太阳能空调的研究与发展

太阳能空调的研究与发展摘要随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生活环境的要求越来越高，采暖和空调已经是建筑物的必要设施。另一方面由于常规能源不断千采和使用，其储藏量将不断地减小，环境污染的问题也越来越严峻。因此，利用太阳能供冷和供热，不仅可以节省电力和常规能源，对环境保护尤其有重要意义。关键词：太阳能空调；节能一、引言顾名思义，太阳能空调是以太阳能作为制冷空调的能源。利用太阳能制冷可以有两条途径，一是利用光伏技术产生电力，以电力推动常规的压缩式制冷机制冷；二是进行光-热转换，用热作为能源制冷。前者系统比较简单，但以目前先电池的价格计算，其造价为为后者的3-4倍；后者除了供冷之外，还结合供热利用。因此国外的太阳能空调系统通常以第二种为主。二、太阳能空调技术的发展70年代后期，世界各国对太阳能利用的研究蓬勃发展，太阳能空调技术也随之出现。人们发现太阳能空调的应用比较合理：当太阳辐射越强，天气越热的时候，太阳能空调的负荷越大，制冷效果最好。因而太阳能空调技术也引起了世界学者的广泛注意。不少科研机构、高等院校和企业纷纷投入人力和物力研制太阳能制冷（空调机，其中多数是小型的吸收式制冷试验样机。在国外，佛罗里达大学的法伯教授就着手于这方面的研究，并投入了实际运行，他采用氨吸收式制冷机，冷却水为21的井水，据认为制冷系数有0.45左右。日本也报道了他们研制的太阳能供冷系统，该系统由面积32.2平方米的平板集热器，7kW的溴化锂制冷机和2.5立方米的储热水罐组成。数据表明，该系统可提供冬天供热所需的全部能量和夏天典型日内为驱动吸收式制冷机所需的能量的70%。沙特阿拉伯建设了平板集热器的太阳能空调，采用溴化锂制冷机进行制冷，并公开了其性能。在国内，天津大学1975年研制的连续式氨一水吸收式太阳能制冰机，日产冰量可达5.4kg。北京师范学院（现首都师范学院等）1977年研制成功1.5m2平板型间歇式太阳能制冰机，每天可制冰6.8-8kg；1979年又研制出8m2平板型自动跟踪连续式太阳能冷藏柜。华中工学院（现华中理工大学）研制了采光面积为1.5m2，冰箱容积为70升，以氨一水为工质对的小型太阳能制冷装置，可维持冰箱010小时左右。香港大学完成了太阳能吸收式空调设计、运行和在香港气候条件下的性能数据。另外，上海交通大学制冷与低温工程研究所在太阳能制冷方面作了大量的工作，并且提出了一种太阳能供热与制冷联合循环的复合机装置。1987年，中国科学院广州能源研究所与香港理工学院合作在深圳建成了一套科研与实用相结合的示范性太阳能空调与热水综合系统，集热面积共120m2，制冷能力14kw，1998年1月，中科院广州能源研究所研制成功了实用型太阳能空调热水系统，在广州江门市投入运行。其中，制冷用热水温度65-75，生活势水温度55-60，采用500平方米高效率平板集热器，一台100kW两级吸收式制冷机可满足超过600平方米的空调负荷。随着太阳能制冷空调关键技术的成熟，特别在太阳能集热器和制冷机方面取得了迅猛发展，太阳能空调也得到了快速发展。九十年代真空管集热器和溴化锂吸收式制冷机大量地进入了市场。真空管集热器的热水温度夏季都在85以上，完全能够满足太阳能空调的需要。中国科学院广州能源研究所研制的低温热水型两级吸收式制冷机，热源温度只需60以上，特别适合于在太阳能空调中使用。国内不少厂家也开始生产太阳能空调，例如上海中天生产小型太阳能空调，广州能源、烟台福山等生产大型太阳能空调都具有比较成熟的经验。三、当前太阳能空调的技术特点现在太阳能空调的实现方式主要有两种，一是先实现光-电转换，再用电力驱动常规压缩式制冷机进行制冷；这种实现方式原理简单、容易实现，但成本高。象青岛海尔就生产过这种太阳能冰箱和空调。二是利用太阳的热能驱动进行制冷，这种制冷方式技术要求高，但成本低、无噪音、无污染。现采用的主要是这种方式。这种方式的太阳能空调一般又可分为吸收式和吸附式两种。吸收式制冷技术是利用吸收剂的吸收和蒸发特性进行制冷的技术，根据吸收剂的不同，分为氨-水吸收式制冷和溴化锂-水吸收式制冷两种。它以太阳能集热器收集太阳能产生热水或热空气，再用太阳能热水或热空气代替锅炉热水输入制冷机中制冷。由于造价、工艺、效率等方面的原因，这种制冷机不宜做得太小。所以，采用这种技术的太阳能空调系统一般适用于中央空调，系统需要有一定的规模。吸附式制冷技术是利用固体吸附剂对制冷剂的吸附作用来制冷，常用的有分子筛-水、活性炭-甲醇吸附式制冷。四、太阳能空调技术的优势和应用前景当前，大部分使用的空调技术是一种以电能为动力，把室内热量加以吸收排除到室外的循环系统。耗能的严重问题，在世界能源日益紧张的今天，采用更为节能的空调系统是人类的共同需要。太阳能空调解决了这个问题，它基本不用电能，运行费用低（可无运行费用），无运动部件，寿命长，无噪声。而且利用太阳能作为能源的空调系统，它的诱人之处还在于越是太阳能辐射强烈的时候，环境气温越高，人们的生活越需要空调，此时，太阳能空调的制冷能力就越强。这是人和自然和谐的理想境界。使用太阳能空调的结果，既创造了室内宜人的温度，又能降低大气的环境温度，还减弱了城市中的热岛效应。更为可取的是，它既节约了能源，还不使用破坏大气层的氟里昂等有害物质，是名副其实的绿色空调。在节能和环境方面有很大的发展潜力。就我国的空调行业而言，空调器的市场正处于发展和完善阶段，目前，大中城市家庭的空调器普及仅在20%以下，市场潜力十分巨大。随着人们生活水平的大幅提高，空调器已逐渐成为家庭必备的家用电器，阻碍空调进入家庭的主要矛盾是耗能和价格因素。从太阳能空调的特性和技术特点来看，太阳能空调最适合于上述矛盾的解决和应用，当前空调行业的需求也给太阳能空调技术的发展和应用带来了难得的机遇。太阳能空调技术一定有广阔的应用前景。五、存在的问题及可能的解决办法(1)因受太阳能集热器的影响，太阳能空调普遍存在着效率低、价格高的问题。但是太阳能空调是建立在太阳能热水应用基础上的，太阳能空调中的太阳能集热器可以与太阳能热水器相通用，随着太阳能热水器的发展，太阳能集热器的效率也会提高；对于原来有太阳能热水器的用户可以改造，先制冷再用余热洗澡，使其有更好的经济性。(2)从集热器、制冷机等相应的成本分配来看，集热温度、冷水温度及冷却水温度应各为多少，才能建立一个最为经济合理的太阳能空调系统，也是尚待解决的课题。不过我想，只要有了合适的集热器和制冷机，建立经济合理的太阳能空调系统，只是时间问题。(3)由于太阳能的收集存在着时效问题，蓄热技术也必须得到很好地解决。现存的蓄热方法主要采用增加热水容量，增强保温效果，随着蓄热技术和蓄热载体的研究开，太阳能空调系统的不可靠性和间断性也会有所改善。(4)对于居住相对集中的楼房来说，集热器的安装受到很大的限制。这主要是因为太阳能空调的安装不普遍，楼房的设计没有考虑到太阳能空调，就象八十年代的太阳能热水器，安装很复杂，而现在楼房设计者想到了，太阳能热水器抬上就是。(5)没有太阳能空调系统的计算机设计软件、控制芯片、技术标准、统一的配套设备和零部件。这是科技与市场结合的问题，需要太阳能空调形成一定的规模，占领一定的市场，还需要一定的时间和政府、科技部门的支持。经过几十年的发展，太阳能空调技术已经开始迈入实用化阶段，并逐渐走入了市场；科技的进步和经济的发展对能源与环境也提出了更高的要求，相信在政府和社会的大力支持下，紧紧依托太阳能热水器这个成熟的大市场，太阳能空调一定会有很大的发展。六、发展太阳能空调应用的基础和意义1.1太阳能利用的合理性一般的太阳能热利用项目，如采暖、热水等，在需求上其实与太阳能的提供并不完全一致：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。从这个角度来看，太阳能空调的应用是最合理的：当太阳辐射越强。天气越热的时候，我们需要空调的负荷也越大。这是太阳能空调应用最有利的客观因素。1.2太阳能空调的市场基础太阳能热水器在国内市场迅猛发展，全国太阳能热水器的使用量已超过1000万平方米近年来每年增长超过200万平方米，由此可见，太阳能热水器的使用量和需求量都非常大，市场前景非常好。另一方面，空调的需求也是一个巨大的市场。如果把供热与空调结合起耘将是一个更加理想的方案。这是太阳能空调实现推广应用的市场基础。1.3太阳能空调的技术基础太阳能制冷空调的关键技术已经成熟。（1）在太阳能集热器方面，真空管集热器、平板集热器都已经在市场上推广应用；（2）在制冷机方面，溴化锂吸收式制冷机在九十年代大量地进入了市场。中国科学院广州能源研究所研制的低温热水型两级吸收式淡化侄制冷机，热源温度只需60以上，特别适合于太阳能的利用。（3）在系统方面，已经积累了丰富的经验。因此，太阳能空调应用在技术上是可行的。1.4太阳能空调的经济性太阳能热水器的经济性问题，市场已经作了很好的说明。太阳能空调建立在太阳能热水应用的基础上，利用的是夏天用不完的能源，使太阳能得到充分的利用。增加的投资是制冷机部分，而这部分的投资在常规空调方面也是需要的。因此，太阳能空调与太阳能热水相结合，有更好的经济性。1.5环境保护，可持续发展的要求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。在一般民用建筑物，空调的能耗占了一半以上，给能源、电力和环境带来很大的压力。电力的发展同时带来废气阶放，温室效应和酸雨等环境问题，空调机的制冷剂（CFCs）还会对大气臭氧层造成破坏。切时龟空调用的是清洁的太阳能，制冷过程也没有污染的危险，系统本身是符合环境保护要求的。另一方面，节省了电力和燃料，间接上也减轻了环境的压力，太阳能空调的应用完全降合可持续发展战略的要求。基于上述观点和理由，有关部门和专家一致认为，发展太阳能空调应用的时机已经成熟，并且有良好的社会、经济效益，同时也能提高太阳能利用的科学意义和技术水平，有利于推动太阳能事业的发展。为了促进推广应用，需要建立一个示范性的系统。因此，国家科委（现科技部）把“太阳能空调及供热综合示范系统”列为“九五”重点科技攻关项目。2.我国太阳能空调的发展与现状（1）起步阶段（70年代未一80年代初）在我国，太阳能制冷及空调的研究可以追溯到1975年在妄阳召开全国太阳能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、高等院校和企业纷纷投入人力和物力研制太阳能制冷（空调机，其中多数是小型的务水吸收式制冷试验样机。例如：天津大学1975年研制的连续式氨一水吸收式太阳能制冰机，日产冰量可达5.4kg.为北京师范学院（现首都师范学大等）1977年研制成功1.5m2平板型间歇式太阳能制冰机，每天可制冰6.8-8kg；1979年义研制出8m2平板型自动跟踪连续式太阳能冷藏柜。华中工学院（现华中理工大学）研制了采光面积为1.5m2，冰箱容积为70升，以氨一水为工质对的小型太阳能制冷装置，可维持冰箱010小时左右。这期间先后有20多个单位开展过工作，积累了宝贵的经验，（2）坚持阶段（80年代中后期一90年代初）其后，由于当时还有许多技术难题没有来得及解决，太阳能空调项目因一时难以看到成效而得不到支持，研究的队伍和规模大大缩小，仅存少数单位仍坚持基础性研究和样机试验，经历了一段非常困难的时期。在这期间，中科院广州能源所得到了香港裘槎基金会的资助，坚持进行了太阳能空调系统以及太阳能制冷机的研究，并且取得了重要的进展。1987年，中国科学院广州能源研究所与香港理工学院合作在深圳建成了一套科研与实用相结合的示范性太阳能空调与热水综合系统，集热面积共120m2，制冷能力14kw，空调面积为80m2采用了三种中温集热器，包括直通式真主管集热器、热管型真空管集热器和V形隔热膜平板型集热器。采用两合日本矢崎公司生产的2冷吨单级淡化侄吸收式制冷机。为了适应太阳能的利用，中国科学院广州能源所从1982年开始进行了新型热水型两级吸收式决化铰制冷机的研制并取得了成功，这种新型的制冷机有两个显著的特点，一是所要求的热源温度低，在65以上的范国内能稳定地运行；二是热源的利用温差大，为12-24（随热源温度而变）。（3）实用阶段（“九五”计划期间）直到“九五”计划期间，太阳能空调的的各方面条件已经成熟，国家科委（现科技部）把“太阳能空调”列为重，氨科技攻关项目，计划建成示范性系统，以促进太阳能空调的推广应用。大阳能空调项目迎来了它的第二个春天，太阳能空调的技术水平也上升到一个新的高度。中科院广州能源所和北京太阳能研究所承担了该项任务，计划在南方和北方各建一座大型实用性太阳能空调系统。七、100kw太阳能空调系统3.1应用对象太阳能空调系统应兼顾供热和供冷两个方面的应用，例如综合办公搂、招待所、学校、医院、游泳池、水产养殖等，都是比较理想的应用对象。这些用户冬季（或全年）需要供热，如生活热水、采暖、游泳池水补热调温等，而夏季一般都需要空调。“九五”攻关项目100kW太阳能空调系统选定在广东省江门市一座新建的24层大楼上实施。该大樱是一座多功能的综合性大楼，有办公樱、营业厅、招待所、培训中心等，利用太阳能提供大搂每天所需的生活热水，除此之外，在夏天以太阳能热水制冷，供其中一层空调。3.2系统简介太阳能空调热水系统。以平板集热器收集太阳能产生热水，分别储存在制冷及生活热水水箱中。采用一台100kW的两级吸收式制冷机，用太阳能热水输入制冷机制冷。采取中央空调供冷方式，制取的9左右的冷冻水送到用户的风机盘管，然后返回冷冻水箱。当天气不好、水温不足时，用一台燃油热水炉辅助升温，保证系统能全天候运行。生活热水则直接输送到用户。系统金自动采集数据和控制运行。3.3主要技术构成1）太阳能集热器为了保证平板集热器能满足制冷空调的要求，又不失其简单价廉的特点，通过研究、试验，采取了一些简单而有效的技术改进措施。其中最主要的是增加了一决能耐较高温度的透明隔热板，通过抑制空气自然对流从而减少表面的热损失。试验及使用的结果证明，透明隔热板起了关键性作用。该集热器在太阳辐射较强的时候，能持续提供制冷用热水；在太阳辐射较弱时，也可以产生足够的生活用热水。2）制冷机制冷机是采用一种两级吸收式淡化枢制冷机，它的一个重要的特点，氨是驱动热源温度只需要65-75，在60的情况下，仍能以较高的制冷能力稳定地运行；另一个特点是热水的利用温差大，达12-24（随热源温度而变）。市场上单级吸收式淡化钮制冷机热源温度一般要求88以上，热水利用温差只有6-8。3）自控系统自动控制系统采用先进的可编程控制器（PLC）及工业控制微机控制和管理。性能系数（C0P）达到设计指标。3.6系统的主要特点江门100kW太阳能空调系统是我国首座大型实用性太阳能空调系统，它的建成标志着我国太阳能热利用技术上了一个新的台阶。系统有以下特点：1）太阳能空调系统成功地全部采用高效乎板集热器，使常用的太阳能热水系统能够与太阳能空调系统“接轨”，同时也开拓了太阳能热水器更广阔的应用市场。2）100kW两级吸收式决化俚刹冷机各项指标均达到设计要求。其驱动热源温度之低（65-75）特别适合大阳能利用。3）系统兼顾了生活热水与制冷空调的能量需求，合理分配利用太阳能，提高了太阳能日利