常見太陽能空調(diào)制冷技術(shù)的現(xiàn)狀及比較

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院太陽能技術(shù)研究中心 ■ 金葉佳 尹芳芳 李開創(chuàng) 谷偉 余雷

一 引言

太陽能空調(diào)以其優(yōu)越的季節(jié)匹配性，越來越受到人們的關(guān)注。太陽能空調(diào)一般采用環(huán)保型制冷劑，臭氧層破壞系數(shù)(ODP)和溫室效應(yīng)系數(shù)(GWP)均為零，完全符合環(huán)境保護(hù)的要求。

目前的太陽能空調(diào)制冷技術(shù)從原理上大致可分為兩種實(shí)現(xiàn)途徑：一是太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再以電能來驅(qū)動(dòng)壓縮式制冷，其產(chǎn)生電能的方式又分為光伏式和光熱式兩種；二是直接利用太陽能集熱器收集熱量，以熱推動(dòng)制冷。其中以太陽能熱轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)一般不僅能夠在夏季制冷使用，而且全年可以方便地采暖和提供熱水等，大大降低了系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)成本，是未來空調(diào)系統(tǒng)的理想形式。

二 太陽能空調(diào)制冷技術(shù)的研究進(jìn)展

國際上利用太陽能制冷和采暖的歷史可以追溯到20世紀(jì)上半葉，1957年美國佛羅里達(dá)大學(xué)的Farbe教授研制出制冷量約為0.5RT的NH3-H2O吸收式制冷機(jī)及集熱器，并投入實(shí)際運(yùn)行。至此以后，各國學(xué)者對太陽能制冷技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，主要有以下幾個(gè)方向：太陽能集熱器的優(yōu)化；適合太陽能的制冷技術(shù)的研究；儲能方式的研究；系統(tǒng)性能優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)性分析等。本文僅針對幾種太陽能熱轉(zhuǎn)換制冷技術(shù)的研究進(jìn)行介紹。

目前研究較成熟的太陽能熱轉(zhuǎn)換制冷技術(shù)有：吸收式制冷、吸附式制冷和除濕空調(diào)系統(tǒng)等。迄今為止，對于吸收式空調(diào)系統(tǒng)的工程報(bào)道較多，如溴化鋰－水吸收式單效制冷系統(tǒng)在歐洲有很多實(shí)例，而國內(nèi)在廣東江門和山東乳山也建立了類似的示范工程[1,2]。Duff等[3]報(bào)道了美國薩克拉門托市在1998年建立了一座太陽能雙效吸收式制冷系統(tǒng)的工程實(shí)例，系統(tǒng)采用ICPC集熱器加雙效制冷機(jī)的組合，系統(tǒng)日均COP(coefficient of performance)達(dá)到1.1左右。

與歐洲絕大部分示范項(xiàng)目是吸收式系統(tǒng)不同，我國在吸附式制冷和除濕空調(diào)應(yīng)用方向具有特色，相關(guān)工作也富有成效。如上海交通大學(xué)王如竹教授等研制的小型硅膠－水吸附式空調(diào)機(jī)組有效地提高了系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)性能，提高了整體COP值，并在上海和山東德州的一些實(shí)際工程中得到了應(yīng)用[4]。除濕空調(diào)系統(tǒng)因其處理潛熱負(fù)荷時(shí)的獨(dú)特優(yōu)勢也得到了較快發(fā)展，清華大學(xué)江億院士等首先提出了熱濕獨(dú)立處理的概念并得到了推廣[5]。此外，上海交通大學(xué)和東南大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也在除濕系統(tǒng)的除濕機(jī)理和傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化等方面做出一些有益的工作。

三 太陽能熱轉(zhuǎn)換制冷

太陽能熱轉(zhuǎn)換制冷所需的熱源一般是中低溫?zé)嵩矗脕硖幚?～40℃之間的空調(diào)負(fù)荷，顯然更符合能量梯級利用的原則。相比太陽能發(fā)電制冷的方式，熱轉(zhuǎn)換制冷技術(shù)的成本更低。

1 太陽能吸收式制冷

(1)分類簡介

目前太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的有溴化鋰－水和氨－水工質(zhì)對，其中溴化鋰－水由于COP高、對熱源溫度要求低、無毒和對環(huán)境友好，而占據(jù)當(dāng)今研究與應(yīng)用的主流地位。按其制冷循環(huán)的類型可分為單效、雙效、雙級、三效，以及單效/雙級等復(fù)合式循環(huán)。表1列出了各種循環(huán)類型的COP，顯然熱源溫度越高，制冷系統(tǒng)所能達(dá)到的COP就越高，同時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜程度也越高。單效、兩級制冷系統(tǒng)的熱力系數(shù)較低，目前市場上應(yīng)用最廣泛的單效及雙效系統(tǒng)的能源利用率不及傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)；而三效以及多效更復(fù)雜的制冷系統(tǒng)能源利用率已經(jīng)超過傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，因此三效及多效系統(tǒng)將是吸收式制冷技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

表1 各種制冷循環(huán)類型的COP

(2)原理及系統(tǒng)組成

太陽能吸收式制冷的基本原理是利用液體工作介質(zhì)蒸發(fā)時(shí)吸收周圍熱量制冷。其工作流程如圖1所示，制冷劑液體在蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱后變成低壓蒸汽進(jìn)入吸收器，被吸收劑強(qiáng)烈吸收，吸收過程中放出的熱量被冷卻水帶走，形成的溶液由泵送入發(fā)生器中，被太陽能集熱器產(chǎn)生的熱源加熱后蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓蒸汽，進(jìn)入冷凝器冷卻，而稀溶液降壓回流到蒸發(fā)器，完成一個(gè)循環(huán)。

(3)技術(shù)特點(diǎn)及改進(jìn)措施

吸收式太陽能空調(diào)系統(tǒng)之所以成為最接近商業(yè)化的太陽能空調(diào)方式，是因?yàn)樗藫碛幸话闾柲芸照{(diào)都具有的季節(jié)匹配性好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)外，另一個(gè)重要的原因是它可與商品化的大型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組配套，大幅降低了投資運(yùn)行費(fèi)用，且運(yùn)行較可靠。因此目前太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)較適宜辦公樓、賓館等公共建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)(一般制冷量＞100kW)。由于國內(nèi)的示范項(xiàng)目基本上還是采用COP較低的單效或兩級制冷機(jī)，所以效率較低、成本高是太陽能吸收式空調(diào)面臨的現(xiàn)實(shí)情況。

為了提高太陽能吸收式空調(diào)的競爭力，可在以下幾方面取得突破：一是太陽能集熱器。作為太陽能熱利用的核心部件，高溫高集熱效率、低成本和可靠性都是目前的研究重心。二是“太陽能化”的制冷主機(jī)。目前市場上很少有針對太陽能等低溫?zé)嵩吹匿寤囍评錂C(jī)組，而且國內(nèi)尚無針對戶式空調(diào)的小型溴化鋰制冷機(jī)組(＞5kW)。此外，與空調(diào)系統(tǒng)相配套的蓄熱方式和自動(dòng)控制方式也需進(jìn)一步改進(jìn)和突破。

2 太陽能吸附式制冷

(1)分類簡介

目前吸附式制冷系統(tǒng)的種類形式繁多，以其制冷的連續(xù)性可簡單分為連續(xù)和不連續(xù)兩種。基本吸附制冷循環(huán)的4個(gè)熱力過程中只有一個(gè)階段是在實(shí)際制冷，因此基本吸附制冷循環(huán)是間歇制冷，而空調(diào)工況下系統(tǒng)一般要求連續(xù)制冷，因此需要采用兩個(gè)或多個(gè)吸附器交替運(yùn)行，或采取回質(zhì)、回?zé)嵫h(huán)才能實(shí)現(xiàn)。

吸附劑－吸附質(zhì)工質(zhì)對的選擇也是吸附式制冷最重要的因素之一，可根據(jù)工質(zhì)對進(jìn)行分類，采用不同工質(zhì)對以適用于不同的熱源和蒸發(fā)溫度。如目前空調(diào)系統(tǒng)常用的硅膠－水工質(zhì)對，它的熱源溫度可在65～85℃，用于制冷7～20℃的冷凍水；而活性炭－甲醇、活性炭－氨、分子篩－水及氯化鈣－氨等也是空調(diào)或制冰工況中常用的工質(zhì)對。

(2)原理及系統(tǒng)組成

太陽能吸附式制冷即以太陽能為推動(dòng)力驅(qū)動(dòng)吸附式制冷循環(huán)的制冷方式。一個(gè)基本的吸附式制冷循環(huán)包括等吸附量加熱、等壓解吸、等容冷卻和等壓吸附4個(gè)熱力過程。僅在等壓吸附階段吸附劑吸附蒸發(fā)器內(nèi)的吸附質(zhì)，產(chǎn)生蒸發(fā)制冷。太陽能吸附式制冷系統(tǒng)簡圖如圖2所示。其中吸附床作為吸附式制冷區(qū)別于其他制冷方式的核心部件，在整個(gè)吸附式制冷循環(huán)中起關(guān)鍵作用。

圖2 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)圖

(3)技術(shù)特點(diǎn)及改進(jìn)措施

與太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)相比，太陽能吸附式空調(diào)具有兩個(gè)主要優(yōu)勢：一是所需熱源溫度較低，其太陽能集熱部分一般采用平板式集熱器，成本大大降低；二是吸附式系統(tǒng)的制冷功率相對較小，并且由于其工作特性決定吸附式增加制冷量時(shí)勢必大幅增加成本和系統(tǒng)重量，因此吸附式尤其適合針對普通住宅的小型化戶式空調(diào)系統(tǒng)(＞5kW)，具有較大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前太陽能吸附式空調(diào)的最大缺陷是系統(tǒng)COP值偏低，不僅低于傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)，而且遠(yuǎn)低于太陽能吸收式空調(diào)，這使得吸附式制冷的競爭力大打折扣。吸附式系統(tǒng)COP值不高除了與工質(zhì)對的選擇有關(guān)，主要原因是吸附系統(tǒng)中的傳熱傳質(zhì)性能較低，這也是限制傳統(tǒng)吸附式制冷產(chǎn)業(yè)化的瓶頸之一。

為了改善吸附式系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)性能，提升系統(tǒng)整體的COP值，國內(nèi)外學(xué)者一般在以下方向做研究和努力：

(1)工質(zhì)對的合理選擇和優(yōu)化。作為吸附式制冷的核心，選擇合適的工質(zhì)對不僅能大大提高制冷效率還能節(jié)省成本，增強(qiáng)可靠性。

(2)吸附式制冷循環(huán)方式的研究。如基于吸附式制冷基本循環(huán)發(fā)展而來的各種先進(jìn)的連續(xù)回?zé)峄刭|(zhì)型、多級復(fù)疊型、熱波型和對流熱波型等。

(3)改善吸附床傳熱傳質(zhì)性能的研究。吸附床是吸附制冷系統(tǒng)的心臟，對整個(gè)系統(tǒng)性能的影響至關(guān)重要。

3 太陽能除濕空調(diào)

(1)分類簡介

太陽能除濕空調(diào)系統(tǒng)是另一種富有特色的空調(diào)方式，與以上兩種空調(diào)方式不同，一般采用開放式的運(yùn)行方式，因此不需要復(fù)雜的密閉系統(tǒng)。根據(jù)太陽能除濕空調(diào)的工作介質(zhì)可分為太陽能溶液除濕空調(diào)和太陽能固體除濕空調(diào)，兩者的基本原理較一致，本文僅對溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行具體分析。

(2)原理及系統(tǒng)組成

太陽能溶液除濕空調(diào)的基本原理是利用除濕劑濃溶液表面的水蒸氣分壓低于濕空氣中的水蒸氣分壓，在壓力梯度的作用下將濕空氣的水蒸氣吸收到濃溶液中，直至雙方的水蒸氣分壓達(dá)到平衡，吸收過程結(jié)束。吸濕后的稀溶液通過太陽能收集的熱量再生。太陽能溶液除濕制冷系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 太陽能溶液除濕制冷系統(tǒng)圖

(3)技術(shù)特點(diǎn)及改進(jìn)措施

除濕是空氣調(diào)節(jié)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)一般采用露點(diǎn)除濕的方式，但這樣的除濕手段日益暴露出一些缺陷：如由于冷凝水的存在，盤管成了滋生各種霉菌的溫床，惡化了室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)，引發(fā)多種病態(tài)建筑綜合癥(SBS)；為了使空氣達(dá)到露點(diǎn)溫度也造成了不可避免的再熱損失。而溶液除濕空調(diào)能克服這些缺陷，空氣直接通過液體除濕劑被高效干燥。這樣的方式不僅不會有冷凝水產(chǎn)生造成的污染，而且空氣經(jīng)過濃溶液還有殺菌的作用，改善了空氣品質(zhì)。

除濕空調(diào)再生器一般僅需要約55～75℃的熱源驅(qū)動(dòng)，因此可以節(jié)約太陽能集熱器的成本。此外除濕空調(diào)的一個(gè)最重要的優(yōu)勢就是可以實(shí)現(xiàn)熱濕分離處理，通過除濕器干燥后的空氣無需降溫到露點(diǎn)溫度，僅需常溫的冷凍水處理即可，并可以方便地獨(dú)立控制室內(nèi)空氣的溫度和濕度。如東南大學(xué)張小松教授提出的太陽能驅(qū)動(dòng)溶液除濕與輻射供冷空調(diào)末端結(jié)合的系統(tǒng)，就實(shí)現(xiàn)了熱、濕徹底解耦，具有一定理論意義[6]。

為實(shí)現(xiàn)熱濕獨(dú)立處理必然會一定程度上增加除濕空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜度，導(dǎo)致初投資相對較高。與成熟的吸收式系統(tǒng)相比，除濕空調(diào)在處理室內(nèi)潛熱負(fù)荷方面有優(yōu)勢，但在高溫高濕環(huán)境下的降溫能力有限，因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能需要增加輔助制冷機(jī)組。目前關(guān)于除濕過程的理論基礎(chǔ)并不成熟，除濕空調(diào)的研究主要還是集中在除濕過程中的除濕機(jī)理、干燥劑的選擇、吸附表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)及除濕空調(diào)循環(huán)的優(yōu)化等方面。

四 結(jié)論與展望

幾種常見的太陽能熱轉(zhuǎn)換制冷空調(diào)制冷方式的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 常見的太陽能熱轉(zhuǎn)換制冷空調(diào)制冷方式的優(yōu)缺點(diǎn)

相比傳統(tǒng)電力，目前的壓縮式空調(diào)系統(tǒng)尚存在投資成本、運(yùn)行可靠性等方面不足，但太陽能空調(diào)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。本文通過比較，主要介紹了幾種太陽能空調(diào)制冷技術(shù)的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和一些值得改進(jìn)的方向，以期大家對各種空調(diào)制冷技術(shù)有更多的了解。雖然文中并沒有具體討論所有太陽能空調(diào)系統(tǒng)都必須面對的太陽能集熱器技術(shù)、蓄熱技術(shù)和系統(tǒng)配套的自動(dòng)控制技術(shù)等，但這些技術(shù)也都是限制太陽能空調(diào)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。我們努力的最終目標(biāo)是建立一種真正環(huán)保實(shí)用、高效、低成本、多功能、小型化的太陽能空調(diào)系統(tǒng)，使之能夠走進(jìn)千家萬戶，在未來可持續(xù)發(fā)展的能源利用結(jié)構(gòu)中占有一席之地。

[1]李戡洪, 馬偉斌, 江晴, 等. 100kW太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 1999, 20(3): 239－243.

[2]何梓年, 朱寧, 劉芳, 等. 太陽能吸收式空調(diào)及供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2001, 22(1): 6－11.

[3]Duff W S, Winston R, O’Gallagher J J, et al. Performance of the sacramento demonstration ICPC collector and double effect chiller[J].Solar Energy, 2004,76(1-3):175－180.

[4]陸紫生, 翟曉強(qiáng), 王如竹, 等. “可再生能源與建筑集成技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目——課題二/子課題: 小型硅膠－水吸附太陽能空調(diào)研制及應(yīng)用[J]. 建設(shè)科技, 2009, (24): 37－39.

[5]李震, 江億, 陳曉陽, 等. 溶液除濕空調(diào)及獨(dú)立處理空調(diào)系統(tǒng)[J]. 暖通空調(diào), 2003, 33(6): 26－29.

[6]代彥軍, 王如竹. 太陽能空調(diào)制冷技術(shù)最新研究進(jìn)展[J]. 化工學(xué)報(bào), 2008, (S2): 1－8.

[7]王如竹, 代彥軍. 太陽能制冷[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2007.