葉南山,葉 放

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1 引 言

夏季是空調(diào)負(fù)荷最大的時(shí)期,同時(shí)又是太陽(yáng)能輻射最豐富的時(shí)期,此時(shí)制冷負(fù)荷與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度具有很好的一致性。因此,研究如何將夏季太陽(yáng)能與空調(diào)有機(jī)結(jié)合起來(lái)成為世界范圍內(nèi)的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。目前,已經(jīng)有一些研究者建立了太陽(yáng)能輔助空調(diào)系統(tǒng),并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,研究重點(diǎn)主要集中在如何提高系統(tǒng)熱力性能和經(jīng)濟(jì)方面[1,2]。

2 太陽(yáng)能空調(diào)制冷基本概念

利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)供熱與制冷的可能技術(shù)途徑如圖1所示,主要包括太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能,利用熱能供熱制冷,以及將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,利用電能驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備供熱制冷兩大類型。

根據(jù)需求,太陽(yáng)能制冷過(guò)程也可以實(shí)現(xiàn)從空調(diào)到冷凍溫區(qū)的不同需求。圖1的左側(cè)反映了太陽(yáng)能收集與轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),其中太陽(yáng)能集熱器是將太陽(yáng)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(yáng)能集熱器集熱溫度的不同,可直接用于熱水供應(yīng)以及采暖等,還可以驅(qū)動(dòng)吸收式、吸附式、除濕空調(diào)、朗肯循環(huán)、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程獲得制冷效應(yīng)。也可以將太陽(yáng)能制冷通過(guò)另一種光—電轉(zhuǎn)換途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。光—電轉(zhuǎn)換制冷是指太陽(yáng)能通過(guò)光伏發(fā)電轉(zhuǎn)為電力,然后通過(guò)常規(guī)的蒸汽壓縮制冷、半導(dǎo)體熱電制冷或斯特林循環(huán)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。

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

圖1 制冷技術(shù)途徑

3 太陽(yáng)能應(yīng)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(jié)合目前國(guó)外應(yīng)用情況和我國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和市場(chǎng)情況來(lái)看,最有可能得到應(yīng)用和推廣的方式為太陽(yáng)能吸收式制冷、太陽(yáng)能吸附式制冷和太陽(yáng)能除濕冷卻空調(diào)。

上述幾種太陽(yáng)能熱能轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的空調(diào)方式中,目前為止太陽(yáng)能溴化鋁—水吸收式空調(diào)方式示范應(yīng)用最多。從空調(diào)系統(tǒng)講,主要有吸收式、吸附式、除濕應(yīng)用和噴射式制冷四大類。其工作原理是利用太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)出的熱能驅(qū)動(dòng)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(jìn)行空調(diào)。

表1 幾類熱能驅(qū)動(dòng)空調(diào)技術(shù)的基本特征及其比較*

3.1 太陽(yáng)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(lái)的低壓蒸汽進(jìn)入吸收器并被吸收劑吸收,吸收過(guò)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(jìn)入冷凝器冷卻,而稀溶液減壓回流到吸收器完成一個(gè)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(dòng)的吸收式制冷相比,制冷用熱源為太陽(yáng)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?xì)饣蛉加腿紵鳟a(chǎn)生的熱能。因此,太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)可以分為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和常規(guī)的吸收式制冷機(jī)兩個(gè)部分。

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

吸收式制冷常用的工質(zhì)對(duì)有氨-水和水-溴化鋰。氨-水工質(zhì)對(duì)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(xiǎn)性,有毒,氨和水之間沸點(diǎn)相差不夠大、需要蒸餾等,往往應(yīng)用在食品冷凍和冷藏等非建筑應(yīng)用領(lǐng)域;水-溴化鋰工質(zhì)對(duì)以水為制冷劑,溴化鋰為吸收劑,其系統(tǒng)COP值較高,對(duì)熱源要求低,無(wú)毒,對(duì)環(huán)境無(wú)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(yīng)用。但常用的溴化鋰吸收式制冷機(jī)一般冷量都在100kW以上,較難小型化;制冷機(jī)真空度要求較高,空氣滲入不僅會(huì)造成冷量衰減,還會(huì)增加溴化鋰溶液的腐蝕性;在運(yùn)行中還需要注意冷卻溫度以防止溴化鋰溶液結(jié)晶。

根據(jù)太陽(yáng)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(jìn)一步降低所需的熱源溫度,可采用單效雙級(jí)等復(fù)合式循環(huán)。一般來(lái)說(shuō),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(jiàn)表1所示。

當(dāng)采用雙效或多效吸收式循環(huán)時(shí),太陽(yáng)能集熱器需要選用中高溫真空管太陽(yáng)能集熱器或聚焦性真空管太陽(yáng)能集熱器,而聚焦型太陽(yáng)能集熱器造價(jià)過(guò)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(yáng)能制冷發(fā)展的主流。在單效循環(huán)中,單效雙級(jí)循環(huán)雖然熱源溫度較低,但其工藝較復(fù)雜,COP值過(guò)低,與常規(guī)平板、真空管集熱器即可驅(qū)動(dòng)的單效吸收式循環(huán)相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì);國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用也證明單效循環(huán)是目前太陽(yáng)能吸收式制冷應(yīng)用最成熟和廣泛的一種方式。

3.2 太陽(yáng)能吸附式的小型化空調(diào)

太陽(yáng)能空調(diào)也存在因太陽(yáng)輻射的晝夜變化而存在的運(yùn)轉(zhuǎn)間歇性。最簡(jiǎn)單的空調(diào)方案是利用貯存太陽(yáng)能制冰機(jī)生產(chǎn)的冰塊進(jìn)行有限范圍內(nèi)的冷卻。其缺點(diǎn)是不能連續(xù)制冷,同時(shí)因?yàn)檎舭l(fā)溫度不高,還存在系統(tǒng)效率較低的問(wèn)題。將太陽(yáng)能吸附制冷裝置適當(dāng)提高系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度,并輔以蓄能措施克服太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)間歇性問(wèn)題,就構(gòu)成了太陽(yáng)能空調(diào)。

一種連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的太陽(yáng)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(yáng)能輻射轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)吸附制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力,通過(guò)吸附勢(shì)能和物理顯熱貯存相結(jié)合克服太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)存在的間歇性、制冷量輸出不易調(diào)節(jié)等缺點(diǎn),并可利用吸附過(guò)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(duì)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(shí)現(xiàn)冷量存儲(chǔ),存儲(chǔ)冷量的目的是與風(fēng)機(jī)盤管結(jié)構(gòu)相結(jié)合對(duì)冷量輸出進(jìn)行調(diào)配。蒸發(fā)貯液器儲(chǔ)存的冷量形式為物理顯熱。吸附勢(shì)能的存儲(chǔ)通過(guò)解吸吸附進(jìn)行制冷的能力,將吸附床儲(chǔ)備起來(lái),在需要的時(shí)候與蒸發(fā)器連接即可吸附制冷。該儲(chǔ)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(guò)太陽(yáng)能對(duì)吸附床加熱解吸,實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射向吸附劑吸附勢(shì)能的轉(zhuǎn)變,吸附勢(shì)能存儲(chǔ)。另一大特點(diǎn)是可以長(zhǎng)期貯存,而且在吸附勢(shì)能釋放時(shí)即能制冷,又能對(duì)外界提供吸附熱供熱。采用活性炭-甲醇工質(zhì)對(duì)時(shí),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(yùn)行可靠、維護(hù)方便。以開(kāi)發(fā)20m2居室太陽(yáng)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(fù)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(fù)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(tái),以及風(fēng)機(jī)盤管、真空閥門、冷凝器、溫度流量控制器等。

3.3 太陽(yáng)能除濕冷卻空調(diào)原理

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

以上過(guò)程中,吸濕劑采用的是固體吸濕劑,太陽(yáng)能集熱器采用的是太陽(yáng)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(guò)熱交換器來(lái)加熱再生用的熱風(fēng)。

3.4 太陽(yáng)能蒸汽噴射式制冷

太陽(yáng)能蒸汽噴射制冷的基本原理是通過(guò)太陽(yáng)能集熱器加熱使低沸點(diǎn)工質(zhì)變?yōu)楦邏赫羝?通過(guò)噴射管時(shí)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(jìn)入混合室,同時(shí)制冷劑在蒸發(fā)器中汽化而達(dá)到制冷效果。

4 太陽(yáng)能綜合利用和節(jié)能效益分析

單純的太陽(yáng)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(jì)性的途徑就是提高太陽(yáng)能集熱器的利用率。如一科技園太陽(yáng)能空調(diào)供熱負(fù)荷能量利用的示范工程,具體如下[3]:

(1)設(shè)計(jì)負(fù)荷

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

(2)系統(tǒng)形式

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

夏季制冷時(shí),通過(guò)地源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷,部分建筑采用太陽(yáng)能-吸收式溴化鋰制冷系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)交替運(yùn)行。在此運(yùn)行模式下,夏季地源熱泵機(jī)組的COP在5.0以上。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能建筑應(yīng)用于采暖、制冷示范工程在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)始實(shí)施;太陽(yáng)能光伏發(fā)電建筑應(yīng)用也得到了初步開(kāi)展?？梢灶A(yù)計(jì),從現(xiàn)在到本世紀(jì)中葉,太陽(yáng)能建筑應(yīng)用將會(huì)得到快速的發(fā)展。

然而,我國(guó)太陽(yáng)能建筑應(yīng)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(yīng)用,仍需加強(qiáng)能力建設(shè),提高技術(shù)水平,完善產(chǎn)業(yè)體系。同時(shí),還要改善太陽(yáng)能建筑應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境,建立健全管理體制和制度,營(yíng)造長(zhǎng)期穩(wěn)定、快速增長(zhǎng)的太陽(yáng)能建筑應(yīng)用市場(chǎng),并以此帶動(dòng)太陽(yáng)能建筑應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)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(guó)太陽(yáng)能建筑應(yīng)用發(fā)表研究報(bào)告.北京:中國(guó)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(jī)械工業(yè)出版社,2002,7