太阳能空调节能减排技术研究

太阳能空调节能减排技术研究

0太阳能空调的优点低碳建筑已成为国际建筑界的主导趋势。我国节能建筑尚处于起步阶段,建筑耗能持续增长并占社会总耗能的30%左右,采暖、热水及电空调耗能又占建筑耗能的50%以上。传统电空调多以氟氯碳化物为冷媒,而氟碳类物质被公认为是破坏臭氧层和造成温室效应的重要原因;而且电能主要是通过燃烧化石能源达成发电过程,排放的酸性气体严重污染环境,对人类生存环境造成损害。太阳能空调的优点是:直接且容易使用;利用可再生能源且在附加储能系统时具有连续性;维持相同的舒适性品质;安全;运行成本低,无技术专属性;绿色环保;电网削峰功能;良好的季节适应性,供热供冷一体化。因此,太阳能空调被认为是降低建筑能耗和减少温室效应的最佳方案。《建筑业“十二五”发展规划》提出以加快建筑业发展方式转变和产业结构调整为主线,发展绿色建筑、加强工程建设全过程的节能减排,实现低耗、环保、高效生产等目标要求。而太阳能空调,以其能够实现与建筑一体化的建筑供能系统,在发达国家特别是欧洲地区的开发和研究方兴未艾,在我国也受到越来越多的研究单位、建筑及新能源界的广泛关注。1光电空调的原理太阳能空调的实现有两种方式,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;二是利用太阳的热能驱动进行制冷。对于前者,由于大功率太阳能发电技术的昂贵价格,而且建筑冷热需求较电能需求更现实,光电空调实用性较差。因此,太阳能空调技术一般指热能驱动的空调技术。光热转换实现制冷的方式有:吸收式制冷;吸附式制冷;喷射制冷;朗肯循环制冷;化学反应方式制冷;而光电制冷则包括:热电效应制冷;蒸汽压缩制冷和斯特林循环制冷。目前全球各类型太阳能空调大约有200-300套,据EURAC2008年统计,80-100套系统的制冷功率大于20kW,其总安装功率为10MW,集热器面积为24000m2。在西班牙,小于20kW的小型太阳能空调安装量增长迅速。1.1溴化锂吸收式电导剂组cop吸收式制冷与蒸汽压缩制冷原理类似,都是利用液态制冷剂在低温、低压条件下,蒸发、汽化吸收载冷剂的热负荷,产生制冷效应。但两者的能源系统和工质不同,吸收式制冷是利用制冷剂与吸收剂组成的二元溶液为工质对完成制冷循环的。可供考虑使用的制冷剂与吸收剂溶液很多,但较为常用的只有氨-水溶液、溴化锂-水溶液两种。目前,应用最为广泛的就是溴化锂吸收式机组。氨水与溴化锂吸收式制冷机的比较:前者运行压力更高,由于需要氨精馏装置,流程更加复杂,结构复杂,体积庞大,且氨水具有腐蚀性和可燃性,要求热源温度也比后者高,氨水本身有一定的可燃性,但氨水蒸发器里制冷剂却能在0℃以下蒸发,但后者却有溴化锂结晶和真空保持的问题,溴化锂制冷机组运行COP略高于氨水,且溴化锂溶液对环境友好(表1)。对于不同的热源温度,可采用单效或者多效制冷机。1.2不同制冷剂的分离分离利用太阳能或者其他热源,使吸附剂和吸附质形成的混合物在吸附床中发生解吸,放出高温高压的制冷剂气体进入冷凝器,冷凝出来的制冷剂液体由节流阀进入蒸发器。制冷剂蒸发时吸收热量,产生制冷效果,蒸发出来的制冷剂气体进入吸附发生器,被吸附后形成新的混合物,从而完成一次吸附制冷循环过程。基本循环是一个间歇式的过程,循环周期长,COP值低,一般可以用两个吸附床实现交替连续制冷,通过切换集热器的工作状态及相应的外部加热冷却状态来实现循环连续工作。1.3蒸发器蒸汽引射与蒸汽压缩制冷相比,引射器和发生器取代了压缩机,发生器中的制冷剂在外界热源的加热下,产生高温高压的蒸汽,该蒸汽进入引射器喷管中,速度从亚音速过渡到超音速,压力和温度均下降,从而引射一股来自蒸发器的制冷剂蒸汽,该两股蒸汽混合后经过激波和在扩压管中的压缩,压力上升至冷凝压力,在冷凝器中冷凝成液体,在冷凝器的出口,制冷剂分成两路,一路经过泵加压后返回发生器,另外一路经过节流降压后进入蒸发器蒸发,产生制冷效果;蒸发器中制冷剂由引射器引射,完成制冷循环。1.4太阳能制冷系统可利用太阳能热水或者其它低品位热源驱动有机工质朗肯循环中的涡轮机产生动力,带动压缩机制冷的太阳能制冷方式。系统较为复杂,成本较高。国内外出现了以朗肯循环发电的商业机组。1.5空调冷却器分为固体转轮除湿及液体除湿两种方式,主要依靠干燥剂除湿和蒸发冷却的原理进行,可实现潜热负荷和显热负荷的分开处理。首先新鲜空气流经固体转轮被干燥,由于吸附放热,其温度随之升高,通常还在转轮的背后安装显热换热装置,尽量保持温度的同时降低空气的湿度,湿度较低的空气进入蒸发冷却器,然后进入室内,这样湿度和温度均能够被人为的控制和调节;而转轮的再生温度来自于室内回风被太阳能集热器加热。突出优点是采用了对环境无污染的自然工质空气作为制冷剂,同时能够利用低品位能源驱动空调(表5)。表6展示了固体吸附空调厂商和液体吸附空调厂商。法国的LaRochelle、德国Freiburg、西班牙Mataro、意大利Orbassana与Parlemo及奥地利Hartburg等地建有太阳能转轮吸附除湿空调工程。华南理工大学化工学院和上海交通大学制冷与低温研究所对转轮吸附空调进行了较为深入的研究,并试制出了样机,前者甚至进行了成功的产业化探索,如华工泰及江阴的万龙源等公司。当今太阳能制冷的主流制冷机为吸收式制冷机和吸附式制冷机,并随着市场化的发展,制冷机逐步向小型化方向发展,而空气集热器则向聚焦型方向发展。2太阳能空调集热器太阳能制冷技术另外一方面的进展则是太阳能集热器技术。开发出适合热驱动制冷机驱动温度的高效低成本集热器对于推动太阳能空调的发展具有重要意义。目前广泛应用的集热器为真空管和平板式集热器,集热温度在40-100℃,通常用于太阳能采暖和热水系统。非跟踪式聚焦太阳能集热器能够在较高集热温度下保持较高的光热转换效率,是新技术发展潮流(表7和表8)。3太阳能空调系统自上世纪70年代以来我国多个科研院所追踪发展太阳能制冷技术,吸收式太阳能空调领域研究比较成功的有广州能源所、北京太阳能研究所、上海交通大学及香港大学等科研单位;企业方面,北京天普、山东皇明、长沙远大和珠海兴业等企业都建立了太阳能空调示范系统,开始产业化尝试。其中长沙远大为槽式聚光系统;目前珠海兴业新能源科技有限公司在珠海总部和湖南分公司分别新建了70kW和500kW的智能太阳能空调系统,该系统由真空热管式集热器,热水吸收式制冷机组,蓄能系统,空调终端和控制电路组成,系统调试成功后,已经连续可靠的运行18个月,为目前国内运行最为成功的太阳能空调工程之一,除此之外兴业公司还努力开发光热幕墙等设备及相变蓄能材料,以期更好地与建筑一体化结合及提高太阳能空调的效率。总结欧洲的开发案例,见表9,吸收式制冷机以其稳定可靠,技术成熟在太阳能空调中得到最广泛的使用。因此国内多数企业单位选择吸收制冷系统的太阳能空调制冷主机。单轴追踪式小型线形Fresnel聚光系统以其能够提供较高温度、较低的风载荷、重力负载分布均匀、较高的地面使用率及易于维修等特点而使得建筑一体化冷热电技术成为可能,因此欧洲诸国2005年后积极开发基于此技术的太阳能空调。4太阳能空调的发展前景综上所述,国外太阳能空调研究已经是低碳建筑技术的重要开发方向,得益于官产学研用的重视,欧洲地区不仅在大型太阳能空调工程方面取得进展,而且在小型家用型太阳能空调样机方面成绩斐然;国内方面,仅限于少数国家级的示范开发项目比较成功,但多家企业已经投入太阳能空调的样机示范并准备将其产业,由于产业政策配套等多方面原因,我国太阳能空调的开发工作仍然落后于欧洲等先进国家。随着对建筑节能的日益重视,未来中国企业发展低碳建筑技术前景广阔,降低太阳能空调的初投资成本和发展太阳能复合建筑供能系统,是未来产业界所面临的主要任务,继续深入开发太阳能建筑一体化技术及深入优化太阳能空调运行技术是推广太阳能空调的关键。(1)在开发大型太阳能中央空调系统的同时注重小型户式太阳能空调系统的开发,商用和户式技术同时开发,更容易促进太阳能空调的推广;(2)建筑一体化的高效集热技术:高效的建筑集热构件设计及聚光系统的开发,同时注意太阳能空调工程的整体美感;(3)低品位能量制冷技术:如低温吸收式制冷,吸附制冷,喷射式制冷等技术,欧洲各类太阳能空调工程较国内丰富得多;(4)