太阳能制冷技术的应用与发展

太阳能制冷技术的应用与发展

夏季太阳能热量过剩情况太阳能是一种广泛分布和使用清洁的可支配能源。它预计将在未来的社会能源结构中发挥更重要的作用。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。特别是近年来,随着集中式太阳能热水和采暖系统的规模化应用,夏季太阳能热量过剩现象十分突出,各国学者[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]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,另一方面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[13,14,15,16,17,18,19,20]。太阳能空调制冷的最大优点在于它有很好的季节匹配性,天气越热、越需要制冷的时候,太阳辐射条件越好,太阳能制冷系统的制冷量也越大。1太阳能集热器简介利用太阳能实现供热与制冷的可能技术途径如图1所示,主要包括太阳能转换为热能,利用热能供热制冷;以及将太阳能转换为电能,利用电能驱动相关设备供热制冷两大类型。根据需求,太阳能制冷过程也可以实现从空调到冷冻温区的不同要求。图的左侧反映了太阳能收集与转换环节,其中太阳能集热器是将太阳辐射转变为热能的装置,目前主要有平板式、真空管式和聚焦式集热器3种类型,获得的集热温度依次升高。依据太阳能集热器集热温度的不同,可直接用于热水供应以及采暖等,还可以驱动吸收式、吸附式、喷射式、除湿空调,朗肯循环,化学反应等过程获得制冷效应。还可以将太阳辐射通过光伏效应或者通过热发电等途径转变为电能,之后通过电能驱动蒸汽压缩制冷循环、斯特林循环以及热电效应实现制冷过程。另外,通过特定的可逆吸热和放热反应,以太阳能为热源也能够实现特定场合下的制冷要求。在各种太阳能制冷转换途径当中,太阳能热驱动空调能够和当前广泛应用的太阳能热水和采暖系统紧密结合,构成太阳能综合利用系统从而实现太阳能利用与季节变化的最佳匹配。即利用一套太阳能集热器做到冬季采暖、夏季空调、四季热水供应等,因而可与建筑结合在建筑能源结构中发挥重要的作用,这也是实现太阳能规模化、低成本利用的理想途径之一。2太阳能热转换驱动的空调系统表1给出了目前最常用的太阳能热驱动空调及其工作方式。从空调系统讲,主要有吸附式、吸收式、除湿空调和喷射式制冷四大类,其中前三种研究应用最广。它们的工作原理是利用太阳能集热器产生的热能驱动制冷装置产生冷冻水或调节空气送往建筑环境内进行空调。具体如下。(1)太阳能吸收式制冷:用太阳能集热器收集太阳能来驱动吸收式制冷系统,是目前为止示范应用最多的太阳能空调方式。应用多为溴化锂-水系统,也有的采用氨-水系统。(2)太阳能吸附式制冷:利用吸附制冷原理,以太阳能为热源,采用的工质对通常为活性炭-甲醇、分子筛-水、硅胶-水及氯化钙-氨等,可利用太阳能集热器将吸附床加热后用于脱附制冷剂,通过加热脱附-冷凝-吸附-蒸发等几个环节实现制冷。(3)太阳能除湿空调系统:是一种开放循环的吸附式制冷系统。基本特征是干燥剂除湿和蒸发冷却,也是一种适合于利用太阳能的空调系统。(4)太阳能蒸汽喷射式制冷:通过太阳能集热器加热使低沸点工质变为高压蒸汽,通过喷管时因流出速度高、压力低,在吸入室周围吸引蒸发器内生成的低压蒸汽进入混合室,同时制冷剂在蒸发器中汽化而达到制冷效果。上述几种太阳能热能转换驱动的空调制冷方式中,目前为止太阳能溴化锂-水吸收式空调方式示范应用最多,以欧洲为主。另外,吸附式制冷方式由于驱动热源要求温度低,近年来在我国和欧洲发展很快。除湿空调技术以开放循环方式工作,系统可靠性高,在处理空调潜热负荷方面具有优势。图2所示为太阳能热驱动空调系统太阳能集热器与制冷方式之间的理论匹配关系(实际集热器效率要低一些)。这里主要考虑了常见的平板式、真空管式和空气集热器几种类型。除湿空调在开放环境中工作,主要用于湿度的处理,需要的热源温度最低,因此可匹配选用空气集热器和平板式太阳能集热器。其次是吸附式制冷,可在60～85℃热源温度下运行。如果集热温度可达85℃以上,可驱动单效吸收式制冷过程。如果集热温度能达到150℃左右,则可以选用具有较高运行效率的太阳能双效吸收式制冷方式。另外,以空调特点而言,除湿空调是对处理空气进行调节的空气调节手段,能够直接把空气处理到理想的温湿度条件。而吸附制冷、吸收制冷和喷射制冷则主要是获得冷冻水为目的,进一步通过风机盘管或辐射末端对环境温湿度进行调节。前者在处理潜热负荷方面具有优势,但对空气降温处理方面能力有限,某些情况下,需要其他制冷方式结合处理实现显热、潜热分级处理,达到理想空调效果。3太阳能热水制造由于太阳能制冷具有季节匹配性好、使用清洁等突出优点,近年来国内外在太阳能空调制冷领域的研究非常活跃,主要体现在如下方面。3.1太阳能生物空调机组目前广泛应用的太阳能集热器类型主要是真空管和平板式集热器,为非聚焦类集热装置,通常用于太阳能热水和采暖系统,集热温度通常在40～100℃之间。对传统的单效吸收式空调而言,一个白天能够保证85℃以上集热温度的时间有限,因此需要与辅助热源加热相结合。为了提高太阳能制冷过程中太阳辐射能源的贡献率,开发适合太阳能集热器温位的制冷机组、特别是小容量的制冷机组是研究的热点。图3所示为上海交通大学开发的太阳能硅胶-水吸附式空调机组,可依靠普通太阳能集热器阵列产生的热水驱动制冷循环。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8.5kW,热力COP为0.4。用于太阳能制冷,可利用60～80℃热水驱动,典型晴天条件下,能实现连续8h制冷。目前制冷量10kW产品已小批量生产。此机组已在建筑太阳能空调、太阳能低温储粮系统获得应用。此外,德国SolarNextAG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4为德国某建筑使用的Nishyodo公司105kW的硅胶-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。3.1.2空调变异性能除湿空调是各类空调方式中要求热源温度最低的,完全依靠干燥剂除湿和蒸发冷却原理工作,环保无污染。除湿空调依采用干燥剂的不同,分为溶液除湿空调和固体除湿空调两类。目前研究主要集中在两个方面:一是干燥剂材料强化吸湿机理和吸附表面设计,二是除湿空调循环优化与系统构建与实施。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5),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50℃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40%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。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6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。太阳能溶液除湿空调的研究应用主要集中在德国、澳大利亚、意大利等国家。依靠溶液的浓度差可以实现空调除湿能力蓄存,且能量储存不存在与周围环境的温差热损失,易于长期储存。Grossman等曾长期示范运行太阳能溶液除湿空调机组,以平板太阳能集热器提供再生热源,溶液除湿空调负担潜热负荷,热泵系统负责主要的显热负荷,在当地气候条件下运行效果较为理想,如图7所示。国内东南大学、清华大学等研究机构在溶液除湿空调方面也开展了大量工作。东南大学在再生器和内冷型除湿器传热传质研究等方面成果富有成效。清华大学提出的热湿独立处理的热泵溶液处理新风机组已经在一定范围内应用。上海交通大学太阳能制冷研究小组最近提出一种采用级间冷却的双级、双溶液太阳能除湿空调系统,采用特殊设计的大浓度差、集中再生循环方式,标准工况下,系统热力COP由传统除湿空调的0.7～0.8左右提高到1.3。其不足是增加了系统的复杂性。3.1.3精馏系统的研究氨水吸收式空调也是利用太阳能获得制冷效应的重要技术途径。早期国内外研究报道较多,包括美国能源概念公司以及我国部分单位。其不足是要求有精馏装置,系统稍复杂,优点是能够满足从冷冻到空调区域的温度要求。德国SolarNextAG公司开发了10kW的户用太阳能氨水吸收式空调机组,如图8所示。3.1.4太阳能吸收式空调溴化锂-水吸收式空调由于产业基础好,技术也相对成熟,目前与太阳能结合示范应用最多。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(图9),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。长沙远大公司研制了利用槽式太阳能集热器驱动的双效吸收式空调(图10),与常规燃气结合,提高了太阳能制冷的转化效率并在天津等地进行了示范应用。另外,国内有关单位,如北京太阳能研究所、天普公司、海尔集团等也分别进行了太阳能吸收式空调系统的应用。国外最有名的太阳能吸收式空调产品是日本Yasaki公司的系列产品,报道最小制冷量为5kW,是目前用于太阳能空调领域最多的产品。3.2太阳能空调系统的模拟法设置太阳能空调制冷技术的另一方面重要进展是集热器技术。开发出适合目前热驱动制冷机驱动温度要求的高效太阳能集热器对推动太阳能空调技术进展具有积极意义。在提高太阳能集热器集热温度方面,非跟踪式聚焦太阳能集热器能够在较高集热温度条件下具有较高的转换效率,结合单效吸收式空调机组应用比目前太阳能真空管集热器具有更好的转换效果(图11)。另外,与普通家用太阳能热水器不同,太阳能空调系统需要较大的太阳能集热面积,通常布置为太阳能集热器阵列,传统的全玻璃真空管集热器在规模应用方面存在承压能力小、容易破损等不足,但成本低,具有价格优势。热管式集热器阵列流动阻力小、承压能力强,是一种适合工程化的集热器类型(图12)。另外真空管式金属直流管、U形管太阳能集热器适合闭式承压双循环系统运行,也是一种能够在高温下保持较高集热效率的集热方式,适合用于太阳能空调系统。为了开发出中高温集热温度条件下稳定工作的集热器,高温集热条件下性能稳定的选择性涂层材料、表面处理技术、封接技术等也是研究攻关的重点。3.3太阳能空调、采暖、热水供应单纯的太阳能制冷空调系统由于要用较多的集热器面积,往往初投资较大,改善系统经济性的途径就是想办法提高太阳能集热器的利用率,如冬季用于建筑采暖、全年供应热水,夏季空调等。图13为上海交通大学发明实施的太阳能空调、采暖、热水供应与强化自然通风复合能量利用系统,特点是能够实现太阳能全年高效利用。冬季利用集热器产生的40℃以上的热水通过地板辐射采暖末端进行供暖,夏季利用60℃以上的热水驱动吸附制冷机进行空调降温,全年供应热水,过渡季节利用太阳能加热强化室内自然通风改善室内热环境。该项目入选了国际Wisions可再生能源推广计划。复合能量系统技术被认为是建筑结合规模化、低成本利用太阳能的重要方向。3.4热声制冷、太阳能光伏电池的利用上述太阳能空调制冷技术是目前国内外应用示范和推广的主流技术。此外,太阳能喷射制冷、太阳能驱动的热声制冷、太阳能光伏电池驱动的半导体制冷和蒸汽压缩制冷等也不断有研究报道,在某些特殊场合获得应用。值得注意的是,一些被动式太阳能冷却技术,如太阳能强化自然通风、夜间辐射等的应用对降低环境热负荷也有积极的作用,与前述主动式太阳能制冷手段结合也是改善太阳能制冷的重要技术途径。3.5太阳能空调主要技术比例现状及分析从目前国内外报道情况来看,国外主要是欧洲应用和示范的太阳能空调项目在100个以上,按技术分类,不同技术所占比例如图14所示。其中太阳能吸收式空调占据了一半以上,除湿空调约占28%,吸附式空调占12%。我国的太阳能空调应用示范项目根据报道大约20～30个左右,3种主要技术比例如图15所示。与欧洲的不同在于我国在吸附式制冷的研究应用方面具有特色,有关工作走在国际前列。4太阳能空调制冷技术太阳能空调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。从提高太阳能全年利用率和运行经济性角度而言,目前理想的太阳能空调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。特别是与建筑结合,能够在建筑用能环节发挥一定的作用。太阳能空调制冷技术的发展,近期是结合建筑用能需求,与建筑一体化太阳能供热采暖系统匹配,解决夏季部分建筑空间太阳能制冷空调的问题。特别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