1、1太阳能空调热水系统的浅析摘要：从可持续发展的立场出发,介绍了发展太阳能空调技术对节能与环保的意义。在回顾国内外太阳能空调热水系统发展的基础上,介绍了其原理及经济适用性，并指出了目前存在的一些问题。关键词：太阳能集热器；空调系统；吸收式制冷系统；0 引言近年来，我国城乡建筑的发展非常迅速，全国每年建成的房屋建筑面积高达1619亿平方米。建筑能耗在全球总能耗中占有很大份额，预计到2020年，我国建筑能耗将达到1089亿tce，空调高峰负荷将相当于10个三峡电站满负荷出力。空调能耗一般占建筑能耗的50，而空调的能耗最终转化为热能排入环境，进一步加剧了城市的“热岛效应” 。 13 在如此严峻的情况下
2、，可再生能源的利用将是今后的必然选择，而在可再生能源中，太阳能是取之不尽, 用之不竭的清洁能源，并且我国政府对太阳能能源的应用采取了很多优惠政策。太阳能热水器现已发展到非常成熟的水平, 它是以获取生活热水为目的的。但当夏季太阳辐射强、气温高, 太阳能热水器产生的热水量最大的时候, 而此时最需要的是空调降温而不是热水, 这使得其热利用的经济性不高。充分利用太阳能热水器的成熟技术与空调制冷技术的良好结合, 开发太阳能空调热水系统,一方面，可以减少常规能源的消耗，同事减轻采用常规能源带来的环境压力；另一方面，采用对环境友好的工质，可以减轻由于采用氟利昂等人工合成工质而引发的地球温室效应的加剧核对大气
3、臭氧层的破坏 18 。因而符合人们对空调与生活热水的需求,也使太阳能得到更充分合理的利用, 符合可持续发展的战略要求，具有广阔的发展前景。1 国内外研究与发展的现状实现太阳能空调有两条途径: 1) 太阳能光电转换, 利用电力制冷; 2) 太阳能光热转换, 以热能制冷。前一种方法成本高, 以目前太阳电池的价格来算, 在相同的制冷功率情况下, 造价约为后者的4 至5 倍。国际上太阳能空调的应2用主要是后一种方法 1 。以热能制冷也有多种方式, 其中以吸收式制冷最为普遍。国际上一般都采用溴化锂吸收式制冷机, 目前的热水型( 单级) 吸收式制冷机, 要求的热源温度在8890以上, 这对太阳集热器的要求
4、比较高。在高温下运行太阳能的利用率很低, 一天当中只有太阳辐射很强的时候才能达到温度要求, 同时太阳集热器的热效率也会降低。因此, 虽然在较高的热源温度下运行, 制冷机的COP 会高一些, 但系统总的热效率并不高。在国内, 中国科学院广州能源研究所与香港理工大学合作, 于1987 年在广东深圳建成了国内第一座太阳能空调系统。其系统制冷能力为14kW, 采用日本出产的单级溴化锂吸收式制冷机, 热源温度要求88以上。为了配合这种制冷机, 专门研制了三种高性能太阳能集热器: 真空管集热器、热管式真空管集热器和v型膜平板集热器。系统的技术路线与国外基本一样 16 。2 太阳能空调热水系统的主要构建形式
5、太阳能空调热水系统主要有集热系统和制冷系统两部分构成。目前，已经具备了一定的技术基础：（1）太阳能集热器方面，真空管集热器、平板集热器已经在市场上推广应用；（2）制冷系统方面，溴化锂吸收式制冷系统在 90 年代大量地进入了市场。低温热水型两级吸收式溴化锂制冷机的热源温度只需60以上，特别适合于太阳能利用。各种不同的太阳能集热器产生不公的集热温度，因此要选择与它们相匹配的制冷系统，以期求得最佳的制冷效果。现有的集热器和制冷方式的可能组合如表 1 所示。从当今的技术现状来看，表 1 所示的组合中，没有一种系统完全比另一种系统好，目前认为具有较好应用前景的主要是吸收式及吸附式系统。未来的进展将可从不
6、同的方面进行：集热系统将主要从降低成本提高集热效率方面进行，而吸收/吸附式制冷系统将主要从改进制冷系统的性能方面进行 9 。3表 1 太阳能集热器和制冷方式的组合（注：T 1,T2，T 3是蒸发温度，T 1：254，T 2:4-10，T 3：-10-20）3 技术原理3.1 吸收式制冷技术原理太阳能制冷系统不同于压缩式制冷系统，从理论上讲，太阳能空调的实现有 2 种形式：1）先实现光电转换，再用电力驱动压缩制冷；2）利用太阳能驱动制冷。对于前者由于发电技术的昂贵价格，实用性较差，因此，太阳能空调技术一般指热能驱动制冷技术。以热能驱动的空调技术也有多种方式，其中以吸收式制冷最为普遍，一般采用溴化
7、锂吸收式制冷机。其原理和特点如下：吸收式空调系统是利用溶液浓度的变化来获取冷量的。自蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器，被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带走，形成的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蒸发器，完成一个循环。系统简图如图 1 所示。吸收式空调系统主要采用溴化锂吸收式制冷机，虽然该方式存在易结晶、腐蚀性强、蒸发温度只能在零点以上等缺陷，但与氨系工质对相比， 它又具有制冷性能系数较大、工作压力较低，危险性较小和不需要精馏等优点，因此，本文考虑优先采用溴化锂吸收式制冷机 11 。4图 1 太阳能吸收式制冷系统简图2.2 空调
8、热水一体化技术实现原理太阳能空调系统一定要兼顾供热和空调两方面的应用，例如综合办公楼、宾馆、大学、医院、游泳馆等，都是比较理想的应用对象。这些用户冬季需要供热，如生活用热水、游泳池补热调温等，而夏季一般都需要空调。太阳能空调热水系统如图 2 所示。以平板集热器收集太阳能产生热水，分别储存在制冷及生活用热水箱中。运行中优先把太阳能输入制冷用热水箱， 其温度比生活热水要高。采用 1 台溴化锂两级吸收式制冷机，以太阳能热水作为能源输入制冷机制冷，制取的冷冻水送到用户的风机盘管，然后返回冷冻水箱。当天气不好、水温不足时， 还可用 1 台辅助电加热炉辅助加热，保证系统能全天候运行，而所需的生活热水则可直
9、接输送到用户 14 。图 2 太阳能空调热水系统示意图52.3 自动控制装置太阳能空调热水系统必须实现无人值守自动运行。由于太阳能空调受技术水平、集热面积等限制，目前暂时还不能取代常规的空调系统，因此太阳能空调必须与常规空调系统相结合。自动控制系统包括太阳能集热器的水量控制、热源温度的恒温控制、制冷机的运行控制、与常规空调运行方式匹配控制与生活热水供应控制以及辅助能源的运行控制等。自动控制系统由传感器、电动阀、网络控制模块和操作台等几部分组成。自动控制系统的基本控制步骤是：先由作为上位机的操作台发出指令到下位机的各个模块，再由各个模块发出信号到具体执行机构；决定命令的信号除了一部分由上位机直接
10、发出外，还有一部分则由各传感器直接传送给各个模块，然后再从各个模块反馈到上位机。另外，自动控制系统还要妥善解决系统的防过热和防冻结问题。夏季，在太阳很强烈而用户不需要或只需要较少制冷的特殊情况下，当储热水箱内的水温已达到某个预定高温，不宜再储存更多的热量时，为了防止系统过热，出现汽化，控制系统就会自动切换相应的阀门，让热水流经生活用热水箱中的盘管散热，以降低太阳能系统的温度。冬季，当太阳能系统管路内的水温降低到某个预定的低温时，就会面临冻结的危险，为了防止系统冻结，就要采用一种温度控制法，即在系统管路的最低温度处设置一个温度传感器，一旦此处温度低到临近预定低温的某个温度，就立刻自动开启太阳能循
11、环水泵一段时间，使储热水箱中的热水流入管路，从而有效避免管路的冻结 11 。4 太阳能空调热水系统的经济性分析太阳能热水器的经济性早已为人所熟知,以下仅就太阳能空调系统作分析。纯粹为了空调的太阳能空调系统显然是不经济的, 其主要原因是太阳能集热系统的投资占了大部分, 而空调的应用只有半年时间,系统的利用率低。但如果与热水系统相结合,由于同样的投资可以全年充分利用, 就有较好的经济效益。以江门市太阳能空调热水系统为例, 该系统除满足全年热水供应外, 还可提供 600 多平方米办公场所的空调, 100kW 两级吸收式制冷机系统部分投资 30 万元, 较同样面积常规空调投资增加一倍, 以年空调运行
12、4000h、电价 0.50元/ kWh 计, 所增投资不到两年即能回收。就用户而言, 如果需用大量的热水, 并利用夏季多余的太阳能制冷供空调, 6那么采用太阳能空调热水系统是很好的选择, 经济效益较好。5 太阳能空调热水系统存在的问题目前国内的太阳能空调热水技术还处于实验阶段, 商业化前景并不乐观。和传统的空调系统相比, 太阳能空调系统初投资过大, 系统过于复杂,具体有以下几个方面：1）集热系统效率比较差，集热面积过大，集热温度一般不超过 100，难以高效地驱动制冷系统运转，而且需要庞大的储热装置。2）制冷系统一般采用以 LiBr-H2O 为工质对的双效或双级吸收式系统，无法制取零度以下的温度
13、，而且系统比较复杂，初投资很高。3）需要辅助热源，增加了初投资，使系统过于庞大。要使太阳能空调热水系统能真正实现商业化必须从集热系统、制冷系统和辅助系统 个方面着手, 研制新的系统, 优化系统性能, 提高性价比。此外, 政府和企业也应该对太阳能空调热水系统的研究提供更多的投资。6 结论国家“十五”新能源与可再生能源发展规划中提到，太阳能热能利用应研究开发“夏季能制冷，冬季能供热，全年可供应热水的太阳能热利用系统” 。简历在太阳能热水系统基础上的太阳能空调及采用两级吸收式溴化锂制冷机的技术方案，技术上可行，经济上也是合理的。利用太阳能制冷和供热，对节约能源，保护环境都具有重要意义，具有良好的发展
14、前景。参考文献：1 李戬洪，马伟斌，江晴等 100KW 太阳能制冷空调系统 中国科学院广州能源研究所, 广州 5100702 江乐新，陈庆杰，钟杰 多功能太阳能空调制热兼制热水模式负荷平衡控制策略的研究 中南大学机电工程学院，湖南长沙 4100123 沈荣华，徐娓，梁洪涛 复合式太阳能空调热水综合系统研究 华南理工大学热工系 广州 5106414沈荣华，徐娓 复合式太阳能空调优化方案 华南理工大学化工学院，广州 5106415 季杰，裴刚，何伟等 空调热水器一体机制冷兼制热水模式的性能模拟和实验7分析 中国科学技术大学6 江乐新，胡志勇，黎恢山 空调热水一体机太阳能辅助制热水模块的设计 中南大
15、学7 孙兆虎，姜培学，邓建强 太阳能辅助空气源跨临界二氧化碳热泵热水与空调系统初探 清华大学8 李晨，郑祖义，陈焕新等 太阳能复合能源空调热水系统中热泵系统换热性能的试验研究 华中科技大学制冷与低温工程系 武汉 4300749 谢应明，顾建明 太阳能空调热水系统的现状和新构想 上海交通大学 制冷与低温工程研究所 上海 20003010 林邦初 太阳能空调热水系统研究分析 福建省节能技术服务中心 35000111 胡志新，虞耀君，欧阳卫强等 太阳能空调热水一体化技术开发研究 九江学院机械工程学院 江西九江 33200512 江乐新，胡志勇，黎恢山 太阳能空调热水一体机供暖兼制热水模式的性能研究
16、中南大学 湖南长沙 41008313 胡佳秋，黄晶 太阳能空调系统设计方案探讨 承德石油高等专科学校 承德 06700014 赵惠忠，张敏，黄晨等 太阳能冷管空调与建筑结合的试验研究 上海理工大学城市建设与环境工程学院 上海 20009315 钟承尧，王林茂，严世胜等 太阳能热水空调建筑一体化系统 海南师范大学 物理与电子工程学院 海南 海口 57115816 朱宁，何梓年，刘芳等 太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能 北京市太阳能研究所 北京 10008317 李戬洪，马伟斌，江晴 我国首座大型太阳能空调系统 中国科学院广州能源研究所 广州 51007018 谢应明，梁德青，郭开华等 小型
17、太阳能空调热水系统的构建 中国科学院 广州能源研究所 广州 51064019 刘清江，章莹，王飞羽等 小型太阳能溴化锂吸收式空调热水供暖系统研究天津商业大学机械工程学院制冷与空调工程系，天津 30013420 M Hammad ，YZufigat Performance of a second generation solar cooling unitJ Solar Energy，1998，62(2)：7984821 FLi，KSumathyExperimental studies on asolar powered air conditioning system with partition
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