太阳能制冷系统的研究

1、太阳能制冷系统的研究白宁，李戬洪，马伟斌（中国科学院 广州能源所 太阳能实验室，广东广州510640）摘要：介绍了不同形式的太阳能吸收式和吸附式制冷系统的工作原理及工作特性，分析了当今以吸收式和吸附式为主流的太阳能制冷系统的优缺点，提出太阳能制冷系统真正达到可行性及实用性所需改善的环节。关键词：太阳能；制冷系统；吸收制冷；吸附制冷；制冷效率Analysis of the solarpowered systems for coolingBAI Ning, LI Jianhong, MA Weibin(Solar Energy Lab of Guangzhou Institute of Energ

2、y Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract:This paper describes the working principles and performance characteristics of various solarpowered absorption and solid absorption cooling systems，analyses current trends in solarpowered chillersadvantages and disadvan

3、tages，puts forward its feasibility and some details wanted to be improved.Keywords:solar energy; cooling system; absorption refrigeration; refrigerating officiency 利用太阳能制冷空调有两种方法，一是先实现光一电转换，再以电力推动常规的压缩式制冷机制冷；二是进行光一热转换，以热能制冷。前者系统比较简单，但其造价约为后者的34倍，因此国内外的太阳能空调系统至今以第二种为主。太阳能致冷的方法有多种，如压缩式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸收式制冷

4、等。压缩式制冷要求集热温度高，除采用真空管集热器或聚焦型集热器外，一般太阳能集热方式不易实现，所以造价较高；蒸汽喷射式制冷不仅要求集热温度高，一般说其制冷效率也很低，约为0.20.3左右的热利用效率；吸收式制冷系统所需集热温度较低，大约7090即可，使用平板式集热器也可满足其要求，而且热利用较好，制作容易，制冷效率可达0.60.7，所以一般采用也多，但设备庞大，影响推广。0引言太阳能制冷有着众多的优点：因为夏季太阳能的提供与制冷空调的需求有很好的一致性，而制冷耗能占建筑耗能的很大份额，太阳能制冷虽然不能完全满足制冷耗能的要求，但也可以在很大程度上缓解能源的紧张状况；矿物质燃烧时向大气释放大量的

5、硫化物和氮化物造成空气的污染，还会产生温室效应，而太阳能是最清洁的能源，利用太阳能不会产生这些环境问题。1太阳能吸收式制冷吸收式制冷是液体气化制冷的一种，它和蒸汽压缩式制冷一样，是利用液态制冷剂在低压低温下气化来达到制冷的。所不同的是：蒸汽压缩式制冷是靠消耗机械功使热量从低温物体向高温物体转移；而吸收式制冷则靠消耗热能来完成这种非自发过程。按驱动热源的利用方式分，吸收式制冷又可分为：单效式，双效式、多效式和多级循环系统。吸收式制冷机与压缩式比较有如下优点：热源温度要求低，可以在比较大的热源温度波动范围内工作；活动部件少；对环境无害，环保。图1为典型的单效吸收式制冷流程图。11太阳能单效吸收式制

6、冷机在20世纪70年代，人们进行了大量的太阳能吸收式制冷系统课题的研究，在这个期间所采用的系统大多都是以中低温的太阳能集热器驱动的单效的溴化锂制冷机。第一台由太阳能驱动的单效溴化锂制冷机1是由燃油或燃气的制冷机改造而来的，但是由于对蒸发器改造不完善，这台制冷机的制冷能力被严重削弱，远低于以常规能源来驱动的制冷机。后来经过对这台制冷机各部件的重新设计和对蒸发器的特别改造，这台制冷机在太阳能驱动下就可以高效的工作了。第一台投入商业运营的太阳能制冷机是由美国印第安那州Arkla Industries生产的3TRSolaire2，当时这台制冷机在太阳能制冷业界众所周知。单效式吸收式制冷机的最佳工作温度

7、是在80100，它的极限COP值在0.7左右。在冷却水温度为30，制备9冷冻水的情况下，制冷机在热源温度为80时，COP值即可达到0.7，在85后即使再增加热源温度，制冷机的COP值也不会有显著的变化了。在相同冷却水和冷冻水温度的条件下，单效式制冷机在热源温度低于65后COP值会急剧的下降，到了50时，单效式制冷机的COP值降为0，无法产生冷量。由以上的分析可知单效式吸收制冷机的COP值相对来说不高，同时它对热源温度的要求也不高。太阳能集热器是影响太阳能制冷系统造价的一个重要因素。由于平板集热器不具备聚焦阳光的功能，其工作温度一般限于100以下，根据单效吸收式制冷机对热源要求不高的特点通常采用

8、平板集热器作为单效吸收式制冷机的热源。在价格方面平板集热器比真空管集热器或聚光集热器要低许多，这样既可以满足制冷机对热源温度的需要，又可以降低系统造价。 1.2太阳能双效及三效吸收式制冷机单效吸收式制冷机的热源温度受到了浓溶液结晶的限制，为了充分利用高温热源，双效及三效的吸收式制冷机应运而生。双效吸收式制冷机与单效相比，多了一个高压发生器、一个高温溶液热交换器、一个凝水换热器。它的工作原理如下：在高压发生器中，稀溶液被高压蒸汽加热，在较高压力下产生出制冷剂蒸汽。稀溶液浓缩成中间溶液。再将这部分蒸汽通入低压发生器作为热源，加热高压发生器经高温溶液热交换器流至低压发生器中的中间溶液，使之

9、在冷凝压力下再次产生冷剂蒸汽，中间溶液浓缩成浓溶液。高压蒸汽的能量在高压发生器和低压发生器中两次得到利用，故称为双效循环。与单效循环相比，产生同样制冷量所需的热源加热量减少，所以双效机组的热效率比单效机组高。根据上述原理，进行扩展就是三效循环。由于利用了高温热源，双效吸收式制冷机的COP值可以达到1.01.2，而三效的可达1.7，这比单效的COP值有了显著的提高。图2清晰地比较了在相同的工况下单效、双效、三效制冷机热源温度和COP值之间的关系。从图中可以看出，在热源温度为80100时单效式工作在最佳的状态，即使再增加热源的温度，制冷机的COP值也不会显著地提高。显然热源温度超过100时，使用双

10、效式制冷机就可以明显提高COP值，同理当热源温度达到160时，三效式制冷机就可以满足要求。值得注意的是，不管是那个形式的制冷机，他们都存在一个最低的临界热源温度，当热源温度低于这个值时，它们的COP值就会急剧下降，这也是我们为什么必须在太阳能制冷系统中设置后备热源的原因。虽然双效或三效制冷机的COP值比单效的高，但是为了满足它们工作的热源温度，太阳能集热器必须采取CPC或真空管式，这将增加太阳能制冷系统的集热器的造价。到底是哪种形式更适于太阳能制冷，Gershon Grossman对单效、双效、三效的溴化锂吸收式制冷机做了比较。在比较中假设：（1）在59月的制冷季所有制冷机每天工作8h；（2）

11、制冷机制备7的冷冻水，冷却水温度为30；（3）太阳能制冷系统包括集热器、储热水箱和辅助设备，它们的安装费用按照集热器费用的1.5倍计算。比较结果列于表1。表1清晰地表明，影响太阳能制冷系统造价的最主要因素就是太阳能热利用系统的造价。太阳能单效吸收式制冷所需最为简单，但是系统造价并非最低。双效或三效系统具有较高的COP值，相应的每千瓦冷量所需的集热器面积要比单效的小，但是三效式的对集热器的类型要求高（需要高温的集热器），所以系统的总造价最高。双效和单效太阳能制冷系统的总的造价相差并不是太大，而三效的太阳能系统由于对集热器的要求高，其造价就远远高于其他两种类型。从表1也不难得到结论，要使能利用高温

12、热源，COP值高的太阳能三效吸收式制冷机更有竞争力，当前的挑战是如何降低高温集热器的价格。23太阳能二级吸收式制冷二级吸收式机组是由高压发生器、低压发生器、冷凝器及高压吸收器组成，与单效机组相比，分别增加了一个发生器、吸收器和溶液热交换器。其工作流程分为两个部分4：一部分从低压吸收器出来的稀溶液，由溶液泵经第二热交换器升温后进入低压发生器浓缩，浓缩后的浓溶液再经第二热交换器回到低压吸收器吸收；另一部分从高压吸收器出来的稀溶液由溶液泵经第一热交换器升温后送入高压发生器浓缩，浓缩后的浓溶液再经过第一热交换器回到高压吸收器进行吸收。高压发生器产生的冷剂蒸汽进入冷凝器冷凝，冷却成冷剂水，冷凝器出来的冷

13、剂水经节流后进入蒸发器蒸发制冷，低压吸收器吸收来自蒸发器的冷剂蒸气，以保证蒸发压力。低压发生器产生的冷剂蒸汽由高压吸收器直接吸收。二级吸收式制冷机可以充分利用低温热源，虽然这种制冷机COP值较低，只有0.4左右，但是比起单效的吸收制冷机却有着显著的优点5：（1） 由于系统可以在较低的热源温度工作，所以集热器可以在较低的温度下工作，因此集热器的热利用率较高。（2）二级吸收式制冷机可以在较大的热源温度范围内，保持稳定的工作状况，这使得在太阳辐射不稳定的情况下，制冷机仍然可以稳定地工作。（3）制冷机可以在较低的热源温度下工作，使系统应用简单且低价的太阳能集热器成为可能，太阳能制冷系统的造价也可大幅度

14、降低。（4）由于二级吸收式制冷机的工作温度在6585，这使得太阳能制冷和太阳能供热水的整合更加方便。（5）由于工作温度低,这种制冷机的COP值相应也要降低,但其对热源利用温差大的优势足以弥补这个不足。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NB06E效率。此外，回水温度低的特点，使得它更适合太阳能的利用，也有助于提高太阳能系统的效率。我国第一座在广东省江门投入运行的100kW大型实用型太阳能空调热水系统就是运用了两级吸收式制冷机，该制冷机负责为600m2的教育中心供冷，取得了良好的效果。3太阳能吸附式制冷吸附式制冷机由固定吸附床、冷凝器、蒸发器三大部件以及节流阀、连接管

15、路和一些辅助设备组成。吸附剂和与其配合的吸附质一起形成吸附式制冷工质对。吸附式制冷根据吸附剂与吸附质之间作用关系不同，可分为物理吸附和化学吸附，物理吸附是依靠吸附剂与吸附质分子之间的弱范德华力来实现吸附过程的。化学吸附是吸附分子与吸附剂表面分子发生化学反应，生成表面络合物的过程。吸附工质对性能、吸附床的传热传质是影响吸附制冷效果的主要因素。吸附工质对的热力性质对系统性能系数、设备材料、一次性投资影响颇大。目前，从吸附剂的实用性来看，沸石、活性炭、硅胶、氯化钙等体系占有重要位置。当今化学吸附制冷越来越受到重视，化学吸附工质对的研究也受到各国学者的关注。吸附床中的传热强化，可以从改善吸附介质的传热

16、性能和采用先进的吸附床结构这两方面来考虑。前者的主要研究内容是研制具有高导热性能的复合吸附剂，后者则研究采用具有更好换热效果的换热器7。太阳能驱动的吸附式制冷系统有两种基本类型：一种是利用昼夜交替实现自然循环的间歇式制冷循环；另一种是多个吸附床交替地进行吸附和脱附，并有热量在吸附床之间发生交换的连续性回热式循环系统。本文只简要介绍一下第一种太阳能吸附制冷系统的工作原理，其工作原理分为两步8：（1）受热脱附。白天，吸满制冷剂的吸附剂床层从太阳吸取解吸热，温度升高，制冷剂从多孔的吸附剂中脱附出来，使系统中制冷剂蒸气压力升高，达到冷凝压力后，制冷剂蒸气在冷凝器中放出冷凝潜热并冷凝成液态后流到蒸发器中

17、储存起来。蒸发器起到储液罐的作用。（2）吸附制冷。夜间环境温度降低，吸附剂放出吸附热并重新吸附制冷剂蒸汽，系统中制冷剂蒸汽压力降低，从而使储存在蒸发器中的液态制冷剂从冷冻室吸收热量而气化制冷。虽然常规的太阳能固体吸附制冷系统的COP值很少有超过0.15的，就是采用真空管太阳能吸附的模拟系统COP值也只有0.259，但是太阳能吸附式制冷与压缩式和吸收式制冷相比有着较为突出的特点。吸附式制冷可采用低品位热能作为驱动能源，特别是适合采用能量密度低的太阳能；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。吸收式制冷机绝大部分适用于大中型系

18、统，不适用于小型空调，而固体吸附式制冷工艺却适用于小型装置，能够单独由太阳能驱动运行，冷凝器用空气自然冷却，对家庭小型应用，改善生活条件及边远地区医疗、冷藏具有良好的应用前景。但是，目前太阳能吸附式制冷系统仍然难以从实验室迈向产业化，关键问题在于制冷效率低，难与其他形式的制冷系统相比。虽然，不断有各种太阳能吸附式制冷样机的报道，但商业化利用仍有较大的差距。为了能加速太阳能吸附式技术的实用化进程，如下一些工作有待于进一步加强10、11：（1）考虑吸附速度的影响。当前的吸附式制冷机机理均建立在平衡吸附的基础上，而实际循环周期已经大大缩短（约30 min），因此在吸附系统的分析研究中必须引入“非吸附

19、平衡的概念”，将吸附率归结为吸附剂温度与被吸附蒸汽的压力以及吸附时间的函数。（2）提高集热器的集热效率。为减轻集热器对大气空间的热辐射和更好地吸收太阳能辐射能量，尽可能的选取带有吸收膜的平板集热器或抛物面集热器，同时，为减少传热损失，集热器与发生器可做为一体。（3）改善吸附床内的传热传质。吸附床传热过程中温度不均匀性是导致实际循环与理想循环偏离的一个重要原因，提高吸附床传热性能大致可采取增大换热面积和增强导热性能减少热阻的方法。（4）优化设计太阳能吸附式制冷系统中的主要部件，以实现系统的最优匹配。（5）深入开展吸附制冷材料的研究。继续对以沸石分子筛等为基材的吸附制冷材料的改性复合，使之较大幅度

20、提高吸附量；同时降低吸附材料的脱附温度，使之更适用于太阳能驱动的吸附制冷系统。4太阳能制冷系统的效率太阳能制冷系统的效率主要受两方面因素的影响：一个是制冷机的效率(COP),另一个是太阳能集热器的效率。制冷机的COP随着驱动温度和蒸发温度的上升而上升，太阳能集热器的效率随着太阳辐射强度的上升而增大，随着介质温度的上升而减小。如果将太阳能集热器效率与制冷机的COP值相乘就可以得到太阳能空调系统的总效率，由此可见,为了获得最高的系统总效率，必须合理地选择太阳能集热器和制冷机，使其两者的效率乘积为最高。在太阳能辐射强度不同的地区，采用不同的集热器与太阳能制冷机搭配，不仅可以提高太阳能制冷系统的效率，

21、而且可以降低太阳能制冷系统的造价，这对于发挥太阳能制冷系统的优势和其推广运用是及其关键的措施。太阳能具有间断性和不稳定性的特点，所以不论是何种太阳能驱动的制冷系统，为了保持稳定的制冷工况，辅助热源都是必不可少的。一个好的太阳能制冷系统，不仅必须保证在任何条件下都能达到要求的制冷量，而且要求在任何情况下都能最大限度的利用太阳能。由于辅助热源设计的复杂性，本文就不再涉及，读者可查阅其他文献。5结论虽然世界上已有太阳能制冷系统投入商业运营，但是距离大规模的应用还有很大的差距，如何降低太阳能制冷系统的造价使之更加广泛地走向商业化应用是当今太阳能制冷领域的主要研究课题。要解决这一课题的关键主要有以下几方

22、面：（1）研究出更加适应于太阳能利用的制冷机组（其主要方向是吸收式制冷和吸附式制冷）。（2）加大对太阳能集热器的研究力度，进一步提高当前集热器的集热效率和降低其造价。（3）将太阳能制冷和太阳能供应热水切实合理地整合，真正使高品位和低品位的太阳能辐射各尽其用，达到系统全年的运行。 参考文献1Auh，P C. An overview of absorption cooling technology in solar applicationsA.In Proceedings，The 3rd Workshop on the Use of Solar Energy for Cooling of BuildingsC.February，San Francisco，California，14.2 Merrick R H. Development of unit