叶南山,叶 放

(1.浙江工正建设监理咨询有限公司,宁波315100;2.宁波市科信工程咨询管理有限公司,宁波315103)

1 引 言

夏季是空调负荷最大的时期,同时又是太阳能辐射最丰富的时期,此时制冷负荷与太阳辐射强度具有很好的一致性。因此,研究如何将夏季太阳能与空调有机结合起来成为世界范围内的热点研究问题。目前,已经有一些研究者建立了太阳能辅助空调系统,并进行了相关实验研究,研究重点主要集中在如何提高系统热力性能和经济方面[1,2]。

2 太阳能空调制冷基本概念

利用太阳能实现供热与制冷的可能技术途径如图1所示,主要包括太阳能转换为热能,利用热能供热制冷,以及将太阳能转换为电能,利用电能驱动相关设备供热制冷两大类型。

根据需求,太阳能制冷过程也可以实现从空调到冷冻温区的不同需求。图1的左侧反映了太阳能收集与转换环节,其中太阳能集热器是将太阳辐射转变为热能的装置。目前主要有平板式、真空管式和聚焦式集热器三种类型,获得的集热温度依次升高。依据太阳能集热器集热温度的不同,可直接用于热水供应以及采暖等,还可以驱动吸收式、吸附式、除湿空调、朗肯循环、化学反应等过程获得制冷效应。也可以将太阳能制冷通过另一种光—电转换途径来实现。光—电转换制冷是指太阳能通过光伏发电转为电力,然后通过常规的蒸汽压缩制冷、半导体热电制冷或斯特林循环等方式来实现制冷。

在各种太阳能制冷转换途径当中,太阳能驱动空调能够和当前广泛应用的太阳能热水和采暖系统紧密结合,从而实现太阳能利用与季节变化的最佳匹配。即利用一套太阳能集热器做到冬季采暖、夏季空调、四季热水供应等,因而可与建筑结合在建筑能源结构中发挥重要作用,这也是实现太阳能规模化、低成本应用的理想途径之一。

图1 制冷技术途径

3 太阳能应用制冷系统

表1列出了以上不同制冷方式的一些特性。结合目前国外应用情况和我国经济、技术和市场情况来看,最有可能得到应用和推广的方式为太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能除湿冷却空调。

上述几种太阳能热能转换驱动的空调方式中,目前为止太阳能溴化铝—水吸收式空调方式示范应用最多。从空调系统讲,主要有吸收式、吸附式、除湿应用和喷射式制冷四大类。其工作原理是利用太阳能集热器产出的热能驱动制冷装置产生冷冻水或调节空气送往建筑环境内进行空调。

表1 几类热能驱动空调技术的基本特征及其比较*

3.1 太阳能吸收式制冷原理

制冷剂在蒸发器中蒸发吸热,自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器并被吸收剂吸收,吸收过程中放出的热量被冷却水带走,形成的浓溶液由泵送入发生器中被热源加热后蒸发产生高压蒸汽进入冷凝器冷却,而稀溶液减压回流到吸收器完成一个循环。与常规的蒸汽压缩制冷相比,消耗的是热能而不是电能;与常规热力驱动的吸收式制冷相比,制冷用热源为太阳能热水集热器产生的热水,而不是传统的余热热水、蒸汽及燃气或燃油燃烧器产生的热能。因此,太阳能吸收式制冷系统可以分为太阳能集热系统和常规的吸收式制冷机两个部分。

太阳能集热系统主要由太阳能集热、贮存、输配等子系统构成,其中用于太阳能集热的太阳能集热器为最关键的部位。根据吸收制冷机对热源温度要求的不同,太阳能集热器可以选用平板型、真空管型或聚光型太阳能集热器。

吸收式制冷常用的工质对有氨-水和水-溴化锂。氨-水工质对以氨为制冷剂,水为吸收剂,可以获得零度以下的温度,但由于存在一些致命的缺陷,如COP较溴化锂小,工作压力高、具有一定的危险性,有毒,氨和水之间沸点相差不够大、需要蒸馏等,往往应用在食品冷冻和冷藏等非建筑应用领域;水-溴化锂工质对以水为制冷剂,溴化锂为吸收剂,其系统COP值较高,对热源要求低,无毒,对环境无害,但由于以水作为制冷剂,制冷温度一般不低于7℃,在建筑空调系统中得到了广泛的应用。但常用的溴化锂吸收式制冷机一般冷量都在100kW以上,较难小型化;制冷机真空度要求较高,空气渗入不仅会造成冷量衰减,还会增加溴化锂溶液的腐蚀性;在运行中还需要注意冷却温度以防止溴化锂溶液结晶。

根据太阳能集热系统所提供热源品位的不同,吸收式制冷循环可以采用单效、双效或多效等多种方式,为进一步降低所需的热源温度,可采用单效双级等复合式循环。一般来说,不同循环方式所需的热源温度、可用集热器类型、COP等参数见表1所示。

当采用双效或多效吸收式循环时,太阳能集热器需要选用中高温真空管太阳能集热器或聚焦性真空管太阳能集热器,而聚焦型太阳能集热器造价过高,因此热源温度要求较低的单效吸收式循环仍是目前太阳能制冷发展的主流。在单效循环中,单效双级循环虽然热源温度较低,但其工艺较复杂,COP值过低,与常规平板、真空管集热器即可驱动的单效吸收式循环相比没有优势;国内外的应用也证明单效循环是目前太阳能吸收式制冷应用最成熟和广泛的一种方式。

3.2 太阳能吸附式的小型化空调

太阳能空调也存在因太阳辐射的昼夜变化而存在的运转间歇性。最简单的空调方案是利用贮存太阳能制冰机生产的冰块进行有限范围内的冷却。其缺点是不能连续制冷,同时因为蒸发温度不高,还存在系统效率较低的问题。将太阳能吸附制冷装置适当提高系统的蒸发温度,并辅以蓄能措施克服太阳能系统运转间歇性问题,就构成了太阳能空调。

一种连续稳定运转的太阳能蓄能转换空调系统,利用固体吸附制冷原理,将太阳能辐射转化为驱动吸附制冷系统运转的动力,通过吸附势能和物理显热贮存相结合克服太阳能空调系统运转存在的间歇性、制冷量输出不易调节等缺点,并可利用吸附过程中产生的吸附热为用户生产一定温度的热水。

吸附工质对为沸石-水或者活性炭-甲醇。蒸发贮液器采取增加制冷剂溶剂容积的方法实现冷量存储,存储冷量的目的是与风机盘管结构相结合对冷量输出进行调配。蒸发贮液器储存的冷量形式为物理显热。吸附势能的存储通过解吸吸附进行制冷的能力,将吸附床储备起来,在需要的时候与蒸发器连接即可吸附制冷。该储能方式与显热蓄能相比,不存在与周围环境的温差,且易于调节。亦即可以通过太阳能对吸附床加热解吸,实现太阳辐射向吸附剂吸附势能的转变,吸附势能存储。另一大特点是可以长期贮存,而且在吸附势能释放时即能制冷,又能对外界提供吸附热供热。采用活性炭-甲醇工质对时,吸附制冷能力蓄存量 (单位容积)随蒸发温度和冷凝温度的情况而变化。

系统运行可靠、维护方便。以开发20m2居室太阳能小型化空调为例,若每天空调制冷8h,每平方米房间空调制冷负荷为100W,则每天需要57600 kJ制冷量。若系统COP在0.2～0.3之间,日辐照度为1000W,则采用5～8平方米的吸附集热器面积可满足制冷负荷要求,需要吸附剂300～500kg,制冷剂75～120kg,还需蒸发贮液器 (约100～150L)一台,以及风机盘管、真空阀门、冷凝器、温度流量控制器等。

3.3 太阳能除湿冷却空调原理

太阳能除湿冷却空调原理的过程实际是直流式蒸发冷却空调过程,不借助专门的制冷机工作。它利用吸湿剂 (例如氯化锂、硅胶等)对空气进行减湿,然后通过水作为制冷剂,在空气中蒸发降温,对房间进行温度和湿度的调节,用过的吸湿剂被加热进行再生。其原理是室外空气通过除湿转轮后湿度降低,温度升高,通过热交换器后被空调排风冷却,然后进入蒸发加湿器进行蒸发后降温变成低温饱和空气进入房间,在房间内被房间热负荷加热后温度升高变成不饱和空气,房间不饱和排风通过第二级的蒸发冷却后温度降低,通过热交换器对除湿后的房间送风进行冷却后温度升高,然后进入太阳能空气集热器进一步升温,太阳能空气集热器的出风对除湿转轮中的吸湿剂再生后排入室外大气。

以上过程中,吸湿剂采用的是固体吸湿剂,太阳能集热器采用的是太阳能空气集热器,吸湿剂还可以采用液体吸湿剂,如氯化锂、氯化钙和溴化锂的水溶液等,集热器也可以采用液体集热器,然后再通过热交换器来加热再生用的热风。

3.4 太阳能蒸汽喷射式制冷

太阳能蒸汽喷射制冷的基本原理是通过太阳能集热器加热使低沸点工质变为高压蒸汽,通过喷射管时因流出速度高、压力低,在吸入室周围吸引蒸发器内生成的低压蒸汽进入混合室,同时制冷剂在蒸发器中汽化而达到制冷效果。

4 太阳能综合利用和节能效益分析

单纯的太阳能制冷空调系统要用较多的集热器面积,往往初投资较大,改善系统经济性的途径就是提高太阳能集热器的利用率。如一科技园太阳能空调供热负荷能量利用的示范工程,具体如下[3]:

(1)设计负荷

节能示范楼冬季采暖热负荷为304kW,夏季空调冷负荷为486kW;南区冬季采暖热负荷为298kW,夏季空调冷负荷为140kW;北区冬季采暖热负荷为110kW,夏季空调冷负荷为55kW。

(2)系统形式

通过地源热泵和太阳能的复合系统,提供采暖空调系统的冷热源。

夏季制冷时,通过地源热泵系统实现空调制冷,部分建筑采用太阳能-吸收式溴化锂制冷系统与地源热泵系统交替运行。在此运行模式下,夏季地源热泵机组的COP在5.0以上。

冬季供热时,经太阳能集热器加热后加热的温度若高于设计供水温度,则直接供热;若热水温度低于设计供水温度,但高于设计回水温度,则太阳能系统与地源热泵系统串联运行;若热水温度低于设计回水温度,则太阳能热水加热地源热泵系统地埋管侧,以提高地源热泵机组的效率。在此运行模式下,冬季地源热泵机组的COP在4.0以上。

5 结束语

太阳能建筑应用于采暖、制冷示范工程在全国范围内开始实施;太阳能光伏发电建筑应用也得到了初步开展。可以预计,从现在到本世纪中叶,太阳能建筑应用将会得到快速的发展。

然而,我国太阳能建筑应用产业虽已形成一定规模,但要满足大规模推广应用,仍需加强能力建设,提高技术水平,完善产业体系。同时,还要改善太阳能建筑应用技术的应用环境,建立健全管理体制和制度,营造长期稳定、快速增长的太阳能建筑应用市场,并以此带动太阳能建筑应用技术和产业的发展和进步。

[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]徐伟,郑瑞澄,路宾.中国太阳能建筑应用发表研究报告.北京:中国建筑工业出版社,2009,8:232-240[4]王如竹.吸附式制冷[M].北京:机械工业出版社,2002,7