太陽輻射換熱空調(diào)制冷技術探討

葉南山,葉 放

(1.浙江工正建設監(jiān)理咨詢有限公司,寧波315100;2.寧波市科信工程咨詢管理有限公司,寧波315103)

1 引 言

夏季是空調(diào)負荷最大的時期,同時又是太陽能輻射最豐富的時期,此時制冷負荷與太陽輻射強度具有很好的一致性。因此,研究如何將夏季太陽能與空調(diào)有機結合起來成為世界范圍內(nèi)的熱點研究問題。目前,已經(jīng)有一些研究者建立了太陽能輔助空調(diào)系統(tǒng),并進行了相關實驗研究,研究重點主要集中在如何提高系統(tǒng)熱力性能和經(jīng)濟方面[1,2]。

2 太陽能空調(diào)制冷基本概念

利用太陽能實現(xiàn)供熱與制冷的可能技術途徑如圖1所示,主要包括太陽能轉(zhuǎn)換為熱能,利用熱能供熱制冷,以及將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,利用電能驅(qū)動相關設備供熱制冷兩大類型。

根據(jù)需求,太陽能制冷過程也可以實現(xiàn)從空調(diào)到冷凍溫區(qū)的不同需求。圖1的左側反映了太陽能收集與轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),其中太陽能集熱器是將太陽輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿难b置。目前主要有平板式、真空管式和聚焦式集熱器三種類型,獲得的集熱溫度依次升高。依據(jù)太陽能集熱器集熱溫度的不同,可直接用于熱水供應以及采暖等,還可以驅(qū)動吸收式、吸附式、除濕空調(diào)、朗肯循環(huán)、化學反應等過程獲得制冷效應。也可以將太陽能制冷通過另一種光—電轉(zhuǎn)換途徑來實現(xiàn)。光—電轉(zhuǎn)換制冷是指太陽能通過光伏發(fā)電轉(zhuǎn)為電力,然后通過常規(guī)的蒸汽壓縮制冷、半導體熱電制冷或斯特林循環(huán)等方式來實現(xiàn)制冷。

在各種太陽能制冷轉(zhuǎn)換途徑當中,太陽能驅(qū)動空調(diào)能夠和當前廣泛應用的太陽能熱水和采暖系統(tǒng)緊密結合,從而實現(xiàn)太陽能利用與季節(jié)變化的最佳匹配。即利用一套太陽能集熱器做到冬季采暖、夏季空調(diào)、四季熱水供應等,因而可與建筑結合在建筑能源結構中發(fā)揮重要作用,這也是實現(xiàn)太陽能規(guī)模化、低成本應用的理想途徑之一。

圖1 制冷技術途徑

3 太陽能應用制冷系統(tǒng)

表1列出了以上不同制冷方式的一些特性。結合目前國外應用情況和我國經(jīng)濟、技術和市場情況來看,最有可能得到應用和推廣的方式為太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷和太陽能除濕冷卻空調(diào)。

上述幾種太陽能熱能轉(zhuǎn)換驅(qū)動的空調(diào)方式中,目前為止太陽能溴化鋁—水吸收式空調(diào)方式示范應用最多。從空調(diào)系統(tǒng)講,主要有吸收式、吸附式、除濕應用和噴射式制冷四大類。其工作原理是利用太陽能集熱器產(chǎn)出的熱能驅(qū)動制冷裝置產(chǎn)生冷凍水或調(diào)節(jié)空氣送往建筑環(huán)境內(nèi)進行空調(diào)。

表1 幾類熱能驅(qū)動空調(diào)技術的基本特征及其比較*

3.1 太陽能吸收式制冷原理

制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱,自蒸發(fā)器出來的低壓蒸汽進入吸收器并被吸收劑吸收,吸收過程中放出的熱量被冷卻水帶走,形成的濃溶液由泵送入發(fā)生器中被熱源加熱后蒸發(fā)產(chǎn)生高壓蒸汽進入冷凝器冷卻,而稀溶液減壓回流到吸收器完成一個循環(huán)。與常規(guī)的蒸汽壓縮制冷相比,消耗的是熱能而不是電能;與常規(guī)熱力驅(qū)動的吸收式制冷相比,制冷用熱源為太陽能熱水集熱器產(chǎn)生的熱水,而不是傳統(tǒng)的余熱熱水、蒸汽及燃氣或燃油燃燒器產(chǎn)生的熱能。因此,太陽能吸收式制冷系統(tǒng)可以分為太陽能集熱系統(tǒng)和常規(guī)的吸收式制冷機兩個部分。

太陽能集熱系統(tǒng)主要由太陽能集熱、貯存、輸配等子系統(tǒng)構成,其中用于太陽能集熱的太陽能集熱器為最關鍵的部位。根據(jù)吸收制冷機對熱源溫度要求的不同,太陽能集熱器可以選用平板型、真空管型或聚光型太陽能集熱器。

吸收式制冷常用的工質(zhì)對有氨-水和水-溴化鋰。氨-水工質(zhì)對以氨為制冷劑,水為吸收劑,可以獲得零度以下的溫度,但由于存在一些致命的缺陷,如COP較溴化鋰小,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、需要蒸餾等,往往應用在食品冷凍和冷藏等非建筑應用領域;水-溴化鋰工質(zhì)對以水為制冷劑,溴化鋰為吸收劑,其系統(tǒng)COP值較高,對熱源要求低,無毒,對環(huán)境無害,但由于以水作為制冷劑,制冷溫度一般不低于7℃,在建筑空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。但常用的溴化鋰吸收式制冷機一般冷量都在100kW以上,較難小型化;制冷機真空度要求較高,空氣滲入不僅會造成冷量衰減,還會增加溴化鋰溶液的腐蝕性;在運行中還需要注意冷卻溫度以防止溴化鋰溶液結晶。

根據(jù)太陽能集熱系統(tǒng)所提供熱源品位的不同,吸收式制冷循環(huán)可以采用單效、雙效或多效等多種方式,為進一步降低所需的熱源溫度,可采用單效雙級等復合式循環(huán)。一般來說,不同循環(huán)方式所需的熱源溫度、可用集熱器類型、COP等參數(shù)見表1所示。

當采用雙效或多效吸收式循環(huán)時,太陽能集熱器需要選用中高溫真空管太陽能集熱器或聚焦性真空管太陽能集熱器,而聚焦型太陽能集熱器造價過高,因此熱源溫度要求較低的單效吸收式循環(huán)仍是目前太陽能制冷發(fā)展的主流。在單效循環(huán)中,單效雙級循環(huán)雖然熱源溫度較低,但其工藝較復雜,COP值過低,與常規(guī)平板、真空管集熱器即可驅(qū)動的單效吸收式循環(huán)相比沒有優(yōu)勢;國內(nèi)外的應用也證明單效循環(huán)是目前太陽能吸收式制冷應用最成熟和廣泛的一種方式。

3.2 太陽能吸附式的小型化空調(diào)

太陽能空調(diào)也存在因太陽輻射的晝夜變化而存在的運轉(zhuǎn)間歇性。最簡單的空調(diào)方案是利用貯存太陽能制冰機生產(chǎn)的冰塊進行有限范圍內(nèi)的冷卻。其缺點是不能連續(xù)制冷,同時因為蒸發(fā)溫度不高,還存在系統(tǒng)效率較低的問題。將太陽能吸附制冷裝置適當提高系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度,并輔以蓄能措施克服太陽能系統(tǒng)運轉(zhuǎn)間歇性問題,就構成了太陽能空調(diào)。

一種連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的太陽能蓄能轉(zhuǎn)換空調(diào)系統(tǒng),利用固體吸附制冷原理,將太陽能輻射轉(zhuǎn)化為驅(qū)動吸附制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的動力,通過吸附勢能和物理顯熱貯存相結合克服太陽能空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)存在的間歇性、制冷量輸出不易調(diào)節(jié)等缺點,并可利用吸附過程中產(chǎn)生的吸附熱為用戶生產(chǎn)一定溫度的熱水。

吸附工質(zhì)對為沸石-水或者活性炭-甲醇。蒸發(fā)貯液器采取增加制冷劑溶劑容積的方法實現(xiàn)冷量存儲,存儲冷量的目的是與風機盤管結構相結合對冷量輸出進行調(diào)配。蒸發(fā)貯液器儲存的冷量形式為物理顯熱。吸附勢能的存儲通過解吸吸附進行制冷的能力,將吸附床儲備起來,在需要的時候與蒸發(fā)器連接即可吸附制冷。該儲能方式與顯熱蓄能相比,不存在與周圍環(huán)境的溫差,且易于調(diào)節(jié)。亦即可以通過太陽能對吸附床加熱解吸,實現(xiàn)太陽輻射向吸附劑吸附勢能的轉(zhuǎn)變,吸附勢能存儲。另一大特點是可以長期貯存,而且在吸附勢能釋放時即能制冷,又能對外界提供吸附熱供熱。采用活性炭-甲醇工質(zhì)對時,吸附制冷能力蓄存量 (單位容積)隨蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的情況而變化。

系統(tǒng)運行可靠、維護方便。以開發(fā)20m2居室太陽能小型化空調(diào)為例,若每天空調(diào)制冷8h,每平方米房間空調(diào)制冷負荷為100W,則每天需要57600 kJ制冷量。若系統(tǒng)COP在0.2～0.3之間,日輻照度為1000W,則采用5～8平方米的吸附集熱器面積可滿足制冷負荷要求,需要吸附劑300～500kg,制冷劑75～120kg,還需蒸發(fā)貯液器 (約100～150L)一臺,以及風機盤管、真空閥門、冷凝器、溫度流量控制器等。

3.3 太陽能除濕冷卻空調(diào)原理

太陽能除濕冷卻空調(diào)原理的過程實際是直流式蒸發(fā)冷卻空調(diào)過程,不借助專門的制冷機工作。它利用吸濕劑 (例如氯化鋰、硅膠等)對空氣進行減濕,然后通過水作為制冷劑,在空氣中蒸發(fā)降溫,對房間進行溫度和濕度的調(diào)節(jié),用過的吸濕劑被加熱進行再生。其原理是室外空氣通過除濕轉(zhuǎn)輪后濕度降低,溫度升高,通過熱交換器后被空調(diào)排風冷卻,然后進入蒸發(fā)加濕器進行蒸發(fā)后降溫變成低溫飽和空氣進入房間,在房間內(nèi)被房間熱負荷加熱后溫度升高變成不飽和空氣,房間不飽和排風通過第二級的蒸發(fā)冷卻后溫度降低,通過熱交換器對除濕后的房間送風進行冷卻后溫度升高,然后進入太陽能空氣集熱器進一步升溫,太陽能空氣集熱器的出風對除濕轉(zhuǎn)輪中的吸濕劑再生后排入室外大氣。

以上過程中,吸濕劑采用的是固體吸濕劑,太陽能集熱器采用的是太陽能空氣集熱器,吸濕劑還可以采用液體吸濕劑,如氯化鋰、氯化鈣和溴化鋰的水溶液等,集熱器也可以采用液體集熱器,然后再通過熱交換器來加熱再生用的熱風。

3.4 太陽能蒸汽噴射式制冷

太陽能蒸汽噴射制冷的基本原理是通過太陽能集熱器加熱使低沸點工質(zhì)變?yōu)楦邏赫羝?通過噴射管時因流出速度高、壓力低,在吸入室周圍吸引蒸發(fā)器內(nèi)生成的低壓蒸汽進入混合室,同時制冷劑在蒸發(fā)器中汽化而達到制冷效果。

4 太陽能綜合利用和節(jié)能效益分析

單純的太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)要用較多的集熱器面積,往往初投資較大,改善系統(tǒng)經(jīng)濟性的途徑就是提高太陽能集熱器的利用率。如一科技園太陽能空調(diào)供熱負荷能量利用的示范工程,具體如下[3]:

(1)設計負荷

節(jié)能示范樓冬季采暖熱負荷為304kW,夏季空調(diào)冷負荷為486kW;南區(qū)冬季采暖熱負荷為298kW,夏季空調(diào)冷負荷為140kW;北區(qū)冬季采暖熱負荷為110kW,夏季空調(diào)冷負荷為55kW。

(2)系統(tǒng)形式

通過地源熱泵和太陽能的復合系統(tǒng),提供采暖空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。

夏季制冷時,通過地源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)空調(diào)制冷,部分建筑采用太陽能-吸收式溴化鋰制冷系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)交替運行。在此運行模式下,夏季地源熱泵機組的COP在5.0以上。

冬季供熱時,經(jīng)太陽能集熱器加熱后加熱的溫度若高于設計供水溫度,則直接供熱;若熱水溫度低于設計供水溫度,但高于設計回水溫度,則太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)串聯(lián)運行;若熱水溫度低于設計回水溫度,則太陽能熱水加熱地源熱泵系統(tǒng)地埋管側,以提高地源熱泵機組的效率。在此運行模式下,冬季地源熱泵機組的COP在4.0以上。

5 結束語

太陽能建筑應用于采暖、制冷示范工程在全國范圍內(nèi)開始實施;太陽能光伏發(fā)電建筑應用也得到了初步開展。可以預計,從現(xiàn)在到本世紀中葉,太陽能建筑應用將會得到快速的發(fā)展。

然而,我國太陽能建筑應用產(chǎn)業(yè)雖已形成一定規(guī)模,但要滿足大規(guī)模推廣應用,仍需加強能力建設,提高技術水平,完善產(chǎn)業(yè)體系。同時,還要改善太陽能建筑應用技術的應用環(huán)境,建立健全管理體制和制度,營造長期穩(wěn)定、快速增長的太陽能建筑應用市場,并以此帶動太陽能建筑應用技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步。

[1]CasalsX G..Solar absorption cooling in spain:erspectives and outcomes from the simulation of recent installation[J].Renewable Energy,2006,31:1371-1389

[2]Nguyen VM,RiatS B,Doherty P S.Development of a solarpowered passive ejector cooling system[J].Applied Thermal Engineering,2001,21:157-168

[3]徐偉,鄭瑞澄,路賓.中國太陽能建筑應用發(fā)表研究報告.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009,8:232-240[4]王如竹.吸附式制冷[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002,7