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太阳能空调制冷技术


太阳能空调制冷技术综述
摘要: 随着我国能源短缺与环境恶化的日益严重,采暖空调系统作为建筑能耗大 户, 其环保和节能问题渐渐成为人们关注的焦点。太阳能作为一种可再生的清洁 能源, 通过一定的能量转换可扩展应用到空调系统上来。本文综合介绍了各种太 阳能制冷技术的原理和特点, 以及一些当前的研究进展,分析了太阳能制冷技术 应用存在的问题。

关键词:太阳

能 吸收制冷 吸附制冷 喷射制冷 半导体制冷

1.引言
资源和环境一直是制约许多国家可持续发展的重要瓶颈, 作为一种可再生能 源的太阳能,不仅来源较为广泛,并且几乎不会产生污染,因而倍受研究人员的 青睐, 也是前景比较广阔的研究方向。太阳能制冷空调作为一个极具发展前景的 领域,成为当前制冷技术研究中的热点。我国从上世纪 70 年代就开始了相关研 究工作,经过 40 余年的探索研究,我国的太阳能制冷空调技术取得了长足进步
[1]

,相关工程化技术也已成熟,国内企业已经开发出一些商品化的太阳能制冷空

调设备。在工程应用方面,从 1979 年开始,国内陆续建成了一些太阳能制冷空 调的样板工程[2]。近年来,国家相关政策扶持力度也越来越大。 太阳能制冷具有以下几个优点。 首先是节能,据统计,国际上用于民用空调所 耗电能约占民用总电耗的 50 %。太阳能制冷用于空调,将大大的减少电力消耗, 节约能源;其次是环保,根据 5 蒙特利尔议定书 6,目前压缩式制冷机主要使用的 CFC 类工质因为对大气臭氧层有破坏作用应停止使用(美、欧等已停止生产和使 用)[3],现在各国都在研究 CFC 类工质的替代物质及替代制冷技术。太阳能制冷一 般采用非氟氯烃类物质作为制冷剂,臭氧层破坏系数(ODP)和温室效应系数(GWP) 均为零[4],适合当前环保要求,同时可以减少燃烧化石能源发电带来的环境污染。

2.太阳能制冷技术
太阳能制冷,简单的说就是将太阳能转换成热能(或机械能) ,再利用热能 (或机械能)使系统达到并维持所需的低温。 目前的太阳能空调制冷技术从原理上大致可分为两种实现途径: 一是太阳能 转化为电能, 再以电能来驱动压缩式制冷,二是直接利用太阳能集热器收集热量, 以热推动制冷。常用的太阳能热驱动空调制冷技术,主要有吸附式、吸收式、除

湿空调和喷射式制冷四大类[5]。从目前国内外报道的太阳能制冷技术应用情况来 看,太阳能吸收式空调占 60%,除湿空调约占 28%,吸附式空调占 12%。我国的 太阳能空调应用示范项目中,太阳能吸收式空调占 45%,除湿空调约占 40%,吸 附式空调占 15%[6]。另外利用热点转换原理的太阳能半导体制冷技术由于其成本 很高,目前只应用在一些有限的领域。 2.1 吸收式制冷 太阳能吸收式制冷的基本原理是利用液体工作介质蒸发时吸收周围热量制 冷。 其工作流程如图 1 所示, 制冷剂液体在蒸发器蒸发吸热后变成低压蒸汽进入 吸收器,被吸收剂强烈吸收,吸收过程中放出的热量被冷却水带走,形成的溶液 由泵送入发生器中,被太阳能集热器产生的热源加热后蒸发,产生高压蒸汽,进 入冷凝器冷却,而稀溶液降压回流到蒸发器,完成一个循环。

图 1 吸收式制冷原理图

2.1.1 溴化锂-水与氨-水吸收式制冷 太阳能吸收式制冷的关键是工质对溶液自身所具有的集吸收蒸发功能于一 身的特性,通常情况下,根据水系工质对溶液的不同,又将吸收式制冷分为以氨 -水为工质对的吸收式制冷与以溴化锂-水为工质对的吸收式制冷 2 种[8]。吸收 式制冷之所以可以循环的进行, 主要是依靠工质对里 2 种物质相互作用来维持。 这 2 种物质的沸点存在一定的差别,高沸点的称之为吸收剂,低沸点的称之为 制冷剂[9]。太阳能吸收式制冷的循环方式都是采用单效方式,还可以具体分为单 效单级和单效双级[10]。 单效溴化锂吸收式制冷是最简单的太阳能制冷方式,驱动热源可采用 0.03 ~0. 15MPa 的蒸汽或 85 ~ 150℃ 的热水,但几乎所有的太阳能单效溴 化锂制冷机组是采用热水驱动[11],因水在常压下的沸点为 100℃,考虑到安全因 素,采用温水为驱动的太阳能吸收式制冷机系统中,水温一般不超过 100℃[12]。 氨-水吸收式制冷用氨水溶液作为工质,其中氨用作制冷剂,水用作吸收剂,由于 蒸发温度较低,可用于冷藏和工业生产过程,在化学工业中曾被广泛应用。溴化 锂吸收式制冷机存在易结晶、腐蚀性强、蒸发温度在 0℃以上的缺点,但 COP 比 氨水吸收式要高.而且氨水吸收式制冷工作压力高,具有一定的危险性,且氨有毒

[13]

,要防止泄漏到环境大气中,同时系统还要精馏装置,但可以得到很低的蒸发温

度. 2.1.2 其他几种吸收式制冷 太阳能混合吸收式制冷循环:基本原理就是降低发生器的压力,从而降低发 生器中所需的发生温度.该循环在传统的两级循环上增设了了一附加高压发生器, 其发生出的冷剂水蒸汽直接进入冷凝器冷凝 ,即增加了系统的制冷量,提高制冷 系统的制冷系数 CCOP[14].太阳能混合吸收式制冷空调系统,可以在太阳能集热器 可获得温度范围内实现制冷又能较大程度地提高吸收式系统的驱动热源可利用 温差,弥补单级与两级太阳能吸收式制冷系统的不足 ,更好地发挥太阳能空调的 优势。 新型 A 太阳能吸收式制冷系统:是在传统的系统基础上增加了压缩式热泵 系统。并且在不同太阳辐射强度下,为了保持蒸发温度的恒定,可以使用变速水 泵调节水流量和变频热泵。该系统由太阳能积热系统、热泵系统、吸收式制冷系 统组成,包括 3 个循环系统。 新型 B 太阳能吸收式制冷系统:是在新型 A 系统的基础上,在太阳能集热 器中加入相变蓄能材料,且将热泵系统的蒸发器与太阳能集热器合为一体(积热 / 蓄能 / 蒸发器),称为一体化太阳能热泵系统。该热泵系统的蒸发器以 U 形 蒸发管的形式布置于太阳能真空集热管中, 每根蒸发管与真空集热管中间均以相 变材料填充, 起到蓄能容器的作用,这样把高峰强度的太阳能存储起来供给太阳 辐射低时使用[15]。 2.2 吸附式制冷 太阳能固体吸附制冷是以某种具有多孔性的固体物质作为吸附剂, 以某种气 体作为制冷剂, 吸附剂与制冷剂形成吸附制冷工质对[17]。按照被吸附物与吸附剂 之间吸附力的不同, 吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。物理吸附是分子间范 德华力所引起的;而化学吸附是吸附剂与被吸附物之间通过化学键起作用的结 果,吸附、脱附过程中同时伴随着化学反应。 一个基本的吸附式制冷系统由吸附床(集热器)、冷凝器、蒸发器和阀门等构 成,如图 2 所示。工作过程由吸热解吸和冷却吸附组成。基本循环过程是利用太 阳能或者其他热源,使吸附剂和吸附质形成的混合物(或络合物)在吸附器中发生 解吸,放出高温高压的制冷剂气体进入冷凝器 ,冷凝出来的制冷剂液体由节流阀 进入蒸发器。 制冷剂蒸发时吸收热量,产生制冷效果,蒸发出来的制冷剂气体进入 吸附发生器,被吸附后形成新的混合物(或络合物),从而完成一次吸附制冷循环 过程。 常有的吸附对主要有:活性炭)甲醇、 沸石)水、 硅胶)水、 金属氢化物)氢(物

理吸附)和氯化钙)氨、氯化锶)氨(化学吸附)等[18],目前应用较多的是前两者。

图 2 太阳能吸附式制冷系统简图

2.3 太阳能除湿空调 太阳能除湿空调系统是另一种富有特色的空调方式, 与以上两种空调方式不 同,一般采用开放式的运行方式,因此不需要复杂的密闭系统。根据太阳能除湿 空调的工作介质可分为太阳能溶液除湿空调和太阳能固体除湿空调。 2.3.1 太阳能溶液除湿空调 太阳能液体除湿空调以太阳能或其它低温热源作为其主要供能.在太阳能液 体除湿空调中,环境空气或室内回风进入除湿器与除湿溶液接触时 ,其中部分水 分被除去;对干燥后的空气绝热加湿,送入室内,达到空气调节的目的[19]。基本原 理是利用除湿剂浓溶液表面的水蒸气分压低于湿空气中的水蒸气分压, 在压力梯 度的作用下将湿空气的水蒸气吸收到浓溶液中,直至双方的水蒸气分压达到平 衡,吸收过程结束。吸湿后的稀溶液通过太阳能收集的热量再生。太阳能溶液除 湿制冷系统图如图 3 所示。

图 3 太阳能溶液除湿制冷系统图

液体除湿的突出优点是采用对环境无污染的水作为制冷剂;利用低品位热 能,如太阳能、余热等,驱动空调过程[20];采用除湿空调可以除去空气中的尘埃 和细菌等有害物质,全新风运行,提高室内空气品质[21]。 2.3.2 太阳能固体除湿空调

太阳能固体除湿空调系统主要由太阳能集热器、 转轮除湿机、 板翅式换热器、 蒸发冷却器、再生器和辅助热源(如燃气锅炉)等部分组成。

图 4 转轮除湿器示意图

[22]

转轮除湿机的主体结构是一个不断转动的蜂窝状转轮,用覆有固体除湿剂的 特殊复合耐热材料制成如图 4。转轮可以分成工作区和再生区,它们分别与处理 空气和再生空气相接触,两区中间被密封隔离。 当湿空气进入工作区时,空气中水 分子被转轮中的除湿剂吸收;吸收了水分子的转轮扇区饱和时自动转到再生空气 侧扇区再生。 再生过程中,太阳能集热器为再生器提供热量,加热后的空气进入再 生扇区,将已饱和的除湿剂内的水分蒸发并带走,恢复除湿剂的除湿能力,从而使 除湿过程和再生过程周而复始地进行[23]。 2.4 喷射式制冷 太阳能喷射制冷系统是以喷射器代替传统压缩制冷的压缩机进行制冷[24], 是 一种很有发展潜力的制冷方式,其结构简单,一次能源消耗少。太阳能喷射制冷 多为以太阳能集热器收集热量, 通过换热器为发生器供热的方式运行,因此在温 差传热过程中就会出现不可逆的能量损失[25]。

图 5 太阳能喷射式制冷系统原理图

图 5 为太阳能喷射式制冷系统图。该系统图包括两个子循环,一个是制冷剂 的制冷循环, 一个是为制冷循环提供能量的水循环。制冷剂在冷凝器中由蒸汽冷 凝为液体,制冷剂液体一分两路,一部分经节流作用进入蒸发器蒸发制冷,一部 分经循环泵进入发生器, 和经太阳能集热器加热之后的热水进行热量交换,变成 高温高压的蒸汽进入喷射器, 经过喷嘴的加速降压引射来自蒸发器的低温低压的 制冷剂蒸汽,两股流体经过混合、扩压形成中间压力的蒸汽进入冷凝器。在发生

器中由于热量交换而变成低温的热水进入太阳能集热器,在能量子系统中循环
[26]



2.5 半导体制冷 太阳能半导体制冷是由太阳光转换为直流电驱动半导体制冷系统, 无需电流 逆变装置,无能量多次变换引起的损失,可以微型化,同时因其无制冷剂和机械 转动部件[27],而具有无毒害、无污染和运行无噪音、无振动、无磨损等优点,逐 渐引起人们的关注。 半导体制冷原理的基础之一即为帕尔帖效应[28]。 当直流电通过由两种不同 半导体(或导体)组成的回路时,在两种半导体的接触点会产生吸热或放热的现 象。 图6是半导体制冷的基本原理示意图,当一块 N 型半导体材料和一块 P 型半 导体材料在金属平板间形成通路,接上直流电源后,在接头处会产生能量转移,

图 6 半导体制冷原理图

电流由 N 型元件流向 P 型元件的接头吸收热量,成为冷端,由 P 型元件流向 N 型元件的接头释放热量, 成为热端。在实际应用中只需把其冷端放到要致冷的 对象中,即可实现吸热制冷[29]。

3.太阳能制冷的研究现状
自上世纪 70 年代以来我国多个科研院所追踪发展太阳能制冷技术,吸收式 太阳能空调领域研究比较成功的有广州能源所、北京太阳能研究所、上海交通大 学及香港大学等科研单位;企业方面,北京天普、山东皇明、长沙远大和珠海兴 业等企业都建立了太阳能空调示范系统,开始产业化尝试。其中长沙远大为槽式 聚光系统; 目前珠海兴业新能源科技有限公司在珠海总部和湖南分公司分别新建 了 70kW 和 500kW 的智能太阳能空调系统,该系统由真空热管式集热器,热水吸 收式制冷机组、蓄能系统、空调终端和控制电路组成,系统调试成功后,已经连 续可靠的运行 18 个月,为目前国内运行最为成功的太阳能空调工程之一,除此 之外兴业 公司还努力开发光热幕墙等设备及相变蓄能材料,以期更好地与建筑 一体化结合及提高太阳能空调的效率[30]。

总结欧洲的开发案例, 吸收式制冷机以其稳定可靠,技术成熟在太阳能空调 中得到最广泛的使用。 因此国内多数企业单位选择吸收制冷系统的太阳能空调制 冷主机。

4.太阳能制冷技术应用存在的问题
经济性问题:太阳能制冷空调运行费用较低,但其一次性投资很高,太阳能 制冷空调冷水机组的投资比常规空调冷水机组高 10-16 倍.由于太阳能制冷空调 设备的投资过高, 若在普通建筑空调中应用,在设备寿命周期内通常难以收回增 加的投资,这是制约该技术在实际工程中大规模推广应用的一个最重要因素。 性能不稳定问题:由于在同一天的不同时段和不同气象条件下太阳辐照度差 异很大, 因此太阳能制冷空调系统的制冷能力波动很大,夜间不采用蓄能或不设 置辅助的常规空调制冷设备的情况下,太阳能制冷空调系统将无法工作,保证率 低、 性能不稳定是制约太阳能制冷空调技术在建筑工程中推广应用的另一个重要 问题。 占地面积大的问题:地球表面阳光的能量密度低,因此太阳能制冷空调系统 的太阳能集热器或光伏电池的占地面积较大。 性能衰减问题:无论是太阳能电池还是太阳能集热器,由于表面积灰、涂层 和光电元件老化等原因,都会出现性能衰减的问题。 工程设计问题: 太阳能制冷空调系统的设计需要进行太阳辐照度变化和建筑 空调冷负荷变化的逐时计算分析,比常规空调系统复杂。但目前缺乏完善的设计 规范、技术措施、实用的设计算法和设计软件,制约了该技术大规模推广应用。 寿命周期能耗和污染排放问题: 太阳能制冷空调系统生产制造过程中需要消 耗较多的材料资源,在这些材料的生产过程中,也要消耗一定的能源,也有一些 污染物排放,其中太阳能光伏电池更是一种高能耗产品[31]。

5.结束语
太阳能是取之不尽用之不竭的绿色能源, 提高太阳能的利用效率和太阳能制 冷技术的实用化是今后重点研究的方向。 太阳能制冷技术是一项新型的节能环保 技术,能够有效的解决目前能源短缺、环境污染严重的问题。当然,该技术的广 泛应用还具有一定的局限性, 这就需要我们不断的转变理念,运用长远的眼光和 科学观念,去不断的探究新型的技术,开发新型的能源。

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