关于我国太阳能制冷空调的研究与发展

我国太阳能制冷空调研究与发展摘要：近年，太阳能利用技术迅速发展，太阳能制冷技术也随之出现。太阳能制冷系统不仅可以利用太阳能转换成的热能提供热水和采暖，而且还可以利用这部分热能提供制冷。太阳能制冷极具优势：夏季太阳辐射越强、天气越热，建筑负荷越大，太阳能制冷系统的制冷效果越好，同时还节省了对常规能源的消耗，符合节能和环保的要求。关键字：太阳能 制冷技术 空调 正文目前太阳能光-热转换利用已经有了很大的发展，特别是在解决生活的需要方面，如生活热水、采暖、太阳房等。但这些应用在需求上其实与大自然的赐予并不完全一致：当天气越冷、人们越需要温暖的时候，太阳能量的提供往往不足。而太阳能空调的应用则正好与太阳能的供给大体上保持很好的一致性：当天气越热、太阳辐射越强的时候，空调的负荷也越大。这正是太阳能空调应用最有利的因素。我国太阳能资源十分丰富，其中三分之二以上的地区利用太阳能的条件都相当好。随着经济的发展和人们生活水平的提高，空调的需求量越来越大。一般民用建筑物，如酒店、办公楼、医院等，空调耗能已占总耗能的50以上，给能源、电力和环境造成了很大的压力。电力的发展伴随着废气排放、温室效应和酸雨等环境问题，而空调机的制冷剂（CFC8）还会对大气臭氧层造成破坏。因此不管在国外还是国内，太阳能制冷空调一直是受到重视的研究课题。在我国，对太阳能空调的研究始于1975年在安阳召开全国第一次太阳能利用工作经验交流会议以后的七十年代后期。1974年中东石油危机发生以后，不少科研机构、高等院校和企业单位纷纷投入一定的人力和物力研制太阳能制冷（空调）机，其中多数是小型的氨一水吸收式制冷试验样机。由于当时还有许多技术难题没有来得及解决，再加上科研拨款制度改革，太阳能空调项目的研究经费因一时难以形成效益而被削减，研究工作的队伍和规模就大大缩小，仅存少数单位仍坚持基础性研究和样机试制，经历了一段非常困难的时期。尽管如此，20年来，经过广大科技工作者的不懈努力，我国在这一领域还是进行了不少研究工作，探索过各种各样利用太阳能降温的途径，在技术上取得一定的进展，并且在推广应用方面取得了重要成果。下面将对对国内有关太阳能制冷空调研究与应用的发展情况作简单介绍和报道。一太阳能吸收式制冷（1） 溴化锂-水吸收式制冷机太阳能驱动的溴化锂-水吸收式制冷系统，最核心的部分是溴化锂-水吸收式制冷机。根据实际系统需要，选择合适的制冷机，然后根据制冷机的驱动热源选择与之相匹配的太阳能集热器。另一方面，太阳能集热器的技术对于太阳能吸收式制冷的发展也有限制。目前平板集热器在超过90度的高温下效率过低，真空管集热器与CPC等聚焦集热器，在国际上普遍成本较高，因此太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统，是目前比较成熟的且应用广泛的制冷系统。在我国，进入90年代后，溴化锂吸收式制冷机在国内已成为成熟的产品，而且形成了一个颇具规模的产业。目前全国有近百家生产溴化锂制冷机的工厂，其中热水型的溴化锂吸收式制冷机产品全都是一种单级吸收式制冷机。该产品也可以应用于太阳能系统，实现太阳能空调。由于这种制冷机要求热源热水温度在88以上，普通的太阳能热水器不能满足要求，需要配合真空管型集热器或高效平板型中温集热器。迄今为止，国外的太阳能空调系统通常都采用这种热水型单级吸收式澳化银制冷机。该类制冷机在热源温度足够高及冷却水温度比较低的场合，性能良好：若热源温度降低而冷却水温度较高，它的效率将大大下降，甚至不能正常制冷。单级吸收式制冷机还有一个很大的缺点，就是热源的利用温差小，一般只有6一8。例如，如果输入制冷机的热水温度为90C，那么经过制冷以后输出的热水仍有82C以上。换言之，82C的热水要送到太阳能集热器加热升温，太阳能系统的平均工作温度一直要保持在很高的水平，它的效率相应要降低。我国第一次采用自己制造的制冷机应用于大型太阳能空调系统是在1997年为国家“九五”科技攻关项目“太阳能空调及供热示范系统”所研制了一台100kW的两级吸收式制冷机。成功地应用于太阳能系统中，并且与于1998年投入运行。这种新型的两级吸收式制冷机有两个显著的特点，一是所要求的热源温度低，在65C以上的温度范围内均能稳定地制冷，甚至低至60C时仍可达到80的制冷量和性能系数；二是热源的利用温差大，为1224C（随热源温度而变）。由于工作温度低，这种制冷机的COP值相应也要降低（040左右），但其热源的利用温差大的优势足以弥补这个不足。举例来说，对于同样为88C的热水，单级吸收式制冷机的COp约为06，但它只利用了8（回水温度80C），实际利用为48C；而两级吸收式制冷机能利用24c（回水温度64c），以04的COP值计算，实际利用为96C，利用的能量高出一倍。因此，单以COP值来衡量这种制冷机的性能是不全面的，还应该看它的佣效率。此外，回水温度低的特点，使得它更适合太阳能的利用，也有助于提高大阳能系统的效率。（2）氨-水吸收式制冷机在70年代后期，世界各国对太阳能利用的研究蓬勃开展，我国太阳能制冷空调的研究也在此期间起步，其中对太阳能驱动的氨。水吸收式制冷系统的研究最为活跃，先后有20多个单位开展过工作，积累了宝贵的经验，他们是我国太阳能制冷与空调研究的先行者。天津大学1975年研制的连续式氨一水吸收式太阳能制冰机，7月首次制出冰，该装置有效集热面积1.33m2，由集热器（发生器）、冷凝器、节流阀、蒸发器、热交换器、氨液循环泵、吸收器组成，不设蒸馏器，有水平转盘，可手动调节方位角。经改进后，1979年试验结果：日产冰量可达5.4kg，制冰机总效率为6.24。北京师范学院（现首都师范大学）与北京市建筑安装工程公司等单位于1977年研制成功1.5m2平板型间歇式太阳能制冰机，利用氨一水为工质，不需外加动力，在北京地区夏季晴天每天可制冰68一8kg，整机效率105左右。集热器采用套管结构，以便可利用多种能源。只要冷却水温不超过25C，都可利用太阳能制冷。1979年又研制出8m2平板型自动跟踪连续式太阳能冷藏柜，利用两对光电管分别控制集热器的方位角和倾角，并考虑了采用多种能源的需要，制冷量可达5024kJh。二太阳能吸收式制冷太阳能吸收式制冷系统太阳能吸收式制冷就是利用太阳能集热器提供吸收式制冷机循环所需要的热源，保证吸收式制冷机正常运行达到制冷的目的。太阳能吸收式制冷系统主要由太阳能集热器、热水箱、辅助加热器、吸收式制冷机、冷却塔、冷冻水箱等组成，其中吸收式制冷机包含发生器、吸收器、冷凝器和蒸发器，制冷N吸收剂在制冷机内通过汽化一冷凝一蒸发一吸收四个过程完成制冷目的。太阳能吸收式制冷包括两大循环，即太阳能热利用循环及吸收式制冷循环。太阳能热利用循环由太阳能集热器、储热水箱、辅助加热装置等几部分组成。太阳能集热器吸收太阳能热辐射，将热水箱内的水加热作为吸收式制冷机发生器的热源，如果集热器加热后的水达不到水温要求，通过辅助加热装置辅助进行加热。吸收式制冷循环由吸收式制冷机、冷却塔、冷冻水箱等部分组成。在吸收式制冷机运行过程中，二元溶液在发生器内受到太阳能集热器产生的热媒水加热，溶液中的制冷剂不断汽化；随着制冷剂的不断汽化，发生器内的吸收剂浓度不断升高，进入吸收器；制冷剂蒸汽进入冷凝器，被冷凝器内的冷却水降温后凝结，成为高压低温的液态制冷剂；当冷凝器内的制冷剂通过膨胀阀进入蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收冷冻水的热量，从而达到降温制冷的目的，高温的制冷剂蒸汽进入到吸收器，而冷冻水直接送入冷冻水箱内，提供给空调系统加热器表冷器交换冷量；在此过程中，冷凝器中温度升高后的冷却水经过冷却塔降温后送入吸收器，将蒸发器送来的制冷剂蒸汽降温液化并被吸收剂浓溶液吸收，溶液浓度逐步降低，再由循环泵送回发生器，完成整个循环，如此循环不息，连续制取冷量。三太阳能吸附式制冷太阳能吸附式制冷系统太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、储液器、蒸发器和阀门等组成，其中太阳能吸附集热器相当于太阳能吸收式制冷系统中的太阳能热水系统、发生器和吸收器的组合，吸附集热器内的吸附剂相当于吸收式制冷中的吸收剂。白天太阳辐射充足时，太阳能吸附集热器吸收太阳辐射能后，吸附床温度升高，使制冷剂从吸附剂中解吸，太阳能吸附集热器内压力升高。解吸出来的制冷剂进入冷凝器，经冷却水冷却后凝结为液态，进入蒸发储液器。夜间或太阳辐射不足时，环境温度降低，太阳能吸附集热器自然冷却，吸附床的温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂；储液器中的制冷剂通过膨胀阀进入蒸发器，在汽化过程中吸收冷冻水的热量，汽化后的制冷剂蒸汽再次被吸收剂吸附。考虑到天气情况的影响，在系统中加以辅助冷热源。当太阳能辐射不足时，太阳能吸附集热器通入辅助热水使吸附床温度升高，制冷剂解吸；当冷冻水温度达不到要求时，太阳能吸附集热器通入辅助冷却水使吸附床温度降低，开始吸附制冷剂。在太阳能空调方面，从70年代开始就有不少单位作过不同程度的研究和试验。由于太阳能空调技术要求较高，各方面的技术尚未成熟，而且需要投入的资金量很大，因此许多研究一直停留在试验阶段，但同时也为太阳能空调的实际应用做好了技术准备工作。直到“九五”计划期间，作为太阳能空调应用基础的太阳能热水器已经在全国蓬勃发展，漠化狸吸收式制冷机产品也已成熟和稳定，经过国家科委（科技部）和中国太阳能学会热利用专业委员会组织专家研讨、论证，认为太阳能空调进入实际应用的时机已经成熟。国家科委把“太阳能空调示范系统”列入“九五”重点科技攻关项目计划，在我国南方和北方各建一座大型实 用性的太阳能空调系统。根据国家“九五”攻关项目计划，中国科学院广州能源研究所负责在南方建立太阳能空调示范系统。项目于1996年8月正式启动，1998年2月系统主体工程完成，并开始供给热水，4月试运行供冷，6月正式投入使用。大型太阳能空调系统建造于广东省江门市一栋24层综合大楼上。该大楼是一座多功能的综合性商用、办公大楼，有写字楼、营业厅、招待所、运动娱乐场所、培训中心等。利用太阳能全年提供大楼每天所需的生活用热水，除此之外，在夏天以太阳能热水制冷，供其中一层空调。主要技术参数为：太阳能集热器：高效平板式集热器（带透明隔热板）集热面积：500m2制冷机：两级吸收式澳化钾制冷机制冷功率：100kW制冷热源温度：75C（设计工况）冷冻水温度：9供空调用户面积：600m2系统运行调试取得令人满意的结果：（1）太阳能集热系统效率很高，能满足制冷及生活热水需求。（2）制冷机各项指标均超过设计要求。运行测试结果如下：驱动热源温度低，在65一75C范围内都能达到设计要求。热源温度低至60C左右时，仍有较高的制冷能力（80）。热水利用温差大，可高达15C。制冷能力可超过设计指标（最高达112kW）。冷冻水温度可低至6一7C（设计工况为9C）。性能系数（COP）较高（可大于04）。四太阳能除湿式空调除湿式空调系统是利用吸湿剂（例如氯化锂、硅胶等）对空气进行减湿，然后蒸发降温，对房间进行温度和湿度的调节，用过的吸附剂被加热进行再生。再生过程可以利用较低品位热能，因此也很适合于太阳能利用。该方法有利于保护大气环境，还有利于改善室内空气品质。西北工业大学、清华大学等对除湿式空调的研究，已经做了不少工作。为了对除湿空调系统和其中的关键部件进行研究，促进这一技术领域的发展，清华大学兴建了一座利用太阳能再生的干燥剂除湿复合空调系统试验装置。该装置由空气预处理段、太阳热能加热段、干燥剂除湿冷却系统和常规制冷机组成。系统具有营造所要求的试验工况、利用太阳热能以及进行各种设备性能试验等多种功能，包括构成与压缩式制冷系统相结合的复合式空调系统。该装置参照国际上类似对象的试验标准和方法，实现设备的自动调节与控制及数据自动巡检与处理。试验结果表明，装置达到了所述试验功能和指标。西北工业大学对吸附剂的除湿性能、吸附除湿换热器及除湿空调系统等都作了充分的研究，并且在实用性产品开发方面取得了成果。五被动式降温被动式降温是对通过太阳能辐射和热辐射进行有选择的、合理的利用，达到建筑物自身降温或减少冷负荷的目的。建筑物与外界的热交换主要通过门窗和外墙进行。窗户是建筑物隔热保温的最薄弱环节，也是太阳辐射光和热的进入渠道。一些反光膜、滤光膜、蓝玻璃等主要是解决遮光问题，但仍有一部分红外辐射透过。而对于降温来说，反射红外辐射比反射可见光更为重要。可见，按不同需要，采用有严格光谱选择性的涂层、薄膜或功能性玻璃，对于建筑物的降温和节能是很有意义的。建筑物外墙一方面吸收太阳辐射，另一方面也向外界散发热量。要达到降温的目的，必须要对太阳辐射中的可见光及红外辐射有根强的反射率，减少墙体的吸热和蓄热，加速建筑物的放热，达到降温的效果。研究这类光谱选择性涂料并结合建筑物外墙的装饰，将有助于建筑物的降温。辐射致冷也是建筑物被动式降温的一种新方法。大气外层空间是一个接近绝对零度的天然巨大冷库。根据辐射换热的原理，两个有温度差的物体之间，会以辐射的形式交换能量。这样就有可能把地面上的热能以辐射的形式释放出去，达到自身冷却降温的目的。但并不是所有辐射都能自由地穿过大气层，只有某些波长段的辐射穿透大气层的能力比较强，气象学上称为“大气窗口”。因此，要求辐射体要有严格的光谱选择特性，在对应“大气窗口”，的波长段上有很强的辐射率，同时在这以外有极高的反射率，热能传到辐射体上，以特定的波长向天空辐射出去，辐射体由于释放了能量而得到降温。近二十年来辐射致冷研究在国外取得不少进展。在国内，中国科技大学长期以来进行过大量的理论和实验研究，特别是理论计算模型方面有独特的创新性。中国科学院广州能源研究所等单位在试验和应用方面也做了不少工作。在光谱选择性涂料方面，广州能源研究所研究成功一种船用的热反射涂料。热反射涂料与辐射致冷在原理上虽然不尽相同，但对辐射波长选择性（反射和吸收）这个本质问题上是一致的。所研究的热反射涂料的热性能指标达到：红外反射率大于80，与标准板相比，板温可降低20C（标准板64c，样本板44C）。结论：随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，制冷和空调的需求会越来越大，特别是建筑物降温的能耗巨大，给能源、电力、环境等方面带来越来越大的压力。利用太阳能来解决这个问题值得重视，但太阳能空调应根据不同地区的气候特点，不同的使用要求，综合采取多种技术措施（如主动式制冷与被动式降温相结合），才能解决好这个问题。虽然经过20多年试验研究和技术攻关，我国的太阳能制冷及空调事业某些方面已取得了很大的进展，一些应用技术正开始迈入实用化阶段，但是由于过去投入不够