0 前言
在能源与环境问题日益凸现的今天，太阳能作为一种清洁无污染的能源开始在暖通空调领域广泛应用。随着集热技术的发展，太阳能集热器产品的集热效率不断提高，使得以太阳能作为制冷与供暖空调系统的驱动能源从可能变成可行。研究发现，太阳能制冷及供暖系统极具优势：夏季太阳辐射越强、天气越热，建筑负荷越大，太阳能空调的制冷效果越好。而采用太阳能作为主要驱动能源、采用氨或水或其它自然物质作为工质的太阳能制冷及供暖技术正是符合节能和环保要求的技术。但由于太阳能本身空间分布不均匀、能流密度低、辐射间歇性以及制冷系统的驱动温度要求一般都较高（75℃以上）等特点，导致必须牺牲大的集热面积为代价换取系统要求的驱动温度，成本高且效率低，使得太阳能在暖通空调领域不能得以广泛应用。
为了进一步拓宽太阳能在暖通空调领域中的应用范围，本文提出一种基于CPC 集热器的太阳能制冷及供暖系统，旨在通过对集热器的技术攻关和系统示范，解决太阳能空调中的难题，积累经验，从而为尽早实现太阳能空调的商业化打下技术基础。
1 CPC 集热器
整个系统是基于复合抛物面型集热器（简称CPC 集热器）的特点而设计的，因此在对系统进行介绍之前先重点介绍一下CPC 集热器。
CPC 集热器是一种非成像低聚焦度聚光器，它根据边缘光线原理设计，可将给定接受角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接受器上。由于它有较大的接收角，故在运行时不需要太阳跟踪装置，只需根据接收角的大小及收集阳光的小时数，每年定期调整倾角若干次就可有效地工作。它可达到的聚光比在10 以内，当聚光比在2 以下时可作成固定式装置。它可接受直射太阳辐射和部分散射辐射，并能接受一般跟踪聚光
器所不能接受到的“太阳周围辐射”，它的最主要特点是可以产生中、高温蒸汽。利用CPC 集热器产生的中、高温蒸汽作为制冷机组与供暖装置的驱动能源是整个系统设计的创新之处。
1.1 CPC 集热器的结构设计
CPC集热器单元结构如图1所示，它由聚光面和装在底部的接收器构成。聚光面是由两片槽状抛物面和渐开面组合而成。
图1 CPC 热管式集热器结构示意图
1.1.1 接收器
接收器是一个热管真空集热管，结构如图2所示。真空管为双层，内管电镀特殊的选择性吸收涂层(Al-N/Al)作为吸热体,能有效吸收太阳光线,增加了集热管的光学效率。内外层之间抽成真空,能有效防止热量通过对流方式散发出去，内层管与热管之间充满导热油。阳光照射或反射到真空管选择性吸收涂层，产生热量后通过肋片将热量传导给热管，热管获得热量(同时含有真空管闷晒热量)后通过冷凝段将热量传给水夹套中的集热介质（水）。
1.热管冷凝段 2 保温堵塞 3 热管蒸发段 4 真空管内管
5.真空管外管 6 肋片 7 选择性涂层 8 弹簧卡和消气剂
图2 接收器结构示意图
1.1.2 聚光面
聚光面的横截面为轴对称，其中右半支为一段渐开线(AG)外接一段抛物线(AC)，如图3所示。投射在抛物线AC上且和阴影线AB平行的入射阳光与抛物线轴平行。反射光聚焦于焦点F(吸热管管顶)，即图3中入射光线1射到抛物线面M点(MN为抛物线在M点的法线)，再反射到吸收管顶的F点被真空管内管吸收。入射光线2射到抛物线的M点时，入射角已增大，再反射到真空管内管上被吸收。随着入射角的增大，入射光线3在M点的反射光线投射在渐开线AP上的G点，再二次反射到真空管内管上。图3中收集阳光角度范围2 qA ,称为接收角(两条阴影线之间的夹角)，而qA 称半接收角。
图3 聚光面的聚光原理示意图
1.2 CPC 集热器的传热过程分析
太阳光一部分直接穿过真空管外管汇聚到真空管内管表面涂层上，一部分照射到聚光面上，聚光面再把太阳光经过一次或多次反射透过真空管外管汇聚到真空管内管表面涂层上。真空管内管与热管间通过肋片传导热量。热管的蒸发段吸收热量后，其内部工质受热蒸发，将热量传递到热管冷凝段，再将冷凝段的热量传递给水夹套中的工质（水），而蒸汽此时冷凝为液体，依靠重力沿热管内壁面流回热管蒸发段。通过这一过程的不断重复，就加热了集热器水夹套中的水。同时集热器不可避免的向周围散发热量损失。
CPC集热器在运行时实际吸收的太阳能为QA，其中一部分转变成集热器的有效利用能QU，一部分变成热损失QL。
可得能量平衡方程如下：
QA=QU+QL
由能量平衡方程可得：
Qu=FηopIiSA-FUtAr(Ti-Ta)
这部分热量传给压力容器中的水，使其温度升高。
Qu=mCp(Tfo-Ti)
上式中： Ii 为单位有效集热面积的太阳辐射量；F为集热器的效率因子；ηOP为集热器的光学效率； SA
为集热器等效集热面积,㎡； Ar 为热管真空管内管的面积,㎡； Ut 为集热器的总热损失系数, W/㎡； m 为压
力容器中水的质量，㎏；Cp 为水的定压比热容,4.1968KJ/(㎏·℃)； a T 为室外天气温度，℃； i T 为压力容器中
水的初始温度，℃； Tfo 为蒸汽的出口温度，℃。
2 系统设计
本系统总体要求夏季供冷、冬季供暖。基于太阳能制冷及供暖系统对气候有一定的依赖性，在系统设计时必须充分考虑系统的启动、能量的储存、太阳能与辅助能源的切换以及系统的安全性等一系列因素。现重点对制冷系统、供暖系统、以及CPC 集热器与建筑一体化的设计进行阐述。
2.1 制冷系统设计
制冷系统主要由CPC 集热器、双效蒸汽型溴化锂吸收式制冷机、储气包等组成，其系统图如图7 所示。集热器吸收太阳能后加热水夹套里的水进而产生蒸汽，当蒸汽温度达到制冷机驱动热源的温时，自力式温度控制阀便自动打开阀门使蒸汽进入储汽包中储存起来。制冷机开始工作时，就开启储汽包的控制阀门，让蒸汽进入制冷机的发生器对制冷工质进行加热，驱动制冷机运转。蒸汽经过制冷循环后，温度降低，冷凝成水后流回水箱，通过柱塞泵进入水夹套再被集热器加热成蒸汽。另外当太阳辐射能提供的能量不能够满足要求时，就利用蒸汽锅炉作为辅助热源。此系统比利用平板型集热器产生的热水驱动热水型溴化锂吸收式机组的系统的效率要高的多。
系统中的制冷机组是从厂家直接购买，这里就不做深入探讨。储汽包的结构如图8 所示，它的设计必须遵循现行压力容器设计的规范标准规定，在确保的安全的前提下，经济、正确地选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。结构设计主要是确定合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配和维修等要求；强（刚）度设计的内容主要式确定结构尺寸，满足强度和刚度及稳定性要求；密封设计主要是选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。
图7 太阳能制冷系统图
图8 储汽包的结构示意图
2.2 供暖系统的设计
供暖系统将采用节能舒适的太阳能低温地板辐射采暖系统，由于地板辐射采暖是依靠辐射传热的方式将热量传递到人体表面，通过敷设于地板中的盘管加热地面进行供暖。在辐射采暖正常运行的情况下，若室外温度相同，要想达到相同的舒适度，它周围的空气温度比对流采暖条件要求低3℃左右。根据人体的舒适感生理条件要求，地面温度为24℃-28℃。由于地板辐射采暖的热媒温度为40℃-60℃的低温热水，因此新型CPC 集热器很容易满足要求。供暖系统主要由新型CPC 集热器、储气包、蓄热水箱、采暖盘管等组成，其系统图如图9 所示。
图9 太阳能供暖系统
供暖系统主要包含两个环路：集热环路和采暖环路。
（1）集热循环：在冬季晴朗的白天，太阳辐射的作用下，集热器吸收太阳能加热水夹套中的水，使其温度不断升高进而产生蒸汽。当系统工作时，打开储汽包的阀门，让蒸汽与蓄热水箱中的水发生热交换。热交换完成后蒸汽放出热量温度不断下降，水吸收热量温度不断上升。降温后的蒸汽凝结成水进入水箱被水泵泵入水夹套内再次被加热，再进入下一循环。
（2）采暖循环：蓄热水箱中的水吸收热量，温度不断升高，水温升至所要求的温度后，启动采暖循环泵，使热水在加热盘管中循环起来，循环热水通过热传导把热量传到地板表面。以整个地板表面作为散热面，以辐射(占50%以下)和对流的方式与房间内的空气交换热量，从而实现对房间的供暖。在太阳辐射不足以提供房间内的采暖热负荷时，启动辅助热源系统。
2.3 新型CPC 集热器与建筑一体化设计
基于CPC 集热器的太阳能制冷及供暖综合系统旨在设计时不仅要考虑制冷和供暖系统的能否正常运行问题，还要考虑到集热器与建筑作到一体化。CPC 集热器虽然可以产生中、高温蒸汽，但是其外形结构不易和建筑相结合，因此整个设计过程都和建筑设计部门保持密切联系。最终目标是使建筑设计既满足太阳能集热器安装的要求，又保证新建筑物造型美观、新颖别致、与周围环境相协调，充分体现出可再生能源实验楼的特色，使新型CPC 集热器与建筑融为一体。
基于以上原则，采用在屋顶上搭钢架、摆集热器的做法，集热器的钢架是由专业厂家专门设计。采用钢架结构是为了使集热器能很牢固的被固定住，保证建筑的安全性的同时也降低了建筑屋面设计的难度。钢架是倾斜的，倾角取30°，与当地维度接近，有利于集热器充分发挥作用，在布置集热器时也不需要考虑前后遮挡问题。整个建筑物的设计实现了集热器与建筑物的一体化，且造型美观、新颖别致。
3 结论
近年来，地球表面温度逐年上升，能源消费量大幅度增长，许多国家都存在着不同程度的能源危机，因此太阳能制冷及供暖综合系统必将发挥其综合优势，取得显著的经济、社会和环境效益。通过研究可知，基于CPC 集热器的太阳能制冷及供暖系统由于其高效、节能性将会是太阳能在暖通空调领域应用的一个新的发展方向。整个系统是基于CPC 集热器可以产生中、高温的蒸汽而设计的，它不仅实现了集热器与建筑物的有机结合，还提高了制冷及供暖效率，具有很大的推广价值。值得一提的是，由于目前已商品化的只有大型溴化锂吸收式制冷机，导致该系统只适用于大型建筑的中央空调，因此小型溴化锂吸收式制冷机的研制和生产是目前太阳能空调产业亟待解决的问题。相信通过对集热器、制冷机组、供暖装置等的技术攻关，不断解决太阳能制冷及供暖中的难题，积累经验，在不久的将来，太阳能制冷及供暖一定能实现规模化，产业化。
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