太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的可行性研究

嚴(yán)建國(guó)

（張家港市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇張家港 215600）

0 引言

空調(diào)能耗在全年民用能耗中占有相當(dāng)大的比重，用太陽(yáng)能替代常規(guī)能源驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)節(jié)能和環(huán)保都具有十分重要的意義，而且夏天強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻照恰好與夏季迫切的制冷需求相匹配，用太陽(yáng)能進(jìn)行制冷最能發(fā)揮系統(tǒng)利用自然條件這一特點(diǎn)。將太陽(yáng)能作為辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)的熱源，關(guān)鍵應(yīng)考慮系統(tǒng)的建造成本和運(yùn)行費(fèi)用等問(wèn)題。為掌握第一手太陽(yáng)能空調(diào)的相關(guān)資料，在對(duì)目前太陽(yáng)能空調(diào)相關(guān)領(lǐng)域的情況進(jìn)行調(diào)研、分析及總結(jié)，并對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)太陽(yáng)能集熱器的廠家進(jìn)行考察的基礎(chǔ)上，對(duì)太陽(yáng)能集熱器數(shù)據(jù)進(jìn)行了一一核實(shí)。

1 中國(guó)的太陽(yáng)能資源

我國(guó)太陽(yáng)能資源的地區(qū)分布大致分為4類(lèi)，1類(lèi)：太陽(yáng)輻照量大于6700MJ/（m2·a）的資源豐富區(qū)，如高原地區(qū)；2類(lèi)：太陽(yáng)輻照量在5400～6700MJ/（m2·a）的資源較富區(qū)，如新疆南部、青海東部；3類(lèi)：太陽(yáng)輻照量在4200～5400MJ/（m2·a）的資源一般區(qū)，如陜西北部、江蘇北部；4類(lèi)：太陽(yáng)輻照量在小于4200MJ/（m2·a）的資源貧乏區(qū)，如四川、貴州、重慶等。

2 地區(qū)選擇

根據(jù)我國(guó)各地區(qū)的太陽(yáng)能資源分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度和冷熱需求情況，本文選擇北方與南方作為太陽(yáng)能吸收式制冷供熱系統(tǒng)可行性分析的典型地區(qū)。

3 太陽(yáng)能集熱器的分類(lèi)及特點(diǎn)

太陽(yáng)能集熱器是利用太陽(yáng)輻射吸收材料的光熱效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿⑾騻鳠峁べ|(zhì)傳遞熱量的特殊產(chǎn)熱裝置，它是太陽(yáng)能制冷供熱系統(tǒng)中最重要、最基本的組成部分。太陽(yáng)能集熱器可以按以下多種方法進(jìn)行分類(lèi)。一是按傳熱介質(zhì)分為液體集熱器和空氣集熱器；二是按進(jìn)入采光口的太陽(yáng)輻射是否改變方向分為聚光集熱器和非聚光集熱器；三是按是否追蹤分為跟蹤集熱器和非跟蹤集熱器；四是按是否有真空空間分為平板集熱器和真空管集熱器；五是按工作溫度范圍分為低溫集熱器、中溫集熱器和高溫集熱器。

目前能產(chǎn)生中高溫?zé)崴募療崞黝?lèi)型主要有：全玻璃真空管集熱器、內(nèi)插U形管的全玻璃真空集熱器、內(nèi)插熱管的全玻璃真空集熱器、熱管式真空管集熱器、復(fù)合拋物聚光鏡（CPC）、塔式集熱器、菲涅爾透鏡聚焦集熱器、拋物面槽聚焦集熱器（PTC）型集熱器。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，在國(guó)內(nèi)主要集熱器生產(chǎn)廠家的情況如表1所示。

4 太陽(yáng)能制冷主機(jī)的選擇

單效、雙效和三效太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)比較如表2所示。單效型溴冷機(jī)所用集熱器價(jià)格為2000/m2，單效太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的集熱器系統(tǒng)每千瓦制冷功率的成本約為1.496萬(wàn)元；雙效型溴冷機(jī)所用集熱器價(jià)格3000/m2，雙效太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的集熱器系統(tǒng)每千瓦制冷功率的成本約為1.52萬(wàn)元；三效型溴冷機(jī)所用集熱器價(jià)格5000/m2，三效太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的集熱器系統(tǒng)每千瓦制冷功率的成本約為2.2萬(wàn)元。

因此，采用單效型溴冷機(jī)作為太陽(yáng)能制冷主機(jī)成本是最低的。以制冷量需求100萬(wàn)kcal/h（1163kW）為例，以單效熱水計(jì)算，需要集熱器面積8700m2，考慮維護(hù)空間，集熱器占地面積超過(guò)10000m2，集熱器系統(tǒng)投資1740萬(wàn)元人民幣。另外，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的運(yùn)行不可避免地要受到氣候條件的影響。為了保證系統(tǒng)可以全天候發(fā)揮空調(diào)、采暖功能,輔助的常規(guī)能源系統(tǒng)是必不可少的。采用太陽(yáng)能熱水補(bǔ)燃型溴冷機(jī)可以在太陽(yáng)能動(dòng)力不足時(shí)補(bǔ)充所需負(fù)荷。因?yàn)閷?duì)于夏天制冷來(lái)說(shuō)，補(bǔ)燃的部分具有較高的COP，可以達(dá)到1.35以上；對(duì)于冬天采暖來(lái)說(shuō)，則相當(dāng)于一臺(tái)小型鍋爐。因此，本次調(diào)研得出最佳太陽(yáng)能制冷方案為：采用“太陽(yáng)能熱水補(bǔ)燃型溴冷機(jī)”和“力諾瑞特的95℃出水的CPC集熱器”相結(jié)合的方式。

5 太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

在北方地區(qū)，與燃?xì)庵比夹弯謇錂C(jī)相比，在全年利用太陽(yáng)能的情況下，且處于當(dāng)前集熱器價(jià)格水平，只有當(dāng)天然氣價(jià)格在4元/Nm3以上時(shí)，才可能將集熱系統(tǒng)的投資回收期縮短到10年左右；或者處于當(dāng)前天然氣價(jià)格水平，只有當(dāng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)造價(jià)降低到1000元/m2時(shí)，才可能將集熱系統(tǒng)的投資回收期縮短到10年左右。

在南方地區(qū)，與燃?xì)庵比夹弯謇錂C(jī)相比，在全年利用太陽(yáng)能的情況下，且處于當(dāng)前集熱器價(jià)格水平，只有當(dāng)天然氣價(jià)格在7.5元/Nm3以上時(shí)，才可能將投資回收期縮短到10年左右；或者處于當(dāng)前天然氣價(jià)格水平，只有當(dāng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)（包括集熱器）造價(jià)降低到1250元/m2，才可能將投資回收期縮短到10年左右。

表1 國(guó)內(nèi)主要集熱器生產(chǎn)廠家情況表

表2 單效、雙效和三效太陽(yáng)能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)比較（每千瓦制冷功率）

南方地區(qū)，與水冷螺桿機(jī)相比，在全年利用太陽(yáng)能的情況下，且處于當(dāng)前集熱器價(jià)格水平，只有當(dāng)工業(yè)電價(jià)達(dá)到2.5元/（kW·h）以上時(shí)，才可能將投資回收期縮短到10年左右；或者處于當(dāng)前工業(yè)電價(jià)水平，只有當(dāng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)（包括集熱器）造價(jià)降低到700元/m2時(shí)，才可能將投資回收期縮短到10年左右。在采用相同的制冷系統(tǒng)，相同的天然氣價(jià)格，相同的集熱器價(jià)格情況下，北方需要的回收年限比南方短45%，這主要是南方地區(qū)的太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度沒(méi)有北方地區(qū)強(qiáng)。

由于天然氣價(jià)格高，電價(jià)相對(duì)便宜，所以當(dāng)采用水冷螺桿機(jī)制冷系統(tǒng)進(jìn)行投資年限對(duì)照時(shí)，所需回收年限更長(zhǎng)，也就是說(shuō)即使天然氣價(jià)格大幅提升、太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)相對(duì)于燃?xì)庵比夹弯謇錂C(jī)具有一定投資價(jià)值，但由于電價(jià)水平較低，太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)相對(duì)于水冷螺桿機(jī)又不具備投資價(jià)值。

6 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能制冷技術(shù)所需的技術(shù)，包含太陽(yáng)能集熱技術(shù)，制冷所需要的溴冷機(jī)技術(shù)均是成熟技術(shù)，不存在技術(shù)瓶頸。目前在推廣使用上主要受制于綜合經(jīng)濟(jì)效益，受制于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的成本和間歇性等因素。

從以上數(shù)據(jù)分析，在太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)處于目前常規(guī)價(jià)格的前提下，無(wú)論是北方還是南方，按照當(dāng)前當(dāng)?shù)氐膬r(jià)格水平，即使全年利用太陽(yáng)能，僅太陽(yáng)能太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)也無(wú)法在15年內(nèi)收回投資，還需要考慮太陽(yáng)能的間歇性及整個(gè)制冷設(shè)備及系統(tǒng)和占地面積等方面的投資，所以從經(jīng)濟(jì)性方面來(lái)看，目前太陽(yáng)能制冷不具備吸引力。

即使經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題解決了，還需要考慮占地面積問(wèn)題，因太陽(yáng)能制取100萬(wàn)kcal/h（1163kW）制冷量，太陽(yáng)能集熱器需要占地面積10000m2，即1萬(wàn)kcal制冷量需要100m2（即一般滿(mǎn)足1m2建筑面積制冷需要1m2的太陽(yáng)能集熱器占地面積），這也是限制太陽(yáng)能制冷應(yīng)用推廣的一個(gè)核心問(wèn)題。

太陽(yáng)能空調(diào)具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效益，但由于以上經(jīng)濟(jì)性和占地面積及間歇性制冷等問(wèn)題，目前僅能夠在特定的場(chǎng)合，作為科研示范項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用，只有隨著太陽(yáng)能集熱器集熱效率的顯著提高和制造成本的大幅下降，加上能源價(jià)格的大幅提高，再加上政府出臺(tái)相應(yīng)的扶持政策，太陽(yáng)能空調(diào)才可能逐步進(jìn)入市場(chǎng)。

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