热***温差启停控制***26通过判断设置在太阳能集热器阵列10出口的温度传感器37以及蓄热水箱12下部的温度传感器37显示值之差控制集热循环泵11的启停。
参数采样***25由太阳能集热***供回水温度和流量采样***29、太阳能空调用热水、冷却水、冷冻水供回水温度和流量采样***30、太阳能地板采暖用热水供回水温度和流量采样***31、太阳能强化自然通风用热水供回水温度和流量采样***32、生活热水换热器进出口温度和流量采样***33以及环境温度、太阳辐射强度采样***34组成。各采用***将温度、流量、太阳辐射强度等信号上传到工控机24，工控机24通过程序控制执行部件的运行。
太阳能热水供应、地板采暖、空调、强化自然通风***的变工况控制***27包括电动调节阀35、变频水泵36，其中，温度传感器37与电动调节阀35连接，电动调节阀35与变频水泵36连接。根据温度传感器37上传到工控机24的温度信号，通过程序判断用户冷热负荷的变化，从而调节水泵流量以及阀门开度。

Claims (9)

1、一种基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，包括：太阳能集热***(1)、太阳能热水供应***(2)、太阳能空调***(4)、控制***(6)、热水循环泵(7)、分水缸(8)以及集水缸(9)，其特征在于，还包括：太阳能地板采暖***(3)、太阳能强化自然通风***(5)，组成中的六个***通过管道并联在分水缸(8)以及集水缸(9)之间，太阳能地板采暖***(3)设有地板采暖盘管(14)，太阳能集热***(1)与地板采暖盘管(14)通过热水循环泵(7)以及管道连接；太阳能空调***(4)包括：高效吸附制冷机(15)、空调末端风机盘管(16)、冷却塔(17)、冷却水循环泵(18)、冷冻水循环泵(19)，高效吸附制冷机(15)与空调末端风机盘管(16)通过冷冻水循环泵(19)以及管道连接，高效吸附制冷机(15)与冷却塔(17)通过冷却水循环泵(18)以及管道连接，高效吸附制冷机(15)与太阳能集热***(1)通过热水循环泵(7)以及管道连接；太阳能强化自然通风***(5)设有翅片管式换热器(23)，翅片管式换热器(23)与太阳能集热***(1)通过热水循环泵(7)以及管道连接。
2、根据权利要求1所述的基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，其特征是，太阳能集热***(1)包括：太阳能集热器阵列(10)、集热循环泵(11)以及蓄热水箱(12)，三者通过管道连接，蓄热水箱(12)通过管道和分水缸(8)、集水缸(9)连接在一起。
3、根据权利要求2所述的基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，其特征是，蓄热水箱(12)与地板采暖盘管(14)、高效吸附制冷机(15)、翅片管式换热器(23)均通过热水循环泵(7)以及管道连接。
4、根据权利要求1或者3所述的基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，其特征是，高效吸附制冷机(15)由冷凝器(20)、蒸发器(21)、吸附床(22)组成，两套吸附床(22)、冷凝器(20)和蒸发器(21)分别设置在两个绝热保温腔体中，高效吸附制冷机(15)采用硅胶-水作为吸附工质对。
5、根据权利要求1所述的基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，其特征是，太阳能热水供应***(2)设有生活热水换热器(13)，生活热水换热器(13)与热水循环泵(7)通过管道连接。
6、根据权利要求1所述的基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，其特征是，太阳能地板采暖***(3)还设有温控阀(28)，根据室温自动调节地板采暖盘管(14)的流量，连接到控制***(6)。
7、根据权利要求1所述的基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，其特征是，控制***(6)的核心部件是工控机(24)，包括：参数采样***(25)、集热***温差启停控制***(26)和太阳能热水供应、地板采暖、空调、强化自然通风***的变工况控制***(27)，参数采样***(25)通过传感器分别和集热***温差启停控制***(26)与变工况控制***(27)连接在一起。
8、根据权利要求7所述的基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，其特征是，集热***温差启停控制***(26)通过判断设置在太阳能集热器阵列(10)出口的温度传感器(37)以及蓄热水箱(12)下部的温度传感器(37)显示值之差控制集热循环泵(11)的启停。
9、根据权利要求7所述的基于固体吸附制冷机的太阳能复合能量***，其特征是，参数采样***(25)由太阳能集热***供回水温度和流量采样***(29)、太阳能空调用热水、冷却水、冷冻水供回水温度和流量采样***(30)、太阳能地板采暖用热水供回水温度和流量采样***(31)、太阳能强化自然通风用热水供回水温度和流量采样***(32)、生活热水换热器进出口温度和流量采样***(33)以及环境温度、太阳辐射强度采样***(34)组成，各采用***将温度、流量、太阳辐射强度信号上传到工控机(24)，工控机(24)通过程序控制执行部件的运行。
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