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太阳能制冷技术的发展和应用摘要 太阳能制冷是近几年发展起来的一种新型太阳能利用技术，利用太阳能进行制冷可以有效降低常规制冷方法而带来的巨额能源消耗，并减轻由于燃烧化石能源发电所带来的环境污染。目前太阳能制冷技术研究的热点是太阳能吸收式制冷、太阳能喷射式制冷和太阳能吸附式制冷。关键词 太阳能吸收式制冷；吸附式制冷；溶液除湿制冷；喷射式制冷；太阳能集热器Superficial Discussing Development and Application of The Solar Refrigeration【Abstract】 Solar refrigeration is a sort of new solar using technology developing near several years.The solar refrigeration can effectively reduce mint consume of energy sources owing to general equipment of refrigeration，and it can alleviate the environment pollution due to burning the fossil energy sources.Now the hot topic of the solar refrigeration is about the solar absorption refrigeration and the solar adsorption refrigeration as well as the eject refrigeration.【Key words】Solar absorption refrigeration;Adsorption refrigeration;Eject refrigeration前言太阳能是分布广泛、使用清洁的可再生能源,有望在未来社会能源结构中发挥更加重要的作用。其中利用太阳能进行供热、采暖和制冷是实现规模化、低成本利用太阳能的重要途径。各国学者都在积极寻找能够实现夏季利用太阳能进行空调制冷的有效方法,目的在于提高太阳能集热器的全年利用效率,同时可以开辟一条利用太阳能解决空调制冷需求的崭新技术途径。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%。而太阳能是取之不尽,用之不竭的。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,太阳能制冷一般采用非氟烃类的物质作为制冷剂，以减少燃烧化石能源发电带来的环境污染，臭氧层破坏系数和温室效应系数均为零，适合当前环保要求。太阳能制冷的另外一个优势是热量的供给和冷量的需求在季节和数量上高度匹配。太阳辐射越强、气温越高,冷量需求也越大。太阳能制冷还可以设计成多能源系统,充分利用余热、废气、天然气等其他能源。1. 太阳能吸收式制冷技术1.1太阳能吸收式制冷技术的原理吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置,即制冷剂在一定压力下蒸发吸热,再利用吸收剂吸收冷剂蒸汽。系统简图如图1所示。自蒸发器出来的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,形成的浓溶液由泵送入发生器中,被热源加热后蒸发,产生高压蒸汽,进入冷凝器冷却,而稀溶液减压回流到吸收器,完成一个循环。它相当于用吸收器和发生器代替压缩机,消耗的是热能。热源可以利用太阳能、低压蒸汽、热水、燃气等多种形式。图 1 太阳能吸收制冷系统简图 吸收式制冷系统的特点与所使用的制冷剂有关,常用于吸收式制冷机中的制冷剂大致可分为水系、氨系、乙醇系和氟里昂系四个大类。水系工质对是目前研究最热门的课题之一，对它的研究主要是针对现今大量生产的商用LiBr吸收式制冷机依然存在的易结晶、腐蚀性强及蒸发温度只能在零度以上等缺陷。氨系工质对中包括了最为古老的氨水工质对和近期开始受重视的以甲氨为制冷剂的工质对，由于氨水工质对具有互溶极强、液氨蒸发潜热大等优点,它至今仍被广泛用于各类吸收式制冷机。人们对氨水工质对的研究主要是针对它的一些致命的缺陷，如：COP较溴化锂小、工作压力高、具有一定的危险性、有毒、氨和水之间沸点相差不够大、需要精馏等。吸收式空调采用溴化锂或氨水制冷机方案，虽然技术相对成熟,但系统成本比压缩式高，主要用于大型空调，如中央空调等。1.2太阳能吸收式制冷技术的研究现状 Arif Ileri对以R22-DMETEG为工质对的太阳能单效吸收式空调系统的年性能进行了理论分析，系统设计制冷量为100kW，采用400m2高效集热器。结果表明，与常规的锅炉和电空调相比，太阳能吸收式制冷系统能够节省380%冬季采暖、91%夏季制冷的耗能，年运行成本节省约50%。 R.J.Romero等对采用LiBr/H20和三重氢氧化物水溶液(NaOH:KOH:CsOH=40:30:24)为工质的太阳能单效吸收式制冷系统的性能进行了对比。结果表明，与采用LiBr/H20相比，采用三重氢氧化物水溶液为工质时，系统具有更好的性能系数，但还有很多不足:要求的热源温度高，发生器温度需要在130-160;由于粘性较大，导致传热传质系数较低:高温下的腐蚀性较大。I.Pilatowsky等对采用一甲胺一水的太阳能单效吸收式制冷系统的性能进行了理论研究。结果表明，一甲胺一水是很好的工质对，蒸发温度可达(-5)-100C，可应用于亚热带地区，用于牛奶冷藏等场合。马来西亚大学的等三位学者,提出了一个使用真空管集热器的太阳能驱动的单效溴化锂吸收式制冷仿真系统。系统制冷功率为3.5KW,通过TRNSYS进行仿真优化计算,确定水箱容量、集热面积、集热器倾角等参数。 我国的研究工作人员在开发结合太阳能热水系统的吸收式制冷系统方面也做了大量工作。最有代表性的是广州能源所研制的两级吸收式溴化锂空调机组,与传统单效吸收制冷机相比,驱动热源温度大幅降低(65以上),因而与太阳能集热器能够更好地匹配工作。图2 广州能源所开发的两级吸收式空调 上海交通大学的王如竹和刘艳玲提出了一种小型双效太阳能溴化锂吸收式制冷系统,制冷量为10KW。系统将燃气直燃型双效澳化铿机组与热管式真空管集热器相结合,在普通燃气双效循环运行的基础上,引入了太阳能热水作为低压发生器的辅助驱动能源,可以实现夏季制冷、冬季供暖以及全年提供生活热水的功能。2. 吸附式制冷技术吸附式制冷可采用低品位热能作为驱动能源，特别适合采用能量密度低的太阳能以及废热；它所使用的是无污染或少污染的工质对；设备结构简单、可靠；操作简便；无运动部件、使用寿命长、运转费用低廉、无噪声，适用于无电地区、有大量低品位余热排放的工业过程及有颠簸震动的移动式机械上。因此，吸附式制冷技术引起世界各国科技工作着的广泛关注。2.1吸附式制冷技术的原理和特点太阳能吸附式制冷实际上是利用物质的物态变化来达到制冷的目的。用于吸附式制冷系统的吸附剂-制冷剂组合可以有不同的选择，例如：沸石-水。这些物质均无毒、无害，也不会破坏大气臭氧层。太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、蒸发储液器、风机盘管、冷媒水泵等部分组成，如图1所示。其操作过程是间歇的，包括吸附和脱附两个过程。(1)受热脱附过程。吸附床内充满了吸附剂，吸附有制冷剂，冷凝器与冷却系统相连，一般冷却介质为水。工作时太阳能集热器对吸附床加热，制冷剂获得能量Qd克服吸附剂的吸引力从吸附剂表面脱附，进入右边管道，系统压力增加。当压力与冷凝器中对应温度下的饱和压力相等时，制冷剂开始液化冷凝放出潜热Qc，冷凝成液态并流到蒸发器中贮存起来，脱附过程结束。 (2)吸附过程。冷却系统对吸附床进行冷却，温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，吸附剂放出吸附热Qa，并重新吸附制冷剂蒸汽，管道内压力降低。蒸发器中的制冷剂因压力瞬间降低而蒸发吸热Q0，达到制冷效果，制冷剂达到吸附床，吸附过程结束。在此过程中，蒸发器吸收冷媒水的热量，吸附床放热。白天太阳辐射充足时，吸附床吸收太阳辐射后，温度升高，使制冷剂从吸附剂中解吸，吸附床内压力升高。解吸出来的制冷剂进入冷凝器，经冷却介质冷却后凝结为液态，进入蒸发器。这样，太阳能转化为代表制冷能力的吸附势储存起来，实现化学吸附潜热的储存。夜间或太阳辐射不足时，环境温度降低，太阳能吸附集热器通过自然冷却后，吸附床的温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，产生制冷效果。 图 3 太阳能吸附式制冷系统图 与常规压缩式制冷方式相比，太阳能吸附式制冷有着不采用氟利昂作为制冷剂，系统结构简单、运行噪声低、寿命长、安全性好、无需考虑腐蚀等一系列显著优点。2.2 太阳能吸附式制冷的研究现状及发展 各国学者们也进行了长期的实验研究，其中大多数是对吸附式制冰样机的研究，循环工质对通常选择活性炭甲醇，少数也采用硅胶-水。表1列出了国内外一些太阳能固体吸收式制冷机的实验结果。表 1 国内外吸附式试验样机的研究状况 图4所示为上海交通大学开发的太阳能硅胶一水吸附式空调机组,可依靠普通太阳能集热器阵列产生热水驱动制冷循环。机组是由两个单吸附床结构复合而成的双床连续制冷系统,为了提高系统的制冷功率及低温热源驱动下的工作性能,机组采用了回质与回热循环措施,同时采用了双蒸发器结构实现了连续制冷量输出。在额定工况下(对应于85的热水,冷冻水出口温度10),机组制冷功率为8.5k w,热力COP为0.4。用于太阳能制冷,可利用60 -8 0热水驱动,典型晴天条件下,能实现连续8h制冷。目前制冷量10k W产品已小批量生产。 图4硅胶一水吸附式空调机组 德国SolarNext A G公司,日本Nishyodo和Mayekawa公司也报道了他们的太阳能吸附式空调产品，图5为德国某建筑使用的Nishyodo公司105KW的硅胶一水吸附式制冷机组。这些机组的最大特点是要求驱动热源温度低,与集热器工作温度匹配好。 图5德国Freiberg应用的日本Nishyodo公司吸附空调机组 Anyanwu E.E.等对活性炭-氨、沸石-水以及活性炭-甲醇三种工质对作研究后认为，沸石-水是用于太阳能吸附式空调系统的最佳工质，而活性炭-氨则更适合作制冰机、食物贮藏之用。3.太阳能溶液除湿技术3.1太阳能溶液除湿技术原理和特点 图6为太阳能溶液除湿冷却系统的流程图,整个流程有2个子循环组成:空气循环和溶液循环.需处理空气(包括回风和新风)经过溶液除湿器后常温冷却,进入直接蒸发冷却器进行降温处理达到房间空调所要求的送风点后进入室内,空气在室内升温、增湿后其中一部分回到除湿器完成空气循环.在空气除湿器中,常温状态下高浓度的除湿溶液与被处理空气直接接触,由于除湿溶液表层的水蒸气分压力比被处理空气水蒸气低得多,所以空气中的水蒸气以扩散传质的方式进入溶液表层,进而被溶液吸收.从除湿器内出来的稀溶液经过溶液热交换器升温后进入太阳能集热器内进行进一步的加热温升。被加热的溶液达到再生温度后进入溶液再生器内,在再生器内水蒸气输送过程正好与除湿器相反,温度较高、浓度较低的溶液与环境空气直接接触,此时溶液表层水蒸气分压力高于湿空气表层水蒸气分压力,因而溶液里面的水蒸气不断扩散至空气中,完成除湿溶液的再生过程,再生后的浓溶液流经溶液热交换器降温,并通过冷却水的二次温降,恢复除湿能力后重新进入除湿器内对需处理空气进行除湿完成溶液循环.图1中的电加热器是一种辅助热源,只在阴雨天使用.图6太阳能溶液除湿冷却流程图 3.2太阳能溶液除湿技术研究现状 国内在溶液除湿冷却系统研究方面起步较晚,但近年来国内各大高校在该领域的研究不断增多,并取得很大的进展。 张小松教授领导的科研小组在新型太阳能溶液再生装置和除湿蒸发冷却系统工艺研究上取得了重大理论突破.在利用太阳能进行溶液再生研究方面,研究了一种新的太阳能溶液再生装置,该装置克服了高湿天气对溶液再生性能的不利影响,是一种能在较低再生温度下能实现溶液再生的装置。 上海交通大学应用了采用复合干燥剂材料的两级转轮除湿空调机组(图7),由于采用了物理吸附、化学吸附耦合的复合干燥剂材料,同时经过对吸附表面的处理,使得除湿空调循环的动态吸湿率大幅提高,同时对再生热源温度的要求得以降低。另一方面采取了级间冷却的方法,提高了系统效率。系统可利用5 0以上的热源驱动,热力COP大于1,与普通太阳能集热器结合,能够将4 0%以上的太阳辐射能量转变为空调能力输出。系统目前已在江苏江阴万龙源太阳能科技公司示范运行。 图7太阳能两级转轮除湿系统 在国外,太阳能固体除湿空调系统在德国、葡萄牙、意大利、西班牙、美国等也有示范应用。图8所示为西班牙Mataro某图书馆的太阳能空气集热器驱动的除湿空调机组。 图8西班牙Mataro太阳空气集热器驱动除湿空调机组Y.K.Yadav提出以R11为制冷剂,LiBr为除湿溶液的热泵式除湿复合空调系统,得出在高温高湿的室外条件下,其效率优于传统空调。Lazzarin等介绍了一种应用于超市的热泵驱动的可以自己再生的溶液除湿系统,通过模拟全年的室外工况,指出其较常规系统更节能。4.蒸汽喷射式制冷4.1蒸汽喷射式制冷技术原理及特点喷射式制冷系统的原理如图9所示。制冷剂在换热器中吸热后汽化，增压,产生饱和蒸汽,蒸汽进入喷射器,经过喷嘴高速喷出膨胀,在喷嘴附近产生真空,将蒸发器中的低压蒸汽吸入喷射器（使用回热器7和增压器10可以提高喷射器以及系统工作效率）,经过喷射器出来的混合气体进入冷凝器放热，凝结,然后冷凝液的一部分通过节流阀进入蒸发器吸收热量后汽化,这部分工质完成的循环是制冷循环。另一部分通过循环泵升压后进入换热器,重新吸热汽化,该循环称为动力循环。图9太阳能喷射式制冷系统简图 喷射式制冷系统中循环泵是唯一的运动部件,系统设置比吸收式制冷系统简单,运行稳定,可靠性较高等优点。缺点是性能系数较低。4.2蒸汽喷射式制冷技术的研究现状 喷射器是太阳能喷射式制冷中的核心部件，起着压缩式制冷中压缩机的作用，它的性能和稳定性直接决定了整个太阳能喷射式制冷系统的效率。从发生器出来的工作流体（高压制冷剂蒸汽）经过缩放喷嘴加速成高速喷射流，在吸入室的压力急剧降低，形成低压，引射蒸发器中的流体进入喷射器的吸入室后，在工作流体的夹带作用下加速，两股流体在混合段逐渐形成单一均匀的混合流体，再经过喷射器的扩压段减速后，升压到一定压力，进入冷凝器冷凝。 20世纪中期，Mizrahi提出了将CFCs（氟利昂）替代水用于喷射制冷循环中。CFCs 沸点低，可以使用太阳能或废热等低品位热源。 DA Wen Sun对用于蒸汽喷射制冷的11种制冷剂进行试验研究，指出系统采用R152a作为制冷剂能够获得最佳性能，为蒸汽喷射制冷用制冷剂的选择提供了参考。 Wimolsiri Pridasawas研究以R600a为工质的太阳能喷射式制冷系统的动力模型，COP值达到0.48。郑爱平对利用太阳能等低品位热能驱动的喷射式制冷机进行了理论分析和热力计算，找到了各种工质的最佳应用温度范围,并筛选出了R600a是比较理想的制冷工质。 张博等人通过研究比较发现，喷射式制冷中水和R123的性能较好。Eames等人对R245fa作为制冷剂进行了实验研究，实验表明R245fa不仅有良好的热力特性和环保安全效应，并且使喷射式制冷系统的COP可达0.5-0.7。 鱼剑琳，陈华等人提出了一种新型喷射制冷循环，如图10所示。该循环系统是在常规喷射制冷循环的喷射器和冷凝器之间增加了一个液体-气体射流泵，通过该射流泵可以降低喷射器的背压，提高喷射器的喷射系数，进而改善循环性能.能有效提高系统的性能系数，使其比常规循环提高1倍以上。尽管新循环消耗的泵功会有所增加，但从能耗的角度分析，新循环可以节约10%-24%的输入，具有更高的效率。 图 10 带射流泵的喷射制冷系统 5.太阳能集热器 太阳能集热器是太阳能热水器的核心部件，是用于吸收太阳辐射并使之转换为热能传递给热介质的装置。常见的太阳能集热器有平板型、真空管型和聚光型太阳能集热器。其中，平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器使用比较广泛 。5.1平板型太阳能集热器平板型太阳能集热器是太阳能热利用系统中接收太阳辐射并向传热工质传递热量的非聚光型部件，吸热体结构基本为平板形状。其基本结构如图11所示，其工作原理为：太阳光透过玻璃盖板照射在集热板芯上，集热板芯将太阳能转化为热能传递给流道中的工质，从而完成了太阳能到热能的转化过程。保温材料用于减少热损失。图11平板型太阳能集热器的结构示意图5.2真空管太阳能集热器热管式真空管太阳能集热器和全玻璃真空管太阳能集热器是真空管太阳能集热器中最常见的两种。全玻璃真空管太阳能集热器是由许多支真空太阳能集热管按照一定规则排成阵列，与联集管、尾架和反射器等一起组成。其工作原理为：太阳光透过玻璃外管照射在内管上，内管镀有选择性图层的外壁吸收太阳光将其转化为热能，传给内管中的工质（图12）。图12全真空管太阳能集热器的结构示意图 5. 3 两种太阳能集热器的性能比较由于结构的原因，两种集热器各有优缺点，如表2所示。由表2可以看出，平板型集热器相比真空管型集热器具有承压性好、与建筑的结合性强、耐用、不易结垢等优点。其在低温下的热性能较好，而目前中国太阳能热水器的主要用途是洗浴和生活用热水，其水温要求一般低于60，在此温度区间平板集热器有较好的效率特性。但是真空管太阳能热水器冬天管内的水在不排空的情况下基本不结冰或不冻坏（特殊情况如雪天也可能冻坏）。平板型太阳能集热器在我国市场的占有率还不足15%，相比其在国外90%以上的市场占有率，平板型太阳能集热器仍然有巨大的市场空间。进一步提高太阳能集热器效率需要最大限度采集太阳能的同时尽可能减少其对流和辐射热损，这可以通过采用优质选择性吸收涂层材料和高透过率盖板材料来实现。 表2平板型和真空管太阳能集热器的性能对比 5.4太阳能集热器研究进展 苏州工业园区天润太阳能热水器厂成功研制了镶嵌在阳台栏杆上的平板-真空管太阳能集热器并申请了专利，实现了太阳能与建筑的有机结合。 上海交通大学的袁颖利等研制了一种具有内插管结构的真空管太阳能空气集热器，该集热器整体解热效率高，且总体热损系数小。西安交通大学的任云锋、鱼剑琳等人将复合抛物面聚光器(CPC)与热管平板式集热器相结合，研究了一种以平面形吸热板为接收器的CPC型管式太阳能集热器，该集热器相比普通热管平板式太阳能集热器具有集热温度、集热效率高且热损失低的特点。A. M.El-Sawi、A.S.Wifi等利用连续折叠技术在太阳能收集装置中制造人字形花纹折叠结构，与平板型及V型槽式集热器的传热性能相比较，其传热性能提高了20%，热水出口温度提高了10。6. 太阳能制冷技术的展望 太阳能制冷是夏季太阳能有效利用的最佳方案,有着良好的应用前景。目前理想的太阳能制冷方式应该是与普通平板式和真空管式太阳能热水系统结合的热驱动型空调制冷机组。两者的结合,可以较好地解决太阳能供热采暖系统冬季采暖、四季热水供应与夏季空调应用的匹配,最大幅度提高太阳能利用率。 太阳能制冷技术的发展,结合了建筑用能需求,解决夏季部分建筑空间太阳能制冷空调的问题。应该走与普及型太阳能集热器结合的太阳能空调制冷技术路线,如吸附式、吸收式、除湿空调等,并进一步提高效率、降低成本、减少尺寸,不断提高太阳能综合利用效率。 总的来看,太阳能集热转换及与之匹配的制冷空调方式和蓄能方式有机结合是未来太阳能制冷空调技术进一步高效化、低成本、规模化应用的关键所在,也是将来一段时间太阳能制冷技术领域研究和应用的重点。参考文献1张朝昌 ,厉彦忠.太阳能制冷技术的应用与发展J.制 冷 与 空 调,2003,3(1):1-5.2刘艳玲，王如竹，代彦军.太阳能双效溴化锂吸收式制冷系统的模拟和经济性分析C.中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议论文集，北京，2002.3姜锁利，王艳，高玲，等.新型太阳能吸收式制冷系统发生器的研究J.太阳能，2008，（5）:3335.4 杨启容， 姜培鹏， 王翠苹.有辅助能源的太阳能吸收式制冷循环模式J.煤气与热力， 2006， 26 （11 ） :6467.5王默晗 , 姚易先等.浅谈太阳能制冷技术的发展及应用J.制冷与空调,2007.6 易义武,刘霏霏,戴源德.太阳能制冷技术的研究概况J. 节能与环保. 2006(01) . 白宁,李戬洪,马伟斌.太阳能制冷系统的研究J. 能源工程. 2004(04) .7 李军,朱冬生,张立志,赵朝晖.固体吸附式制冷在太阳能利用中的研究与展望J. 制冷与空调. 2004(03). 8 高辉,何泉.太阳能利用与建筑的一体化设计J. 华中建筑. 2004(01) .9 李明,罗会龙,夏朝凤,王六玲,蔡武德.一种新型的平板式太阳能制冷吸附器复合体设计J. 低温工程.