太陽能空調(diào)制冷技術(shù)

1、太陽能空調(diào)制冷技術(shù)綜述摘要：隨著我國能源短缺與環(huán)境惡化的日益嚴重，采暖空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗大戶，其環(huán)保和節(jié)能問題漸漸成為人們關(guān)注的焦點。太陽能作為一種可再生的清潔能源，通過一定的能量轉(zhuǎn)換可擴展應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)上來。本文綜合介紹了各種太陽能制冷技術(shù)的原理和特點，以及一些當前的研究進展，分析了太陽能制冷技術(shù)應(yīng)用存在的問題。關(guān)鍵詞：太陽能 吸收制冷 吸附制冷 噴射制冷 半導體制冷1. 引言資源和環(huán)境一直是制約許多國家可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸，作為一種可再生能源的太陽能，不僅來源較為廣泛，并且?guī)缀醪粫a(chǎn)生污染，因而倍受研究人員的青睞，也是前景比較廣闊的研究方向。太陽能制冷空調(diào)作為一個極具發(fā)展前景的領(lǐng)域，成為

2、當前制冷技術(shù)研究中的熱點。我國從上世紀70年代就開始了相關(guān)研究工作，經(jīng)過40余年的探索研究，我國的太陽能制冷空調(diào)技術(shù)取得了長足進步1，相關(guān)工程化技術(shù)也已成熟，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一些商品化的太陽能制冷空調(diào)設(shè)備。在工程應(yīng)用方面，從1979年開始，國內(nèi)陸續(xù)建成了一些太陽能制冷空調(diào)的樣板工程2。近年來，國家相關(guān)政策扶持力度也越來越大。太陽能制冷具有以下幾個優(yōu)點。首先是節(jié)能,據(jù)統(tǒng)計,國際上用于民用空調(diào)所耗電能約占民用總電耗的50 %。太陽能制冷用于空調(diào),將大大的減少電力消耗,節(jié)約能源;其次是環(huán)保,根據(jù)5蒙特利爾議定書6,目前壓縮式制冷機主要使用的CFC類工質(zhì)因為對大氣臭氧層有破壞作用應(yīng)停止使用(美、歐等

3、已停止生產(chǎn)和使用)3,現(xiàn)在各國都在研究CFC類工質(zhì)的替代物質(zhì)及替代制冷技術(shù)。太陽能制冷一般采用非氟氯烴類物質(zhì)作為制冷劑,臭氧層破壞系數(shù)(ODP)和溫室效應(yīng)系數(shù)(GWP)均為零4,適合當前環(huán)保要求,同時可以減少燃燒化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染。2. 太陽能制冷技術(shù)太陽能制冷，簡單的說就是將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能（或機械能），再利用熱能（或機械能）使系統(tǒng)達到并維持所需的低溫。目前的太陽能空調(diào)制冷技術(shù)從原理上大致可分為兩種實現(xiàn)途徑：一是太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再以電能來驅(qū)動壓縮式制冷,二是直接利用太陽能集熱器收集熱量，以熱推動制冷。常用的太陽能熱驅(qū)動空調(diào)制冷技術(shù)，主要有吸附式、吸收式、除濕空調(diào)和噴射式制冷四大類5

4、。從目前國內(nèi)外報道的太陽能制冷技術(shù)應(yīng)用情況來看，太陽能吸收式空調(diào)占 60%，除濕空調(diào)約占 28%，吸附式空調(diào)占 12%。我國的太陽能空調(diào)應(yīng)用示范項目中，太陽能吸收式空調(diào)占 45%，除濕空調(diào)約占 40%，吸附式空調(diào)占 15%6。另外利用熱點轉(zhuǎn)換原理的太陽能半導體制冷技術(shù)由于其成本很高,目前只應(yīng)用在一些有限的領(lǐng)域。2.1吸收式制冷太陽能吸收式制冷的基本原理是利用液體工作介質(zhì)蒸發(fā)時吸收周圍熱量制冷。其工作流程如圖1所示，制冷劑液體在蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱后變成低壓蒸汽進入吸收器，被吸收劑強烈吸收，吸收過程中放出的熱量被冷卻水帶走，形成的溶液由泵送入發(fā)生器中，被太陽能集熱器產(chǎn)生的熱源加熱后蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓蒸汽，

5、進入冷凝器冷卻，而稀溶液降壓回流到蒸發(fā)器，完成一個循環(huán)。圖1 吸收式制冷原理圖2.1.1溴化鋰-水與氨-水吸收式制冷太陽能吸收式制冷的關(guān)鍵是工質(zhì)對溶液自身所具有的集吸收蒸發(fā)功能于一身的特性，通常情況下，根據(jù)水系工質(zhì)對溶液的不同，又將吸收式制冷分為以氨-水為工質(zhì)對的吸收式制冷與以溴化鋰-水為工質(zhì)對的吸收式制冷 2 種8。吸收式制冷之所以可以循環(huán)的進行，主要是依靠工質(zhì)對里 2 種物質(zhì)相互作用來維持。這 2 種物質(zhì)的沸點存在一定的差別，高沸點的稱之為吸收劑，低沸點的稱之為制冷劑9。太陽能吸收式制冷的循環(huán)方式都是采用單效方式，還可以具體分為單效單級和單效雙級10。單效溴化鋰吸收式制冷是最簡單的太陽能制

6、冷方式，驅(qū)動熱源可采用 0.03 0 15MPa 的蒸汽或 85 150 的熱水，但幾乎所有的太陽能單效溴化鋰制冷機組是采用熱水驅(qū)動11，因水在常壓下的沸點為 100，考慮到安全因素，采用溫水為驅(qū)動的太陽能吸收式制冷機系統(tǒng)中，水溫一般不超過 10012。氨-水吸收式制冷用氨水溶液作為工質(zhì)，其中氨用作制冷劑，水用作吸收劑,由于蒸發(fā)溫度較低，可用于冷藏和工業(yè)生產(chǎn)過程，在化學工業(yè)中曾被廣泛應(yīng)用。溴化鋰吸收式制冷機存在易結(jié)晶、腐蝕性強、蒸發(fā)溫度在0以上的缺點,但COP比氨水吸收式要高.而且氨水吸收式制冷工作壓力高,具有一定的危險性,且氨有毒13,要防止泄漏到環(huán)境大氣中,同時系統(tǒng)還要精餾裝置,但可以得到

7、很低的蒸發(fā)溫度.2.1.2其他幾種吸收式制冷太陽能混合吸收式制冷循環(huán)：基本原理就是降低發(fā)生器的壓力,從而降低發(fā)生器中所需的發(fā)生溫度.該循環(huán)在傳統(tǒng)的兩級循環(huán)上增設(shè)了了一附加高壓發(fā)生器,其發(fā)生出的冷劑水蒸汽直接進入冷凝器冷凝,即增加了系統(tǒng)的制冷量,提高制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)CCOP14.太陽能混合吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng),可以在太陽能集熱器可獲得溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)制冷又能較大程度地提高吸收式系統(tǒng)的驅(qū)動熱源可利用溫差,彌補單級與兩級太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的不足,更好地發(fā)揮太陽能空調(diào)的優(yōu)勢。新型 A 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)：是在傳統(tǒng)的系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了壓縮式熱泵系統(tǒng)。并且在不同太陽輻射強度下，為了保持蒸發(fā)溫度的恒定，可以

8、使用變速水泵調(diào)節(jié)水流量和變頻熱泵。該系統(tǒng)由太陽能積熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、吸收式制冷系統(tǒng)組成，包括 3 個循環(huán)系統(tǒng)。新型 B 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)：是在新型 A 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在太陽能集熱器中加入相變蓄能材料，且將熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器與太陽能集熱器合為一體(積熱 / 蓄能 / 蒸發(fā)器)，稱為一體化太陽能熱泵系統(tǒng)。該熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器以 U 形蒸發(fā)管的形式布置于太陽能真空集熱管中，每根蒸發(fā)管與真空集熱管中間均以相變材料填充，起到蓄能容器的作用，這樣把高峰強度的太陽能存儲起來供給太陽輻射低時使用15。2.2吸附式制冷太陽能固體吸附制冷是以某種具有多孔性的固體物質(zhì)作為吸附劑，以某種氣體作為制冷劑，吸附劑與制冷劑

9、形成吸附制冷工質(zhì)對17。按照被吸附物與吸附劑之間吸附力的不同，吸附可分為物理吸附和化學吸附兩類。物理吸附是分子間范德華力所引起的；而化學吸附是吸附劑與被吸附物之間通過化學鍵起作用的結(jié)果，吸附、脫附過程中同時伴隨著化學反應(yīng)。一個基本的吸附式制冷系統(tǒng)由吸附床(集熱器)、冷凝器、蒸發(fā)器和閥門等構(gòu)成,如圖2所示。工作過程由吸熱解吸和冷卻吸附組成?；狙h(huán)過程是利用太陽能或者其他熱源,使吸附劑和吸附質(zhì)形成的混合物(或絡(luò)合物)在吸附器中發(fā)生解吸,放出高溫高壓的制冷劑氣體進入冷凝器,冷凝出來的制冷劑液體由節(jié)流閥進入蒸發(fā)器。制冷劑蒸發(fā)時吸收熱量,產(chǎn)生制冷效果,蒸發(fā)出來的制冷劑氣體進入吸附發(fā)生器,被吸附后形成新

10、的混合物(或絡(luò)合物),從而完成一次吸附制冷循環(huán)過程。常有的吸附對主要有:活性炭)甲醇、沸石)水、硅膠)水、金屬氫化物)氫(物理吸附)和氯化鈣)氨、氯化鍶)氨(化學吸附)等18,目前應(yīng)用較多的是前兩者。圖2 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)簡圖2.3太陽能除濕空調(diào)太陽能除濕空調(diào)系統(tǒng)是另一種富有特色的空調(diào)方式，與以上兩種空調(diào)方式不同，一般采用開放式的運行方式，因此不需要復雜的密閉系統(tǒng)。根據(jù)太陽能除濕空調(diào)的工作介質(zhì)可分為太陽能溶液除濕空調(diào)和太陽能固體除濕空調(diào)。2.3.1太陽能溶液除濕空調(diào) 太陽能液體除濕空調(diào)以太陽能或其它低溫熱源作為其主要供能.在太陽能液體除濕空調(diào)中,環(huán)境空氣或室內(nèi)回風進入除濕器與除濕溶液接觸時

11、,其中部分水分被除去;對干燥后的空氣絕熱加濕,送入室內(nèi),達到空氣調(diào)節(jié)的目的19?；驹硎抢贸凉駝馊芤罕砻娴乃魵夥謮旱陀跐窨諝庵械乃魵夥謮?，在壓力梯度的作用下將濕空氣的水蒸氣吸收到濃溶液中，直至雙方的水蒸氣分壓達到平衡，吸收過程結(jié)束。吸濕后的稀溶液通過太陽能收集的熱量再生。太陽能溶液除濕制冷系統(tǒng)圖如圖3 所示。圖3 太陽能溶液除濕制冷系統(tǒng)圖 液體除濕的突出優(yōu)點是采用對環(huán)境無污染的水作為制冷劑；利用低品位熱能，如太陽能、余熱等，驅(qū)動空調(diào)過程20；采用除濕空調(diào)可以除去空氣中的塵埃和細菌等有害物質(zhì),全新風運行,提高室內(nèi)空氣品質(zhì)21。2.3.2太陽能固體除濕空調(diào) 太陽能固體除濕空調(diào)系統(tǒng)主要由太

12、陽能集熱器、轉(zhuǎn)輪除濕機、板翅式換熱器、蒸發(fā)冷卻器、再生器和輔助熱源(如燃氣鍋爐)等部分組成。圖4 轉(zhuǎn)輪除濕器示意圖22 轉(zhuǎn)輪除濕機的主體結(jié)構(gòu)是一個不斷轉(zhuǎn)動的蜂窩狀轉(zhuǎn)輪,用覆有固體除濕劑的特殊復合耐熱材料制成如圖4。轉(zhuǎn)輪可以分成工作區(qū)和再生區(qū),它們分別與處理空氣和再生空氣相接觸,兩區(qū)中間被密封隔離。當濕空氣進入工作區(qū)時,空氣中水分子被轉(zhuǎn)輪中的除濕劑吸收;吸收了水分子的轉(zhuǎn)輪扇區(qū)飽和時自動轉(zhuǎn)到再生空氣側(cè)扇區(qū)再生。再生過程中,太陽能集熱器為再生器提供熱量,加熱后的空氣進入再生扇區(qū),將已飽和的除濕劑內(nèi)的水分蒸發(fā)并帶走,恢復除濕劑的除濕能力,從而使除濕過程和再生過程周而復始地進行23。2.4噴射式制冷太陽

13、能噴射制冷系統(tǒng)是以噴射器代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓縮制冷的壓縮機進行制冷24，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ闹评浞绞?，其結(jié)構(gòu)簡單，一次能源消耗少。太陽能噴射制冷多為以太陽能集熱器收集熱量，通過換熱器為發(fā)生器供熱的方式運行，因此在溫差傳熱過程中就會出現(xiàn)不可逆的能量損失25。圖5 太陽能噴射式制冷系統(tǒng)原理圖圖5為太陽能噴射式制冷系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)圖包括兩個子循環(huán)，一個是制冷劑的制冷循環(huán)，一個是為制冷循環(huán)提供能量的水循環(huán)。制冷劑在冷凝器中由蒸汽冷凝為液體，制冷劑液體一分兩路，一部分經(jīng)節(jié)流作用進入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，一部分經(jīng)循環(huán)泵進入發(fā)生器，和經(jīng)太陽能集熱器加熱之后的熱水進行熱量交換，變成高溫高壓的蒸汽進入噴射器，經(jīng)過噴嘴的加速降壓引

14、射來自蒸發(fā)器的低溫低壓的制冷劑蒸汽，兩股流體經(jīng)過混合、擴壓形成中間壓力的蒸汽進入冷凝器。在發(fā)生器中由于熱量交換而變成低溫的熱水進入太陽能集熱器，在能量子系統(tǒng)中循環(huán)26。2.5半導體制冷太陽能半導體制冷是由太陽光轉(zhuǎn)換為直流電驅(qū)動半導體制冷系統(tǒng)，無需電流逆變裝置，無能量多次變換引起的損失，可以微型化，同時因其無制冷劑和機械轉(zhuǎn)動部件27，而具有無毒害、無污染和運行無噪音、無振動、無磨損等優(yōu)點，逐漸引起人們的關(guān)注。 半導體制冷原理的基礎(chǔ)之一即為帕爾帖效應(yīng)28。 當直流電通過由兩種不同半導體(或?qū)w)組成的回路時，在兩種半導體的接觸點會產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象。圖6是半導體制冷的基本原理示意圖，當一塊N型半

15、導體材料和一塊 P 型半導體材料在金屬平板間形成通路，接上直流電源后，在接頭處會產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，圖6 半導體制冷原理圖電流由 N 型元件流向 P 型元件的接頭吸收熱量，成為冷端，由 P 型元件流向N 型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。在實際應(yīng)用中只需把其冷端放到要致冷的對象中，即可實現(xiàn)吸熱制冷29。3.太陽能制冷的研究現(xiàn)狀自上世紀70年代以來我國多個科研院所追蹤發(fā)展太陽能制冷技術(shù)，吸收式太陽能空調(diào)領(lǐng)域研究比較成功的有廣州能源所、北京太陽能研究所、上海交通大學及香港大學等科研單位；企業(yè)方面，北京天普、山東皇明、長沙遠大和珠海興業(yè)等企業(yè)都建立了太陽能空調(diào)示范系統(tǒng)，開始產(chǎn)業(yè)化嘗試。其中長沙遠大為槽式聚光

16、系統(tǒng)；目前珠海興業(yè)新能源科技有限公司在珠?？偛亢秃戏止痉謩e新建了70kW 和500kW 的智能太陽能空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由真空熱管式集熱器，熱水吸收式制冷機組、蓄能系統(tǒng)、空調(diào)終端和控制電路組成，系統(tǒng)調(diào)試成功后，已經(jīng)連續(xù)可靠的運行18個月，為目前國內(nèi)運行最為成功的太陽能空調(diào)工程之一，除此之外興業(yè) 公司還努力開發(fā)光熱幕墻等設(shè)備及相變蓄能材料，以期更好地與建筑一體化結(jié)合及提高太陽能空調(diào)的效率30。 總結(jié)歐洲的開發(fā)案例，吸收式制冷機以其穩(wěn)定可靠，技術(shù)成熟在太陽能空調(diào)中得到最廣泛的使用。因此國內(nèi)多數(shù)企業(yè)單位選擇吸收制冷系統(tǒng)的太陽能空調(diào)制冷主機。 4.太陽能制冷技術(shù)應(yīng)用存在的問題經(jīng)濟性問題:太陽能制冷空調(diào)

17、運行費用較低，但其一次性投資很高，太陽能制冷空調(diào)冷水機組的投資比常規(guī)空調(diào)冷水機組高10-16倍.由于太陽能制冷空調(diào)設(shè)備的投資過高，若在普通建筑空調(diào)中應(yīng)用，在設(shè)備壽命周期內(nèi)通常難以收回增加的投資，這是制約該技術(shù)在實際工程中大規(guī)模推廣應(yīng)用的一個最重要因素。性能不穩(wěn)定問題:由于在同一天的不同時段和不同氣象條件下太陽輻照度差異很大，因此太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力波動很大，夜間不采用蓄能或不設(shè)置輔助的常規(guī)空調(diào)制冷設(shè)備的情況下，太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)將無法工作，保證率低、性能不穩(wěn)定是制約太陽能制冷空調(diào)技術(shù)在建筑工程中推廣應(yīng)用的另一個重要問題。占地面積大的問題:地球表面陽光的能量密度低，因此太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)

18、的太陽能集熱器或光伏電池的占地面積較大。性能衰減問題:無論是太陽能電池還是太陽能集熱器，由于表面積灰、涂層和光電元件老化等原因，都會出現(xiàn)性能衰減的問題。工程設(shè)計問題：太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計需要進行太陽輻照度變化和建筑空調(diào)冷負荷變化的逐時計算分析，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)復雜。但目前缺乏完善的設(shè)計規(guī)范、技術(shù)措施、實用的設(shè)計算法和設(shè)計軟件，制約了該技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用。壽命周期能耗和污染排放問題：太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)制造過程中需要消耗較多的材料資源，在這些材料的生產(chǎn)過程中，也要消耗一定的能源，也有一些污染物排放，其中太陽能光伏電池更是一種高能耗產(chǎn)品31。5. 結(jié)束語 太陽能是取之不盡用之不竭的綠色能源，提

19、高太陽能的利用效率和太陽能制冷技術(shù)的實用化是今后重點研究的方向。太陽能制冷技術(shù)是一項新型的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，能夠有效的解決目前能源短缺、環(huán)境污染嚴重的問題。當然，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用還具有一定的局限性，這就需要我們不斷的轉(zhuǎn)變理念，運用長遠的眼光和科學觀念，去不斷的探究新型的技術(shù)，開發(fā)新型的能源。參考文獻1郭靜，賈月太陽能制冷空調(diào)中國專利申請概況J科技傳播，2014（6）：111 - 1122徐偉，鄭瑞澄，路賓中國太陽能建筑應(yīng)用發(fā)展研究報告M北 京：中 國 建筑工業(yè)出版社，2009；164 - 1653張朝昌，厲彥忠，陳曦，王強. 太陽能制冷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展J.制冷空調(diào)，2003（2）；154金葉佳,尹

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