淺談太陽能制冷技術及其在空調領域的應用

張秀麗 姜 勇

0 引言

利用太陽能制冷有兩條途徑:1)利用光伏技術產生電力,以電力推動常規的壓縮式制冷機制冷;2)進行光—熱轉換,用熱作為能源制冷。前者系統比較簡單,但以目前光電池的價格計算,其造價約為后者的 3倍 ～4倍[1];后者除了供冷之外還可結合供熱利用。因此國外的太陽能空調系統常以第二種為主,主要有以下三種方式,即太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷和太陽能噴式制冷。

隨著人們節能和環保意識的加深,開發新能源和可再生能源已經成為許多發達國家和發展中國家 21世紀能源發展戰略的基本選擇。太陽能就是一種可再生清潔能源,長期以來一直受到科學家的研究和重視。在太陽能的利用中,太陽能制冷空調是一個極具發展前景的領域,也是當前制冷技術研究中的熱點。太陽能制冷技術目前還不是很成熟,但是因為其環保節能的特點,決定了它良好的發展前景。

1 太陽能制冷技術的原理和特點

1.1 太陽能吸收式制冷

太陽能吸收式制冷系統簡圖如圖 1所示。它的特點與系統使用的制冷劑有關,常用于吸收式制冷系統的制冷劑有水系、氨系、乙醇系、氟里昂系四大類。水系工質對是目前研究最熱門的課題之一。對它的研究主要是針對現今大量生產的商用LiBr吸收式制冷機存在的易結晶、腐蝕性強、蒸發溫度只能在 0℃以上等缺陷;對氨系工質對的研究主要是針對它的一些致命缺陷,如:制冷性能系數(COP)比溴化鋰小;工作壓力高,具有一定的危險性;有毒;氨和水之間沸點相差不夠大,需要精餾等。吸收式制冷雖然技術相對成熟,但系統成本較蒸汽壓縮式制冷高,主要用于中央空調。

1.2 太陽能吸附式制冷

太陽能吸附式制冷系統簡圖如圖 2所示。它的特點是結構簡單、一次投資少、使用壽命長、無結晶等,且能用于振動、傾顛、旋轉的場所。但與壓縮式和吸收式系統相比,該技術還很不成熟。主要問題在于固體吸附劑為多孔介質,導熱性能低,因而吸附和解吸所需時間長,制冷功率小,COP值不高。Tchernev[1]試制成功沸石—水太陽能制冷機后,太陽能固體吸附式制冷技術已成為各國競相研究的熱點。法國Pons和Guilleminot等分別對活性炭—甲醇和沸石—水太陽能制冷機進行了研究,活性炭—甲醇太陽能制冰機[2]的集熱面積為 6 m2(4個集熱器),吸附劑質量為20 kg/m2～24 kg/m2,制冷系數為0.12～0.14;沸石—水太陽能冷藏室的集熱面積為 20m2(24個集熱器),吸附劑質量共為360 kg,制冷系數約為0.10。

1.3 太陽能噴射式制冷

太陽能噴射式制冷系統工作原理如圖 3所示。該系統的特點是結構簡單、運行穩定、可靠性好,但COP值較低。因而出現了用電能輔助提高噴射器的引射壓力以提高系統性能的趨勢[3,4]。利用太陽能集熱器獲得較高溫度的熱水為熱源,采用低沸點工質輔以機械壓縮噴射制冷循環稱為太陽能增強型噴射制冷系統。此系統主要以提高引射流壓力來提高噴射器性能,它綜合了機械壓縮式制冷循環和蒸汽噴射式制冷循環的優點,具有較高的熱經濟性,其 COP比傳統的噴射制冷高 50%[5]。

2 工程實例

位于天津華苑產業園區的“軟件園大廈”是集綜合功能于一體的 5A級寫字樓。該建筑總面積12萬m2,其中有 10.8萬m2建筑面積需要制冷、制熱和衛生用熱水。大廈選用了 2臺 2.1× 1 010 J直燃機,滿足建筑的制冷和采暖需要。其中 1臺為太陽能—天然氣雙能源直燃機,制冷量 5 815 kW、供熱量 4 489 kW。太陽能集熱器置于樓頂,總占地面積 4 000m2(含間距),集熱面積 2 100m2,集熱功率840 kW,相當于單臺 2.1×1 010 J直燃機供熱量的14%。

該太陽能空調利用聚焦集熱技術實現太陽能的光熱轉化,轉化的熱能提供給溴化鋰吸收式空調機組制冷或采暖。

3 太陽能制冷技術開發與應用的關鍵

1)由于受太陽能集熱器的影響,太陽能空調普遍存在著效率低、價格高的問題。太陽能空調中的太陽能集熱器可以與太陽能熱水器通用。隨著太陽能熱水器技術的發展,太陽能集熱器的效率會逐漸提高。對于原來有太陽能熱水器的用戶可以進行改造,先制冷再用余熱洗澡,使其具有更好的經濟性。

2)集熱溫度、冷水溫度及冷卻水溫度應各為多少,才能建立一個最為經濟合理的太陽能空調系統,也是尚待解決的課題。只有有了合適的集熱器和制冷機,才能建立經濟合理的太陽能空調系統。

3)由于太陽能的收集存在時效問題,蓄熱技術也必須得到很好地解決。現存的蓄熱方法主要采用增加熱水容量,增強保溫效果。要通過蓄熱技術和蓄熱載體的研究開發,來實現太陽能空調系統應用的隨意性和連續性。

4)對于居住相對集中的樓房,集熱器的安裝受到很大的限制,這主要是因為太陽能空調的安裝不普遍,樓房的設計沒有考慮到太陽能空調。要通過太陽能應用與建筑一體化設計來解決這個問題。

5)目前,還沒有太陽能制冷系統的計算機設計軟件、控制芯片、技術標準、統一的配套設備和零部件,這是科技與市場結合的問題。解決這一問題需要太陽能制冷形成一定的規模,占領一定的市場,還需要政府和科技部門給予支持。

4 結語

隨著地球環境日益惡化,臭氧層的破壞、溫室效應的增加,特別是近幾年在我國乃至全球出現的 SARS、禽流感、流腦等病毒,以及日益減少的自然能源,使人們更加意識到環保和節能的重要。開發新能源和可再生能源已經成為許多發達國家和發展中國家 21世紀能源發展戰略的基本選擇;我國政府明確表示,在新的世紀要高度重視綠色環保事業,并將其作為我國 21世紀可持續發展戰略的重要內容。

太陽能作為一種可再生清潔能源,利用太陽能制冷的空調具有的優點首先是節能。據統計,國際上用于民用空調所耗電能約占民用總耗電的50%。而太陽能是取之不盡,用之不竭的,太陽能制冷空調是一個極具發展前景的領域,也是當前制冷技術研究中的熱點。其次是環保。太陽能制冷空調一般采用非氟氯烴物質作為制冷劑,DOP(臭氧層破壞系數)和GWP(溫室效應系數)均為零,適合當前環保要求,同時可以減少燃燒石化能源發電帶來的環境污染。

[1] Tchernev DI.Solar energy application of natural zeolites[A]. Natural Zeolite:Occurrences,Properties,Use.Pergamon Press [C].1978:479-485.

[2] Pons M,Grenier Ph.Experimental data on a solar powered ice maker usingactivated carbon andmethanoladsorption pair[J]. Solar Energy Engineering,1987(109):303-310.

[3] W.B.Ma,SM Deng.Theoretical analysis of low-temperature hot sourse driven two-stage LiBr/H2O absorption refrigeration system.Int.J.Refrig,1996,19(2):141-146.

[4] 李戩洪,馬偉斌,江 晴,等.100 kW太陽能制冷空調系統[J].太陽能學報,1999(3):239-243.

[5] 陳 瀅,朱玉群.低溫熱源驅動的單效/雙級(SE/DL)吸收式制冷循環[J].太陽能學報,2002(1):101-107.