淺談太陽能制冷技術及其在空調(diào)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(chǎn)生電力,以電力推動常規(guī)的壓縮式制冷機制冷;2)進行光—熱轉(zhuǎn)換,用熱作為能源制冷。前者系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)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(jié)能和環(huán)保意識的加深,開發(fā)新能源和可再生能源已經(jīng)成為許多發(fā)達國家和發(fā)展中國家 21世紀能源發(fā)展戰(zhàn)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(diào)是一個極具發(fā)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(huán)保節(jié)能的特點,決定了它良好的發(fā)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(tǒng)簡圖如圖 1所示。它的特點與系統(tǒng)使用的制冷劑有關,常用于吸收式制冷系統(tǒng)的制冷劑有水系、氨系、乙醇系、氟里昂系四大類。水系工質(zhì)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(xiàn)今大量生產(chǎn)的商用LiBr吸收式制冷機存在的易結晶、腐蝕性強、蒸發(fā)溫度只能在 0℃以上等缺陷;對氨系工質(zhì)對的研究主要是針對它的一些致命缺陷,如:制冷性能系數(shù)(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(tǒng)成本較蒸汽壓縮式制冷高,主要用于中央空調(diào)。

1.2 太陽能吸附式制冷

太陽能吸附式制冷系統(tǒng)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(zhuǎn)的場所。但與壓縮式和吸收式系統(tǒng)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(zhì),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(zhì)量為20 kg/m2～24 kg/m2,制冷系數(shù)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(zhì)量共為360 kg,制冷系數(shù)約為0.10。

1.3 太陽能噴射式制冷

太陽能噴射式制冷系統(tǒng)工作原理如圖 3所示。該系統(tǒng)的特點是結構簡單、運行穩(wěn)定、可靠性好,但COP值較低。因而出現(xiàn)了用電能輔助提高噴射器的引射壓力以提高系統(tǒng)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(zhì)輔以機械壓縮噴射制冷循環(huán)稱為太陽能增強型噴射制冷系統(tǒng)。此系統(tǒng)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(huán)和蒸汽噴射式制冷循環(huán)的優(yōu)點,具有較高的熱經(jīng)濟性,其 COP比傳統(tǒng)的噴射制冷高 50%[5]。

2 工程實例

位于天津華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)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(wèi)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(diào)利用聚焦集熱技術實現(xiàn)太陽能的光熱轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化的熱能提供給溴化鋰吸收式空調(diào)機組制冷或采暖。

3 太陽能制冷技術開發(fā)與應用的關鍵

1)由于受太陽能集熱器的影響,太陽能空調(diào)普遍存在著效率低、價格高的問題。太陽能空調(diào)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(fā)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(jīng)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(jīng)濟合理的太陽能空調(diào)系統(tǒng),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(jīng)濟合理的太陽能空調(diào)系統(tǒng)。

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?，F(xiàn)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(fā),來實現(xiàn)太陽能空調(diào)系統(tǒng)應用的隨意性和連續(xù)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(diào)的安裝不普遍,樓房的設計沒有考慮到太陽能空調(diào)。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(tǒng)的計算機設計軟件、控制芯片、技術標準、統(tǒng)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(guī)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(huán)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(xiàn)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(huán)保和節(jié)能的重要。開發(fā)新能源和可再生能源已經(jīng)成為許多發(fā)達國家和發(fā)展中國家 21世紀能源發(fā)展戰(zhàn)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(huán)保事業(yè),并將其作為我國 21世紀可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)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(diào)具有的優(yōu)點首先是節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計,國際上用于民用空調(diào)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(diào)是一個極具發(fā)展前景的領域,也是當前制冷技術研究中的熱點。其次是環(huán)保。太陽能制冷空調(diào)一般采用非氟氯烴物質(zhì)作為制冷劑,DOP(臭氧層破壞系數(shù))和GWP(溫室效應系數(shù))均為零,適合當前環(huán)保要求,同時可以減少燃燒石化能源發(fā)電帶來的環(huán)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(diào)系統(tǒng)[J].太陽能學報,1999(3):239-243.

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