基于太阳能空气集热系统的空调系统的应用研究

李 强，修 强，宋 柳，朱相连

（新疆太阳能科技开发公司，乌鲁木齐 830011）

基于太阳能空气集热系统的空调系统的应用研究

李 强，修 强，宋 柳，朱相连

（新疆太阳能科技开发公司，乌鲁木齐 830011）

目前，太阳能主要应用于光热低温领域，虽然规避了种种关键技术壁垒，却存在许多潜在问题。因此，本文利用系统原理图和控制原理图，测算空气集热器的换热效率，研究了基于太阳能空气集热系统的空调系统实施的可行性。研究表明，基于空气集热系统的空调系统以成熟的太阳能供暖系统为基础，进行功能提升与优化，该系统具有成熟的技术基础，具备较高的可行性，市场前景广阔。

空气集热器；太阳能；换热

近年来，太阳能光热利用已迎来行业的热潮并趋于成熟，但仍有个别关键问题难以攻克，如蓄能、高温真空集热管抗疲劳性、高温相变介质等。目前，光热利用领域，大范围应用仅限于工业制蒸汽、民用热水、辅助供热等方面，限于光热低温应用领域，不存在二次蓄能的中间环节，规避了以上关键性技术壁垒。在西北严寒地区，民用低温供暖技术面临冰冻问题，人们却难以解决[1]。由于集热管换热介质为水，冬季夜间气温骤降，致使集热管冰冻炸裂，蓄水箱漏水等诸多问题时有发生。采取的电伴热带辅助防冻措施，从根本上解决不了问题，且得不偿失，如果停电就会对集热系统造成致命破坏。

基于以上问题，本文提出利用空气作为取热介质，通过空气换热，收集热量，直接将换热后的空气供给到采暖区域，实现供暖的目的；并结合该系统的特点进行了功能拓展，在系统中离心风机后端嵌入水冷机组，通过风阀的切换可实现夏季供冷的目的。因此，基于太阳能空气集热系统的空调系统就可以实现夏季供冷、冬季供热的功能，由于添置设备少，可对现有单一空气供暖系统进行升级改造，提升现有系统使用功能，有效提高空气集热系统的利用率。

1 系统原理图

本太阳能空气集热空调系统，主要设备包括：集热器阵列、离心风机、空气换热器、新风入口、室内出风口、室内回风口和风阀等。系统原理如图1所示。

图1 太阳能空气集热空调系统原理

整个系统按功能划分为两个子系统，为热风系统和冷风系统，热风系统依靠风机强制给空气集热器送风，通过空气流将集热器内的热量置换出来，经输送管路送入室内进行供暖。而冷风系统将风机输送的空气送入空气换热器，使热空气降温后，送入室内。新风入口与回风口，交替开启，既能保证室内热平衡，又能给室内补充新鲜的空气。

2 控制原理

本太阳能空气集热空调系统根据功能划分为两种控制模式，即夏季冷风模式与冬季热风模式。基于该系统定位为民用，整个系统的智能化控制要求较高，既能满足功能需要又能保证价格低廉、稳定，所以其控制部件选用市面上的工业级温控器，就可以满足控制要求。其控制原理图如图2所示。

整个控制系统，处于室内温度自平衡控制模式。当冬季需要采暖时，室内温控器实时检测室内温度，当室内温度小于预设值K1时，太阳能空气集热空调系统切换为热风模式。控制系统开始读取集热器温度，当读取的温度大于预设值时，电动风阀切换，风机启动，将热风送入室内。若读取的集热器温度小于预设值时，热风模式处于待机状态。夏季运行时，当室内温度大于预设值K1时，太阳能空气集热空调系统切换为冷风模式，电动风阀进行切换，风机启动，空气换热器启动，制冷后的空气通过风机强制送入室内，进行夏季室内空调。在上述两种模式下运行时，回风口与新风入口的电动阀按设定时间交替进行切换，可良好地确保室内空气质量和舒适度。

图2 控制原理图

3 太阳能空气集热器效率测试与分析

3.1 测试系统配置

太阳能空气集热空调系统，其换热介质为空气，由于空气的比热容要低于水的比热容，所以空气的换热效率要低于以水为介质的太阳能集热系统。但由于太阳能空气集热空调系统换热后的空气被直接输送至采暖区域，所以太阳能热空气的实际利用率高于以水为介质的太阳能供暖系统[2]。本测试系统利用太阳能空气供热系统，对空气换热器进行加热，空气换热器通过换热后的过热空气，给空气换热器内部的水进行加热，可通过水的温升，间接计算出太阳能热空气供热系统的空气换热效率。实际测试机组如图3所示。

图3 检测控制试验台

该测试房间主要设备包括气水换热器、检测测试控制台、阀门柜等，空气集热器设于屋顶。风机选用250 W的离心风机，风量为12 m3/min，汽水换热器蓄水量为1.1 t，空气集热器选用国内某品牌的6台20支的热管式空气集热器，其内部设有储热棒，性能参数如表1所示。

表1 空气集热器规格参数

3.2 测试数据分析

图4为乌鲁木齐甘泉堡工业园区在2015年（夏季）8月18日的实测数据，其包括太阳辐射与环境温度、集热器温升和空气换热器温升曲线图。当日天气为浮尘天气，测试用空气换热器蓄水量为1.1 t，屋顶实际空气集热器面积为24 m2。

由表1、图4分析可知，随着太阳辐射值逐渐增大，集热器温度随之升高，但当太阳辐射量减小后，集热器降温滞后，由于集热器内设有蓄热棒原因，整个集热器温度降温有所延缓，但在该时间段内气水换热器的温度一直保持良好的递增态势。

3.3 空气集热器效率测算

由公式Q1=c·m·Δt，人们可求得空气换热器中水获得的热量。式中：Q1为获取的热量，J；m为水的质量，kg；c为水的比热容，即4.2×103J/（kg·℃）；Δt为单位时间内温度变化值，℃。

此外，该公式可以转化为：Q1=4.2×103×m×(t0-t1)式中，t0为初温；t1为末温。

通过公式μ=Q1/(S·J)·100%，人们可以计算出太阳能热空气系统的转换效率。式中：μ为空气集热器的转换效率；S为集热面积；J为辐射值（利用朝向与空气集热器相同的全辐射测试表）。

将表1数据代入以上公式可得，空气转换效率约为13.8%，限于本系统地域气候特征及施工工艺的局限与差异（本系统集热管内设有蓄热棒），得出的数据仅供参考。与传统的太阳能以水为介质的供暖指标相比，太阳能空气集热空调系统要求较低，以空气为空调媒介的空调系统采暖指标在25℃～40℃就可以达到供暖要求，而以水为介质的供暖系统水温最小要大于45℃。所以，太阳能空气集热空调系统在冬季的应用期要大于传统的太阳能供暖系统，具有便于维护、故障率小、不存在蓄水升温及利用效率高等特点。

4 结论

基于太阳能空气集热系统的空调系统的研究，将解决我国严寒地区、以水为导热介质的太阳能集热系统在冬季存在的管路结冰、冻裂等问题，同时解决了用户夏季制冷的问题[3]。以空气为媒介的太阳能集热系统低于传统以水为媒介的集热器系统的换热效率，但其利用率高，不存在室内二次换热，直接以热空气的形式输送到采暖区域，且供暖温度指标相对较低。所以，基于空气集热系统的空调系统是建立在成熟的太阳能供暖系统上进行的功能提升与优化，从系统原理到设备配置，该系统具有成熟的技术基础，因此具备较高的可行性与广阔的应用市场。

1 刘慧芳，张时聪.严寒地区太阳能热利用系统防冻实验与研究[J].暖通空调，2014，（4）：27-31.

2 张东峰，陈晓峰.高效太阳能空气集热器的研究[J].太阳能学报，2009，30（1）：61-63.

3 洪 亮，多 吉.太阳能空气集热器应用于建筑供暖的研究[J].西藏科技，2008，（2）：36-39.

Research and Application of Air Conditioning System Based on Solar Air Heating System

Li Qiang,Xiu Qiang,Song Liu,Zhu Xianglian
(Xinjiang Solar Energy Technology Development Company,Urumqi 830011)

At present,solar energy is mainly used in the field of solar thermal and low temperature.Although it avoids all kinds of key technical barriers,there are many potential problems.Therefore,this paper uses the system schematic diagram and the control principle diagram to calculate the heat exchange efficiency of the air collector,and illustrates the feasibility of air-conditioning system based on solar air-heating system.The research shows that the air-conditioning system based on air-heating system is based on the mature solar heating system and functions are improved and optimized.The system has a mature technical foundation,high feasibility and broad market prospect.

air collector; solar energy; heat exchange

TU834

A

1008-9500(2017)11-0125-03

2017-09-28

李强（1984-），男，陕西咸阳人，中级机电工程师，从事太阳能光伏、光热应用研究工作。