太陽能與空調技術

文博 尚宇

隨著全球變暖、氣候異常等諸多能源、環境危機的逐步顯現,人們越來越關注開發利用各種可再生的、清潔能源,包括風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等。其中,相比于其他形式的可再生能源,太陽能的使用受到的地域限制更少,更容易獲得,并且在過去幾十年的研究中已經取得了一定成果。因此大力推進太陽能等新型清潔能源在人們生產和生活的使用,便顯得極為重要和可行。在我國,建筑總能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖、空調等)約占全社會總能耗的32%,其中采暖、空調的能耗占社會總能耗的比例大于20%,如果能將太陽能有效地利用于暖通空調領域,則建筑能耗將會有明顯降低,有利于建筑節能,緩解我國能源供應壓力和環境污染問題。目前,太陽能在暖通空調中的應用主要有采暖、空調制冷等。

1 太陽能在制冷系統中的應用

根據不同的能量轉換方式,太陽能供冷主要有以下兩種方式:1)先實現光—電轉換,再以電力制冷;2)進行光—熱轉換,再以熱能制冷。

1.1 基于太陽能光—電轉換原理實現制冷的方式

1.1.1 太陽能半導體制冷系統

太陽能半導體制冷技術是利用光電電池產生的電能來驅動半導體制冷裝置。其工作原理是:光伏效應產生電能,再利用帕爾貼效應達到制冷效果。帕爾貼效應指的是當電流流過兩種不同導體的界面時,將從外界吸收熱量,或向外界放出熱量。這種空調技術具有使用維護簡單、無污染、儲能方便、可分散供電的特點。同時,由于是利用帕爾貼效應的制冷技術,系統中不存在泵和壓縮機等機械,也沒有復雜的管路系統,只需簡單地切換電流方向就可以使系統由制冷狀態轉為制熱狀態,在陰雨天、夜間又可利用存儲在蓄電池中的電能工作,解決了太陽能供應的間歇性和不可靠性的問題。

太陽能半導體制冷系統的缺點是制冷效率較低,COP一般約0.2～0.3,而且目前太陽能電池的轉換效率也不高,這導致了整體系統成本的提高。如何改進材料的性能,尋找更為理性的材料,成了太陽能半導體制冷的主要問題。

1.1.2 光電壓縮機式制冷

這種系統實質上仍是壓縮式制冷,其通過光伏轉換裝置將太陽能轉化成電能,經過逆變(高頻或者工頻)后驅動一般的壓縮式制冷機。光電壓縮式制冷優點是可采用技術成熟日效率高的壓縮式制冷技術,可以方便地獲取冷量,缺點也很明顯,其成本比常規制冷循環高約3倍～4倍。但隨著光伏轉換裝置效率的提高和成本的降低,光電式太陽能制冷產品將有廣闊的發展前景。

1.2 基于太陽能光—熱轉換原理實現制冷的方式

1.2.1 太陽能吸收式制冷

吸收式制冷目前最常見、最有代表性的就是溴化鋰吸收式制冷。它是利用水作為制冷劑,溴化鋰水溶液作為吸收劑,用熱直接驅動進行供冷的系統。該系統主要由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、溶液泵等構成。其工作原理為:溴化鋰水稀溶液在發生器里被加熱,放出水蒸氣后,濃溶液進入吸收器;而水蒸氣進入冷凝器被凝結成冷凝水,再經膨脹閥節流降壓后變為低壓低溫的水進入蒸發器吸收熱量蒸發,從而達到供冷的目的;蒸發的水蒸氣被吸收器內的溴化鋰濃溶液吸收后,成為稀溶液,并由溶液泵送回發生器,完成一個循環。

太陽能吸收式制冷系統的主要構成與普通吸收式制冷系統基本相同,唯一的不同就在于系統中發生器的熱源改為了太陽能集熱器送出的熱水。該類系統國內已經建成多座。“九五”計劃期間,國家科委把“太陽能空調”列為重點科技攻關項目。

1.2.2 太陽能吸附制冷

太陽能吸附式制冷系統主要是將太陽能用于吸附材料的再生、活化。該系統主要包括太陽能集熱器、吸附發生器、冷凝器和蒸發器。它利用太陽能加熱吸附發生器,使被吸附的氣態制冷劑不斷地受熱解析出來,在冷凝器中冷凝成液體,再流入蒸發器。液態制冷劑在蒸發器中不斷蒸發而實現制冷,而蒸發的氣態制冷劑在吸附發生器中又被吸附劑吸附,吸附飽和后再次被太陽能加熱而解吸,完成循環。另外,太陽能作為再生熱源也被引入到轉輪式除濕空調系統中,用于除濕材料的再生,該系統也是當前國際空調領域的研究熱點。目前,國際上已有多個太陽能轉輪除濕空調工程成功實施[5]。

1.2.3 太陽能噴射制冷及其他太陽能驅動機械制冷方式

太陽能噴射式制冷主要是利用太陽能集熱器加熱制冷劑產生一定壓力的蒸汽,然后制冷劑蒸汽通過噴嘴噴射進行制冷[4]。此外,還可使用太陽能供熱,驅動一個朗肯循環產生電能后,用于給傳統制冷設備供電,從而達到供冷的目的。關于太陽能朗肯循環的介紹可參看文獻[2][3][10]。

2 太陽能在采暖系統中的應用

2.1 直接主動太陽能采暖

這是太陽能利用早期階段的應用方式。它主要是利用太陽能集熱器與載熱介質經蓄存及設備傳送向室內供熱。此系統由太陽能集熱器、儲熱裝置、傳遞設備、控制部件與備用系統組成。集熱器吸收太陽輻射使集熱器內的載熱介質如水或空氣的溫度升高,并由水泵或風機傳送至儲熱裝置內,根據控制溫度經過熱交換器或直接送至散熱裝置向室內供熱,并有備用輔助供熱系統在陰天及太陽能供熱不足時使用。另外,太陽能集熱器還可以和地板輻射采暖結合,用集熱器內的水作為地板輻射采暖供水。

2.2 太陽能熱泵采暖

1)直膨式太陽能熱泵。該系統以太陽能集熱板為低溫熱源,充當熱泵系統的蒸發器,使制冷工質在太陽能集熱板中直接吸收太陽輻射蒸發,其主要包括太陽能蒸發集熱器,壓縮機,膨脹閥,冷凝器等部件。根據國內外對太陽能熱泵供熱水系統的研究表明,采用直膨式太陽能熱泵系統,供熱效率COP可達2.6以上,最高的已經達到6.6[12],相比常規空氣源熱泵系統,年能效比可提高27.7%[11]。2)間接式太陽能熱泵。間接式系統是指太陽能集熱器與熱泵蒸發器分開,各自為獨立的換熱器。在太陽能集熱板一側的工質吸收太陽能升溫,作為蒸發器內熱泵循環工質的熱源。該系統的優點在于在太陽能輻射充足時可直接利用太陽能集熱器循環進行采暖或供熱水,而無需啟動熱泵。另外,通過設計變化,可使得整個系統變為冷熱雙用系統,冬季氣溫低,通過太陽能輔助供熱,提高熱泵的供熱效率。夏季,則讓兩套系統獨立工作,熱泵系統供冷,太陽能集熱器系統供熱水,從而有效提高系統全年的運行效率。

間接式系統相比直膨式系統的缺點在于系統復雜,初投資較高。

3 結語

我國是太陽能資源十分豐富的國家,2/3的地區年輻射總量大于5 000 MJ/m2。在建筑空調領域充分利用這種清潔、可再生能源一方面可極大地減少空調系統對不可再生能源及電力資源的消耗,另一方面由于減少了對傳統能源的消耗,也將減少與之相關的各種環境污染問題。目前,關于太陽能制冷與熱泵技術的研究和應用還處于發展中。許多相關理論和技術、產品尚處于研究、實驗和示范運行的階段,還未達到可以推廣應用的地步。這里一個重要原因在于目前的太陽能集熱和光電技術對太陽能的利用效率不高,從而導致整套系統的規模較大,投資成本較高。但是,相信隨著科學技術的不斷發展,新材料和新技術的不斷開發應用,太陽能空調在我國乃至全球必將有廣闊的發展前景。

[1] 王如竹,代彥軍.太陽能制冷[M].北京:化學工業出版社,2007.

[2] H.Yamaguchi,X.R.Zhang.Solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2[J].Applied Thermal Engineering,2006(26):2345-2354.

[3] 王輝濤,王 華.低溫太陽能熱力發電有機朗肯循環工質的選擇[J].動力工程,2009,29(3):287-291.

[4] Clemens Pollerberg,Ahmed Hamza H.Ali.Solar driven steam jet ejector chiller[J].Applied Thermal Engineering,2009(29):1245-1252.

[5] 代彥軍,臘 棟.轉輪式除濕空調研究與應用最新進展[J].制冷學報,2009,30(4):1-8.

[6] J.M.Abdulateef,K.Sopian.Review on solar-driven ejector refrigeration technologies[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009(13):1338-1349.

[7] X.Q.Zhai,R.Z.Wang.A review for absorbtion and adsorbtion solar cooling systems in China[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009(13):1523-1531.

[8] 馮 壘,朱敦智.北苑太陽能空調系統及實驗研究[J].暖通空調,2010,40(4):84-87.

[9] 劉 鵬,關 欣.太陽能熱泵技術在國內的研究與發展[J].化工進展,2009(28):328-333.

[10] 趙 力,王曉東.非共沸工質用于太陽能低溫朗肯循環的理論研究[J].太陽能學報,2009,30(6):738-743.

[11] G.L.Morrison,T.Anderson,M.Behnia.Seasonal performance rating of heat pump water heaters[J].Solar Energy,2004(76):147-152.

[12] 李郁武,王如竹.直膨式太陽能熱泵熱水器運行特性的試驗研究[J].工程熱物理學報,2006,27(6):923-925.