趙建偉，楊　帆，戚　磊

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

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太陽能室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究*

趙建偉，楊帆，戚磊

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

摘要：太陽能室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要利用太陽能對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。冬季，利用太陽能集熱管加熱介質(zhì)液，為地暖管道提供熱源，進(jìn)行室內(nèi)供暖。夏季，利用冷水輔以儲(chǔ)水制冷裝置降低室內(nèi)溫度。太陽能加熱的介質(zhì)液作為熱源推動(dòng)制冷機(jī)工作，對(duì)循環(huán)水進(jìn)行制冷，冷水由循環(huán)泵帶動(dòng)，在室內(nèi)和儲(chǔ)水裝置間進(jìn)行循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)居室降溫效果。本系統(tǒng)的制冷機(jī)采用吸收式制冷機(jī)，整個(gè)制冷過程不需要電力供應(yīng)，以熱制冷代替了傳統(tǒng)的以電制冷。

關(guān)鍵詞：室溫；以熱制冷；介質(zhì)；空氣能；太陽能

夏季，使用掛式空調(diào)耗電量巨大，給電力供應(yīng)帶來了諸多問題，水冷空調(diào)耗電量低，但是由于現(xiàn)有產(chǎn)品功能不完善，造成的水資源浪費(fèi)非常嚴(yán)重；冬季，太陽能熱水得不到充分利用，熱量散失得不到重視，而城市供暖或農(nóng)村居家供暖會(huì)消耗大量的煤炭及其它不可再生資源。如今太陽能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，利用太陽能調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度成為一個(gè)適宜的選擇，但目前國(guó)內(nèi)外尚沒有集太陽能跟蹤、低碳控溫和以熱制冷等功能于一體的系統(tǒng)[1]。太陽能室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)充分利用了太陽能，在極大降低資源消耗的前提下可實(shí)現(xiàn)良好的室溫調(diào)節(jié)效果。

1設(shè)計(jì)方案

冬季利用太陽能集熱管加熱介質(zhì)液，為室內(nèi)地暖管道提供熱源，提高室內(nèi)溫度。夏季，由太陽能加熱的介質(zhì)液為制冷機(jī)提供熱源，利用冷水輔以儲(chǔ)水制冷裝置降低室內(nèi)溫度。通過手機(jī)來控制介質(zhì)液或冷水的流速，以實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)力度的目的。系統(tǒng)的自動(dòng)追光功能，可為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供電力及熱力保障。

1.1冬季供暖

系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)太陽能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，如圖1所示。在集熱管內(nèi)放入細(xì)金屬管道，并對(duì)集熱管進(jìn)行密封處理，金屬管道內(nèi)通入導(dǎo)熱介質(zhì)，太陽能集熱管收集熱量后對(duì)金屬管道內(nèi)的導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，循環(huán)泵帶動(dòng)導(dǎo)熱介質(zhì)流動(dòng)，導(dǎo)熱介質(zhì)流經(jīng)浴室，可對(duì)儲(chǔ)水桶內(nèi)的水進(jìn)行加熱，但是不與水接觸，實(shí)現(xiàn)太陽能基本的功能。介質(zhì)液還可通過金屬管道流向室內(nèi)的地暖管道，地暖管道周圍鋪有固體儲(chǔ)熱介質(zhì)，可對(duì)金屬管道內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)攜帶的熱量進(jìn)行充分的吸收，對(duì)熱量做到最大限度的利用，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)供暖[2]。

圖1　太陽能室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)供暖示意圖

1.2夏季制冷

夏季制冷功能由冷水循環(huán)實(shí)現(xiàn)，循環(huán)水的降溫采用了以熱制冷的方式，功能原理如圖2所示。太陽能集熱管加熱的介質(zhì)液作為熱源推動(dòng)制冷機(jī)工作，對(duì)循環(huán)水進(jìn)行制冷。冷水在室內(nèi)和儲(chǔ)水制冷裝置間進(jìn)行循環(huán)，流入室內(nèi)的盤式管道，借助風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)居室降溫效果。

制冷機(jī)主要由蒸發(fā)管、擴(kuò)散管、冷凝管以及液氨儲(chǔ)存罐組成，內(nèi)部為氨、氦氣和水。液氨在低分壓下變?yōu)榘闭羝?，向氦氣中擴(kuò)散形成氨、氦氣的混合氣體，氨溶于水后形成濃氨溶液進(jìn)入蒸發(fā)管加熱后氨蒸汽蒸發(fā)，發(fā)生反應(yīng)一：NH4OH→NH3+H2O(放熱)，進(jìn)入冷凝管后，氨氣冷卻成氨，發(fā)生反應(yīng)二：NH3+H2O→NH4OH(吸熱)，實(shí)現(xiàn)制冷，氨水回流到儲(chǔ)存罐，完成一次制冷循環(huán)[3]。分析整個(gè)制冷循環(huán)，可得知只需提供40 ℃的熱源，即可讓反應(yīng)持續(xù)發(fā)生。而在夏季，太陽能集熱管所加熱的介質(zhì)液溫度絕對(duì)會(huì)高于40 ℃，所以熱源完全可由介質(zhì)液提供，改變了傳統(tǒng)高能耗的以電制冷，實(shí)現(xiàn)了以熱制冷。

圖2　制冷系統(tǒng)示意圖

1.3自動(dòng)追光

自動(dòng)追光功能提高了對(duì)太陽光的利用率及集熱效率，為整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行提供了電力、熱力保障。同時(shí)由于保溫桶與集熱管分離，大大減輕了自動(dòng)追光部分的重量，使得操作更加靈活，而且減小了屋頂?shù)某休d力。如圖3所示，太陽能自動(dòng)追蹤裝置由四個(gè)光敏電阻對(duì)太陽照射角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用單片機(jī)對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，再發(fā)送指令到步進(jìn)電機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)集熱管的升起、下落以及水平移動(dòng)，即自動(dòng)追光[4]。為保證自動(dòng)追光的穩(wěn)定性，系統(tǒng)在自動(dòng)追光豎直結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)部分采用了蝸輪蝸桿，如果蝸桿蝸輪的升角小于摩擦角則蝸輪將發(fā)生自鎖現(xiàn)象，讓集熱管可以隨時(shí)在任意位置保持靜止，這使得集熱管的豎直運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定[5]。

圖3　自動(dòng)化追光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4溫度調(diào)節(jié)力度

溫度的調(diào)節(jié)力度可通過手機(jī)控制。由于導(dǎo)熱介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和冷水循環(huán)系統(tǒng)由兩個(gè)小型水泵提供循環(huán)動(dòng)力，這使得我們可以通過控制介質(zhì)液或水的流速來控制溫度調(diào)節(jié)的力度。通過手機(jī)藍(lán)牙向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)接收到指令后，會(huì)對(duì)控制水泵轉(zhuǎn)速的PWM數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的加減以改變其轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)溫度的可控調(diào)節(jié)，保證了系統(tǒng)不會(huì)因循環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定而導(dǎo)致熱量散失過多或者制冷效果不理想。

2節(jié)能效果對(duì)比

2.1制冷功耗對(duì)比

如表1所示，1.5匹傳統(tǒng)空調(diào)的功率為3 200～3 600 W，耗電量高達(dá)2.2～2.6度/小時(shí)；5匹水空調(diào)(約合1.5匹傳統(tǒng)空調(diào))耗電部分為水泵和位于室內(nèi)的風(fēng)機(jī)，功率一般為75 W，總功率為150 W左右，耗電量低，在0.15度/小時(shí)左右，但是由于所用水的回灌措施不到位，造成的水資源浪費(fèi)非常嚴(yán)重；太陽能室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用和5匹水空調(diào)相同的循環(huán)泵和風(fēng)機(jī)，功耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)空調(diào)，同時(shí)水進(jìn)行循環(huán)制冷，制冷所用的制冷機(jī)無需電量供應(yīng)但效果不打折扣，改善了水空調(diào)嚴(yán)重浪費(fèi)水資源的缺點(diǎn)。

表1　制冷功耗對(duì)比

2.2取暖費(fèi)用及耗能對(duì)比

如表2所示，冬季取暖周期以城市供暖周期為標(biāo)準(zhǔn)，選為四個(gè)月。農(nóng)村取暖日均燃煤量約為3 kg，煤炭單價(jià)5元/kg，一個(gè)取暖周期的費(fèi)用約為1 800元；城市供暖價(jià)格約為24元/平方米，供暖面積保守估計(jì)為60平方米，一個(gè)供暖周期的費(fèi)用約為1440元；太陽能室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)耗能部分僅有為介質(zhì)循環(huán)提供動(dòng)力的循環(huán)泵，其功率約為125 W，按每天24小時(shí)供暖，市電價(jià)格0.546 9元/度計(jì)算，一個(gè)供暖周期的費(fèi)用為200元左右。另外，農(nóng)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資源，而太陽能室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)消耗的部分電能還可由太陽能電池板提供。

表2　取暖費(fèi)用及耗能對(duì)比

3創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

1) 太陽能室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)大膽嘗試?yán)锰柲芗療峁芗訜峤橘|(zhì)液，同時(shí)采用對(duì)溫度要求較低的地暖為室內(nèi)供暖，可大量減少因取暖而造成的不可再生資源的使用，同時(shí)降低冬季取暖費(fèi)用。

2) 系統(tǒng)以熱制冷代替了傳統(tǒng)的以電制冷，在節(jié)約大量電力資源消耗的前提下，減少了水資源的浪費(fèi)，達(dá)到了夏季室內(nèi)最佳制冷效果。

3) 系統(tǒng)只有介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)需要少量電源，同時(shí)由于對(duì)太陽能結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得追光更加靈活，太陽能可為整個(gè)系統(tǒng)提供電力及熱力保障，可基本實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作而不需要外接電源。

4應(yīng)用前景

我國(guó)是一個(gè)資源消耗大國(guó)，化石燃料的大量使用使環(huán)境遭受著嚴(yán)重的污染，這些現(xiàn)狀告訴我們切實(shí)實(shí)行節(jié)能減排迫在眉睫。太陽能室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)從節(jié)水節(jié)電節(jié)約資源出發(fā)而設(shè)計(jì)，擺脫了對(duì)電力的依賴，充分利用了太陽能，可在節(jié)約家庭大量資源消耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)良好的室溫調(diào)節(jié)效果，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策，應(yīng)用前景可觀。

參考文獻(xiàn)

[1]劉心.我國(guó)太陽能行業(yè)的發(fā)展情況[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2002(8)：19-20.

[2]楊啟岳.組合變相儲(chǔ)熱材料應(yīng)用于太陽能供暖系統(tǒng)[J].熱力發(fā)電，2004(2)：7-9.

[3]楊思文.氨水吸收式制冷機(jī)的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)之六：制冷循環(huán)與工作過程[J].流體機(jī)械，1990(2)：58-64.

[4]林立，張俊亮.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：92-94.

[5]于洪民.蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的自鎖性[J].機(jī)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

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510448034)

作者簡(jiǎn)介：趙建偉(1994- )，男，山東臨沂人，本科在校，研究方向：機(jī)械電子。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)03- 0080- 03

中圖分類號(hào)：TK513

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A