太阳能如何采暖制冷

太阳能吸收式空调及供热综合系统
当前，世界各国都在加紧进行太阳能空调技术的研究。据调查，已经或正在建立太阳能空调系统的国家和地区有意大利、西班牙、德国、美国、日本、韩国、新加坡、香港等。这是由于发达国家的空调能耗在全年民用能耗中占有相当大的比重，利用太阳能驱动空调系统对节约常规能源、保护自然环境都具有十分重要的意义。
为了进一步拓宽太阳能的应用范围，使其在节能和环保中发挥更大的作用，我国在“九五”期间开展了太阳能空调技术研究，旨在通过技术攻关和系统示范，解决太阳能空调中的技术难题，从而为尽早实现太阳能空调的商业化打下技术基础。
一基本工作原理
太阳能吸收式空调系统主要由太阳集热器和吸收式制冷机两部分构成。
1吸收式制冷工作原理
吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为工质来进行的。这两种物质在同一压强下有不同的沸点，其中高沸点的组分称为吸收剂，低沸点的组分称为制冷剂。常用的吸收剂—制冷剂组合有两种：一种是溴化锂—水，通常适用于大型中央空调；另一种是水—氨，通常适用于小型空调。
吸收式制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器组成，如图1所示。
本文以溴化锂吸收式制冷机为例。在制冷机运行过程中，当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水加热后，溶液中的水不断汽化；水蒸气进入冷凝器，被冷却水降温后凝结；随着水的不断汽化，发生器内的溶液浓度不断升高，进入吸收器；当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的；在此过程中，低温水蒸气进入吸收器，被吸收器内的浓溴化锂溶液吸收，溶液浓度逐步降低，由溶液泵送回发生器，完成整个循环。
2太阳能吸收式空调工作原理
所谓太阳能吸收式制冷，就是利用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。热媒水的温度越高，则制冷机的性能系数(亦称COP)越高，这样空调系统的制冷效率也越高。例如，若热媒水温度60℃左右，则制冷机COP约040；若热媒水温度90℃左右，则制冷机COP约070；若热媒水温度120℃左右，则制冷机COP可达110以上。
常规的吸收式空调系统主要包括吸收式制冷机、空调箱(或风机盘管)、锅炉等几部分，而太阳能吸收式空调系统是在此基础上再增加太阳集热器、储水箱和自动控制系统。太阳能吸收式空调系统可以实现夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活热水等多项功能，其工作原理如图2所示。

制冷、供热功率(kW) 100
空调、采暖面积(m2) 1000
热水供应量 32
(非空调采暖季节)(吨／天)
集热器
类型 热管式真空管
采光面积(m2) 540
平均日效率(％) 35-40(空调、采暖时)
51(提供热水时)
制冷机
类型 热水型单级溴化锂
热媒水温度(℃) 88
冷媒水温度(℃) 8
性能系数(COP) 0.07


在夏季，被集热器加热的热水首先进入储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱向制冷机提供热媒水；从制冷机流出并已降温的热水流回储水箱，再由集热器加热成高温热水；制冷机产生的冷媒水通向空调箱，以达到制冷空调的目的。当太阳能不足以提供高温热媒水时，可由辅助锅炉补充热量。
在冬季，同样先将集热器加热的热水进入储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱直接向空调箱提供热水，以达到供热采暖的目的。当太阳能不能够满足要求时，也可由辅助锅炉补充热量。
在非空调采暖季节，只要将集热器加热的热水直接通向生活用储水箱中的热交换器，就可将储水箱中的冷水逐渐加热以供使用。

二空调及供热综合示范系统

为了将太阳能吸收式空调技术付诸实际应用，根据“九五”国家科技攻关计划任务，北京市太阳能研究所于1999年9月建成一套我国目前最大的太阳能吸收式空调及供热综合示范系统(见压题照片)。
1安装地点概况
太阳能空调示范系统建在山东省乳山市。乳山市位于山东半岛的东南端，北接烟台，西临青岛，南濒黄海。该地区有较好的太阳能资源，年平均日太阳辐照量为173MJ／m2。当地夏季最高气温331℃，冬季最低气温－78℃，夏季和冬季分别有制冷和采暖的要求，因此是安装太阳能空调系统的合适地点。
乳山市银滩旅游度假区利用本地区自然条件，大力发展旅游事业，正在筹建“中国新能源科普公园”。科普公园计划建造包括风能馆、太阳能馆等在内的8个馆、厅。太阳能空调系统就建在科普公园内的太阳能馆。
在这里人们不仅可以参观太阳能科普展品，增长太阳能科普知识，了解最新的太阳能技术，并且在参观和娱乐的同时可亲身感受到太阳能空调和采暖所营造的舒适环境。
2主要技术性能
新建的太阳能空调系统由热管式真空管集热器、溴化锂吸收式制冷机、储热水箱、储冷水箱、生活用储热水箱、循环泵、冷却塔、空调箱、辅助燃油锅炉和自动控制系统等部分组成。系统安装完成后，经过冬、春、夏三季运行和测试，达到表1的主要技术性能。
3系统设计特点
(1)太阳能与建筑有机结合
整个太阳能馆的总体设计既使建筑物造型美观、新颖别致，又能满足集热器安装的要求。依据这个原则，建筑物的南立面采用大斜屋顶结构，一则斜面的面积比平面大得多，可以布置更多的集热器；二则在斜面上布置集热器时无需考虑前后遮挡问题，而且造型也非常美观。斜屋顶倾角取35°，与当地纬度接近，有利于集热器充分发挥作用。
(2)热管式真空管集热器提高了制冷和采暖效率
热管式真空管集热器是北京市太阳能研究所的一项重大科技成果，具有效率高、耐冰冻、启动快、保温好、承压高、耐热冲击、运行可靠等诸多优点，是组成高性能太阳能空调系统的重要部件。热管式真空管集热器可为高效溴化锂制冷机提供88℃的热媒水，从而提高整个系统的制冷效率；这种集热器还可在北方寒冷的冬季有效地工作，为建筑物供暖。
(3)大小两个储热水箱加快了每天制冷或采暖进程
根据一天内太阳辐照度变化的固有特点，储热水箱不仅可以使系统稳定运行，还可以把太阳辐照高峰时的多余能量以热水形式储存起来。本系统与一般太阳能空调系统的不同之处在于设置了大、小两个储热水箱。小储热水箱主要用于保证系统的快速启动。测试结果表明，在夏季和冬季晴天的早晨，小储热水箱内水温就能分别达到88℃和60℃，从而满足制冷和供暖的要求。
(4)专设的储冷水箱降低了系统的热量损失
尽管储热水箱可以储存能量，但它的能力毕竟是有限的。本系统专门设计了一个储冷水箱。在白天太阳辐照充裕的情况下，可以将制冷机产生的冷媒水储存在储冷水箱内，其优点在于这种情况下的系统热量损失显然要比以热媒水形式储存在储热水箱中低得多，因为夏季环境温度与冷媒水温度之间的温差要明显小于热媒水温度与环境温度之间的温差。
(5)配套的辅助锅炉使系统可以全天候运行
所有太阳能系统的运行都不可避免地要受到气候条件的影响。为使系统可以全天候发挥空调、采暖功能，辅助的常规能源是必不可少的。该太阳能空调系统选用了辅助燃油热水锅炉，在白天太阳辐照量不足以及夜间需要继续用冷或用热时，可随即启动辅助锅炉，确保系统持续稳定地运行。
(6)系统运行及工况之间切换均能自动控制
在利用太阳能部分地替代常规能源的系统中，系统启动、能量储存以及太阳能与常规能源之间切换等功能的自动化都显得尤为重要；另外，本系统设置了几个储水箱，如何在不同的工况下自动启用不同的水箱，走不同的管路，也是系统正常运行的关键；再则，太阳能系统还应可靠地解决自动防过热和防冻结的问题。因此，我们为该太阳能空调系统设计了一套安全可靠、功能齐全的自动控制系统。

三推广应用前景

实践证明，采用热管式真空管集热器与溴化锂吸收式制冷机相结合的太阳能空调技术方案是成功的，它为太阳能热利用技术开辟了一个新的应用领域。
太阳能吸收式空调与常规空调相比，具有以下三大明显的优点：
(1)太阳能空调的季节适应性好，也就是说，系统制冷能力随着太阳辐射能的增加而增大，而这正好与夏季人们对空调的迫切要求一致；
(2)传统的压缩式制冷机以氟里昂为介质，它对大气层有极大的破坏作用，而吸收式制冷机以无毒、无害的溴化锂为介质，它对保护环境十分有利；
(3)同一套太阳能吸收式空调系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其它季节提供热水结合起来，显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性。
诚然，凡事都要一分为二。我们在强调太阳能空调优点的同时，也应看到它目前存在的局限性，因而在推广应用过程中注意解决这些问题：
(1)虽然太阳能空调开始进入实用化阶段，希望使用太阳能空调的用户不断增加，但目前已经实现商品化的产品大都是大型的溴化锂制冷机，只适用于单位的中央空调。对此，空调制冷界正在积极研究开发各种小型的溴化锂或氨—水吸收式制冷机，以便与太阳集热器配套逐步进入家庭；
(2)虽然太阳能空调可以无偿利用太阳能资源，但由于自然条件下的太阳辐照度不高，使集热器采光面积与空调建筑面积的配比受到限制，目前只适用于层数不多的建筑。对此，我们正在加紧研制可产生水蒸气的真空管集热器，以便与蒸气型吸收式制冷机结合，进一步提高集热器与空调建筑面积的配比；
(3)虽然太阳能空调可以大大减少常规能源的消耗，大幅度降低运行费用，但目前系统的初投资仍然偏高，只适用于有限的富裕用户。为此，我们正在坚持不懈地降低现有真空管集热器的成本，使越来越多的单位和家庭具有使用太阳能空调的经济承受能力。
近年来，地球表面温度逐年上升，人们对夏季空调的要求越来越强烈，安装空调已成为我国大部分地区的一股消费浪潮。我们相信，太阳能吸收式空调系统可以发挥夏季制冷、冬季采暖、全年提供热水的综合优势，必将取得显著的经济、社会和环境效益，具有广阔的推广应用前景。
参考资料：