【發(fā)展戰(zhàn)略】我國(guó)太陽能制冷空調(diào)研究與發(fā)展

1、我國(guó)太陽能制冷空調(diào)研究與發(fā)展摘要：近年，太陽能利用技術(shù)迅速發(fā)展，太陽能制冷技術(shù)也隨之出現(xiàn)。太陽能制冷系統(tǒng)不僅可以利用太陽能轉(zhuǎn)換成的熱能提供熱水和采暖， 而且還可以利用這部分熱能提供制冷。 太 陽能制冷極具優(yōu)勢(shì)： 夏季太陽輻射越強(qiáng)、 天氣越熱，建筑負(fù)荷越大，太陽能制冷系統(tǒng)的制冷 效果越好，同時(shí)還節(jié)省了對(duì)常規(guī)能源的消耗，符合節(jié)能和環(huán)保的要求。關(guān)鍵字： 太陽能 制冷技術(shù) 空調(diào)正文目前太陽能光 - 熱轉(zhuǎn)換利用已經(jīng)有了很大的發(fā)展， 特別是在解決生活的需要方面， 如生 活熱水、采暖、 太陽房等。 但這些應(yīng)用在需求上其實(shí)與大自然的賜予并不完全一致： 當(dāng)天氣 越冷、 人們?cè)叫枰獪嘏臅r(shí)候， 太陽能量的提供往往

2、不足。 而太陽能空調(diào)的應(yīng)用則正好與太 陽能的供給大體上保持很好的一致性： 當(dāng)天氣越熱、 太陽輻射越強(qiáng)的時(shí)候， 空調(diào)的負(fù)荷也越 大。這正是太陽能空調(diào)應(yīng)用最有利的因素。我國(guó)太陽能資源十分豐富， 其中三分之二以上的地區(qū)利用太陽能的條件都相當(dāng)好。 隨著 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高， 空調(diào)的需求量越來越大。 一般民用建筑物，如酒店、辦 公樓、醫(yī)院等，空調(diào)耗能已占總耗能的50以上，給能源、電力和環(huán)境造成了很大的壓力。電力的發(fā)展伴隨著廢氣排放、溫室效應(yīng)和酸雨等環(huán)境問題，而空調(diào)機(jī)的制冷劑（CFC8還會(huì)對(duì)大氣臭氧層造成破壞。 因此不管在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)， 太陽能制冷空調(diào)一直是受到重視的研究 課題。在我國(guó)，對(duì)太陽

3、能空調(diào)的研究始于 1975 年在安陽召開全國(guó)第一次太陽能利用工作經(jīng)驗(yàn) 交流會(huì)議以后的七十年代后期。 1974 年中東石油危機(jī)發(fā)生以后，不少科研機(jī)構(gòu)、高等院校 和企業(yè)單位紛紛投入一定的人力和物力研制太陽能制冷（空調(diào)） 機(jī)，其中多數(shù)是小型的氨一水吸收式制冷試驗(yàn)樣機(jī)。 由于當(dāng)時(shí)還有許多技術(shù)難題沒有來得及解決， 再加上科研撥款制度 改革，太陽能空調(diào)項(xiàng)目的研究經(jīng)費(fèi)因一時(shí)難以形成效益而被削減，研究工作的隊(duì)伍和規(guī)模就并且在推廣應(yīng)用方大大縮小， 僅存少數(shù)單位仍堅(jiān)持基礎(chǔ)性研究和樣機(jī)試制， 經(jīng)歷了一段非常困難的時(shí)期。 盡管 如此， 20 年來，經(jīng)過廣大科技工作者的不懈努力，我國(guó)在這一領(lǐng)域還是進(jìn)行了不少研究工 作，

4、探索過各種各樣利用太陽能降溫的途徑， 在技術(shù)上取得一定的進(jìn)展， 面取得了重要成果。 下面將對(duì)對(duì)國(guó)內(nèi)有關(guān)太陽能制冷空調(diào)研究與應(yīng)用的發(fā)展情況作簡(jiǎn)單介紹 和報(bào)道。一太陽能吸收式制冷1） 溴化鋰 - 水吸收式制冷機(jī)太陽能驅(qū)動(dòng)的溴化鋰 -水吸收式制冷系統(tǒng)，最核心的部分是溴化鋰 -水吸收式制冷機(jī)。根 據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要， 選擇合適的制冷機(jī)， 然后根據(jù)制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源選擇與之相匹配的太陽能集熱器。 另一方面， 太陽能集熱器的技術(shù)對(duì)于太陽能吸收式制冷的發(fā)展也有限制。目前平板集熱器在超過90度的高溫下效率過低， 真空管集熱器與 CPC等聚焦集熱器，在國(guó)際上普遍 成本較高， 因此太陽能驅(qū)動(dòng)的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)， 是

5、目前比較成熟的且應(yīng)用廣泛的制冷 系統(tǒng)。在我國(guó)，進(jìn)入 90年代后，溴化鋰吸收式制冷機(jī)在國(guó)內(nèi)已成為成熟的產(chǎn)品，而且形成了 一個(gè)頗具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。 目前全國(guó)有近百家生產(chǎn)溴化鋰制冷機(jī)的工廠， 其中熱水型的溴化鋰吸 收式制冷機(jī)產(chǎn)品全都是一種單級(jí)吸收式制冷機(jī)。 該產(chǎn)品也可以應(yīng)用于太陽能系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)太陽 能空調(diào)。由于這種制冷機(jī)要求熱源熱水溫度在 88C以上，普通的太陽能熱水器不能滿足要 求，需要配合真空管型集熱器或高效平板型中溫集熱器。 迄今為止， 國(guó)外的太陽能空調(diào)系統(tǒng) 通常都采用這種熱水型單級(jí)吸收式澳化銀制冷機(jī)。 該類制冷機(jī)在熱源溫度足夠高及冷卻水溫 度比較低的場(chǎng)合，性能良好：若熱源溫度降低而冷卻水溫度較高

6、，它的效率將大大下降，甚至不能正常制冷。 單級(jí)吸收式制冷機(jī)還有一個(gè)很大的缺點(diǎn)， 就是熱源的利用溫差小， 一般只 有6 一 8 C。例如，如果輸入制冷機(jī)的熱水溫度為90 C,那么經(jīng)過制冷以后輸出的熱水仍有82 C以上。換言之，82 C的熱水要送到太陽能集熱器加熱升溫，太陽能系統(tǒng)的平均工 作溫度一直要保持在很高的水平，它的效率相應(yīng)要降低。我國(guó)第一次采用自己制造的制冷機(jī)應(yīng)用于大型太陽能空調(diào)系統(tǒng)是在1997 年為國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“太陽能空調(diào)及供熱示范系統(tǒng)”所研制了一臺(tái)100kW的兩級(jí)吸收式制冷機(jī)。 成功地應(yīng)用于太陽能系統(tǒng)中，并且與于 1998年投入運(yùn)行。這種新型的兩級(jí)吸收式制冷機(jī)有 兩個(gè)顯著的

7、特點(diǎn)，一是所要求的熱源溫度低，在65 C以上的溫度范圍內(nèi)均能穩(wěn)定地制冷，甚至低至60 C時(shí)仍可達(dá)到80%的制冷量和性能系數(shù)； 二是熱源的利用溫差大，為12 24 C （隨熱源溫度而變）。由于工作溫度低，這種制冷機(jī)的COP直相應(yīng)也要降低（0. 40左右），但其熱源的利用溫差大的優(yōu)勢(shì)足以彌補(bǔ)這個(gè)不足。舉例來說，對(duì)于同樣為88 C的熱水，單級(jí)吸收式制冷機(jī)的COp約為0. 6，但它只利用了 8C（回水溫度80 C）,實(shí)際利用為4. 8 C;而兩級(jí)吸 收式制冷機(jī)能利用 24 C （回水溫度64 C）,以0. 4的COP直計(jì)算，實(shí)際利用為 9. 6 C, 利用的能量高出一倍。因此，單以COP直來衡量這種制

8、冷機(jī)的性能是不全面的，還應(yīng)該看它的傭效率。 此外，回水溫度低的特點(diǎn)，使得它更適合太陽能的利用，也有助于提高大陽能系 統(tǒng)的效率。2）氨 -水吸收式制冷機(jī)20在 70 年代后期，世界各國(guó)對(duì)太陽能利用的研究蓬勃開展，我國(guó)太陽能制冷空調(diào)的研究 也在此期間起步，其中對(duì)太陽能驅(qū)動(dòng)的氨。水吸收式制冷系統(tǒng)的研究最為活躍，先后有 多個(gè)單位開展過工作，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，他們是我國(guó)太陽能制冷與空調(diào)研究的先行者。1979年1977 年研制成 在北京地區(qū)夏季天津大學(xué) 1975年研制的連續(xù)式氨一水吸收式太陽能制冰機(jī)， 7月首次制出冰，該裝置 有效集熱面積1.33m2，由集熱器（發(fā)生器）、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、熱交換器、

9、氨液 循環(huán)泵、吸收器組成，不設(shè)蒸餾器，有水平轉(zhuǎn)盤，可手動(dòng)調(diào)節(jié)方位角。經(jīng)改進(jìn)后， 試驗(yàn)結(jié)果：日產(chǎn)冰量可達(dá) 5.4kg，制冰機(jī)總效率為 6.24 %。北京師范學(xué)院（現(xiàn)首都師范大學(xué)）與北京市建筑安裝工程公司等單位于功 1.5m2 平板型間歇式太陽能制冰機(jī)， 利用氨一水為工質(zhì)， 不需外加動(dòng)力，25 C,都可利用太陽能制冷。1979年又研制出8m2平板型自 利用兩對(duì)光電管分別控制集熱器的方位角和傾角， 并考慮了采 5024kJ/h。晴天每天可制冰6. 8 一 8kg，整機(jī)效率10. 5%左右。集熱器采用套管結(jié)構(gòu)，以便可利用多 種能源。 只要冷卻水溫不超過 動(dòng)跟蹤連續(xù)式太陽能冷藏柜， 用多種能源的需要，制

10、冷量可達(dá) 二太陽能吸收式制冷太陽能吸收式制冷系統(tǒng)太陽能吸收式制冷就是利用太陽能集熱器提供吸收式制冷機(jī)循 環(huán)所需要的熱源， 保證吸收式制冷機(jī)正常運(yùn)行達(dá)到制冷的目的。 太陽能吸收式制冷系統(tǒng)主要 由太陽能集熱器、熱水箱、輔助加熱器、吸收式制冷機(jī)、冷卻塔、冷凍水箱等組成，其中吸 收式制冷機(jī)包含發(fā)生器、吸收器、冷凝器和蒸發(fā)器，制冷N/吸收劑在制冷機(jī)內(nèi)通過汽化一 冷凝一蒸發(fā)一吸收四個(gè)過程完成制冷目的。 太陽能吸收式制冷包括兩大循環(huán)， 即太陽能熱利 用循環(huán)及吸收式制冷循環(huán)。 太陽能熱利用循環(huán)由太陽能集熱器、 儲(chǔ)熱水箱、 輔助加熱裝置等 幾部分組成。 太陽能集熱器吸收太陽能熱輻射， 將熱水箱內(nèi)的水加熱作為吸收

11、式制冷機(jī)發(fā)生 器的熱源，如果集熱器加熱后的水達(dá)不到水溫要求，通過輔助加熱裝置輔助進(jìn)行加熱。吸收式制冷循環(huán)由吸收式制冷機(jī)、 冷卻塔、 冷凍水箱等部分組成。 在吸收式制冷機(jī)運(yùn)行 過程中， 二元溶液在發(fā)生器內(nèi)受到太陽能集熱器產(chǎn)生的熱媒水加熱，溶液中的制冷劑不斷汽化；隨著制冷劑的不斷汽化，發(fā)生器內(nèi)的吸收劑濃度不斷升高，進(jìn)入吸收器；制冷劑蒸汽進(jìn) 入冷凝器， 被冷凝器內(nèi)的冷卻水降溫后凝結(jié)， 成為高壓低溫的液態(tài)制冷劑； 當(dāng)冷凝器內(nèi)的制 冷劑通過膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收冷凍水的熱量， 從而達(dá)到降溫制冷的目的， 高溫的制冷劑蒸汽進(jìn)入到吸收器， 而冷凍水直接送入冷凍水箱內(nèi)， 提供

12、給空調(diào)系統(tǒng)加熱器/表冷器交換冷量； 在此過程中， 冷凝器中溫度升高后的冷卻水經(jīng)過 冷卻塔降溫后送入吸收器， 將蒸發(fā)器送來的制冷劑蒸汽降溫液化并被吸收劑濃溶液吸收，溶液濃度逐步降低，再由循環(huán)泵送回發(fā)生器，完成整個(gè)循環(huán)，如此循環(huán)不息，連續(xù)制取冷量。三太陽能吸附式制冷太陽能吸附式制冷系統(tǒng)太陽能吸附式制冷系統(tǒng)主要由太陽能吸附集熱器、冷凝器、 儲(chǔ)液器、蒸發(fā)器和閥門等組成， 其中太陽能吸附集熱器相當(dāng)于太陽能吸收式制冷系統(tǒng)中的太陽能 熱水系統(tǒng)、發(fā)生器和吸收器的組合，吸附集熱器內(nèi)的吸附劑相當(dāng)于吸收式制冷中的吸收劑。使制冷經(jīng)冷卻太陽能吸白天太陽輻射充足時(shí)， 太陽能吸附集熱器吸收太陽輻射能后， 吸附床溫度升高，

13、劑從吸附劑中解吸， 太陽能吸附集熱器內(nèi)壓力升高。 解吸出來的制冷劑進(jìn)入冷凝器， 水冷卻后凝結(jié)為液態(tài)，進(jìn)入蒸發(fā)儲(chǔ)液器。 夜間或太陽輻射不足時(shí)， 環(huán)境溫度降低， 附集熱器自然冷卻， 吸附床的溫度下降， 吸附劑開始吸附制冷劑； 儲(chǔ)液器中的制冷劑通過膨 脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器， 在汽化過程中吸收冷凍水的熱量， 汽化后的制冷劑蒸汽再次被吸收劑吸附。由于太因此許多研 直到“九考慮到天氣情況的影響， 在系統(tǒng)中加以輔助冷熱源。 當(dāng)太陽能輻射不足時(shí)， 太陽能吸附 集熱器通入輔助熱水使吸附床溫度升高， 制冷劑解吸； 當(dāng)冷凍水溫度達(dá)不到要求時(shí)， 太陽能 吸附集熱器通入輔助冷卻水使吸附床溫度降低，開始吸附制冷劑。在太陽能空調(diào)

14、方面，從 70年代開始就有不少單位作過不同程度的研究和試驗(yàn)。 陽能空調(diào)技術(shù)要求較高， 各方面的技術(shù)尚未成熟， 而且需要投入的資金量很大， 究一直停留在試驗(yàn)階段， 但同時(shí)也為太陽能空調(diào)的實(shí)際應(yīng)用做好了技術(shù)準(zhǔn)備工作。五”計(jì)劃期間， 作為太陽能空調(diào)應(yīng)用基礎(chǔ)的太陽能熱水器已經(jīng)在全國(guó)蓬勃發(fā)展，漠化貍吸收式制冷機(jī)產(chǎn)品也已成熟和穩(wěn)定， 經(jīng)過國(guó)家科委 （科技部） 和中國(guó)太陽能學(xué)會(huì)熱利用專業(yè)委員 會(huì)組織專家研討、論證， 認(rèn)為太陽能空調(diào)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。國(guó)家科委把“太陽 能空調(diào)示范系統(tǒng)”列入“九五” 重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目計(jì)劃， 在我國(guó)南方和北方各建一座大型實(shí) 用性的太陽能空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)家 “九五” 攻關(guān)項(xiàng)

15、目計(jì)劃， 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所負(fù)責(zé)在南方建立太陽能空 調(diào)示范系統(tǒng)。項(xiàng)目于 1996年8月正式啟動(dòng)， 1998年 2月系統(tǒng)主體工程完成，并開始供給熱 水，4月試運(yùn)行供冷， 6 月正式投入使用。大型太陽能空調(diào)系統(tǒng)建造于廣東省江門市一棟 24層綜合大樓上。該大樓是一座多功能 的綜合性商用、辦公大樓，有寫字樓、營(yíng)業(yè)廳、招待所、運(yùn)動(dòng)娛樂場(chǎng)所、培訓(xùn)中心等。利用 太陽能全年提供大樓每天所需的生活用熱水， 除此之外， 在夏天以太陽能熱水制冷， 供其中 一層空調(diào)。主要技術(shù)參數(shù)為： 太陽能集熱器：高效平板式集熱器（帶透明隔熱板） 集熱面積： 500m2制冷機(jī)：兩級(jí)吸收式澳化鉀制冷機(jī) 制冷功率： 100kW制冷

16、熱源溫度：75 C （設(shè)計(jì)工況） 冷凍水溫度：9C 供空調(diào)用戶面積： 600m2系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試取得令人滿意的結(jié)果：（1）太陽能集熱系統(tǒng)效率很高，能滿足制冷及生活熱水需求。（ 2）制冷機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均超過設(shè)計(jì)要求。運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如下：驅(qū)動(dòng)熱源溫度低，在 65 一 75 C范圍內(nèi)都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。熱源溫度低至60 C左右時(shí)，仍有較高的制冷能力（80%）。熱水利用溫差大，可高達(dá)15 C。制冷能力可超過設(shè)計(jì)指標(biāo)最高達(dá)112kW）。冷凍水溫度可低至 67 C （設(shè)計(jì)工況為9 C）。性能系數(shù)（COP較高（可大于0. 4）。四太陽能除濕式空調(diào)除濕式空調(diào)系統(tǒng)是利用吸濕劑 （例如氯化鋰、 硅膠等） 對(duì)空氣進(jìn)行減濕， 然

17、后蒸發(fā)降溫， 對(duì)房間進(jìn)行溫度和濕度的調(diào)節(jié)， 用過的吸附劑被加熱進(jìn)行再生。 再生過程可以利用較低品位 熱能， 因此也很適合于太陽能利用。 該方法有利于保護(hù)大氣環(huán)境， 還有利于改善室內(nèi)空氣品 質(zhì)。西北工業(yè)大學(xué)、 清華大學(xué)等對(duì)除濕式空調(diào)的研究，已經(jīng)做了不少工作。 為了對(duì)除濕空調(diào) 系統(tǒng)和其中的關(guān)鍵部件進(jìn)行研究， 促進(jìn)這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展， 清華大學(xué)興建了一座利用太陽 能再生的干燥劑除濕復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置。 該裝置由空氣預(yù)處理段、 太陽熱能加熱段、 干 燥劑除濕冷卻系統(tǒng)和常規(guī)制冷機(jī)組成。 系統(tǒng)具有營(yíng)造所要求的試驗(yàn)工況、 利用太陽熱能以及 進(jìn)行各種設(shè)備性能試驗(yàn)等多種功能，包括構(gòu)成與壓縮式制冷系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)

18、合式空調(diào)系統(tǒng)。 該裝置參照國(guó)際上類似對(duì)象的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法， 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制及數(shù)據(jù)自動(dòng)巡檢 與處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置達(dá)到了所述試驗(yàn)功能和指標(biāo)。西北工業(yè)大學(xué)對(duì)吸附劑的除濕性能、 吸附除濕換熱器及除濕空調(diào)系統(tǒng)等都作了充分的研 究，并且在實(shí)用性產(chǎn)品開發(fā)方面取得了成果。五-被動(dòng)式降溫被動(dòng)式降溫是對(duì)通過太陽能輻射和熱輻射進(jìn)行有選擇的、 合理的利用， 達(dá)到建筑物自身 降溫或減少冷負(fù)荷的目的。 建筑物與外界的熱交換主要通過門窗和外墻進(jìn)行。 窗戶是建筑物 隔熱保溫的最薄弱環(huán)節(jié)， 也是太陽輻射光和熱的進(jìn)入渠道。一些反光膜、濾光膜、 藍(lán)玻璃等 主要是解決遮光問題， 但仍有一部分紅外輻射透過。 而對(duì)于降溫

19、來說， 反射紅外輻射比反射 可見光更為重要?？梢?，按不同需要，采用有嚴(yán)格光譜選擇性的涂層、薄膜或功能性玻璃， 對(duì)于建筑物的降溫和節(jié)能是很有意義的。 建筑物外墻一方面吸收太陽輻射， 另一方面也向外 界散發(fā)熱量。 要達(dá)到降溫的目的， 必須要對(duì)太陽輻射中的可見光及紅外輻射有根強(qiáng)的反射率， 減少墻體的吸熱和蓄熱， 加速建筑物的放熱， 達(dá)到降溫的效果。 研究這類光譜選擇性涂料并 結(jié)合建筑物外墻的裝飾，將有助于建筑物的降溫。但并不是氣象學(xué)輻射致冷也是建筑物被動(dòng)式降溫的一種新方法。 大氣外層空間是一個(gè)接近絕對(duì)零度的天 然巨大冷庫。根據(jù)輻射換熱的原理，兩個(gè)有溫度差的物體之間，會(huì)以輻射的形式交換能量。 這樣就有

20、可能把地面上的熱能以輻射的形式釋放出去，達(dá)到自身冷卻降溫的目的。以特定的所有輻射都能自由地穿過大氣層， 只有某些波長(zhǎng)段的輻射穿透大氣層的能力比較強(qiáng)， 上稱為“大氣窗口”。因此，要求輻射體要有嚴(yán)格的光譜選擇特性，在對(duì)應(yīng)“大氣窗口”， 的波長(zhǎng)段上有很強(qiáng)的輻射率， 同時(shí)在這以外有極高的反射率， 熱能傳到輻射體上， 波長(zhǎng)向天空輻射出去， 輻射體由于釋放了能量而得到降溫。 近二十年來輻射致冷研究在國(guó)外 取得不少進(jìn)展。 在國(guó)內(nèi)， 中國(guó)科技大學(xué)長(zhǎng)期以來進(jìn)行過大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究， 特別是理論 計(jì)算模型方面有獨(dú)特的創(chuàng)新性。 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所等單位在試驗(yàn)和應(yīng)用方面也做了 不少工作。在光譜選擇性涂料方面，

21、 廣州能源研究所研究成功一種船用的熱反射涂料。 熱反射涂料 與輻射致冷在原理上雖然不盡相同， 但對(duì)輻射波長(zhǎng)選擇性 （反射和吸收） 這個(gè)本質(zhì)問題上是 一致的。所研究的熱反射涂料的熱性能指標(biāo)達(dá)到：紅外反射率大于80，與標(biāo)準(zhǔn)板相比，板溫可降低20 C （標(biāo)準(zhǔn)板64 C,樣本板44 0。結(jié)論：隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高， 制冷和空調(diào)的需求會(huì)越來越大， 特別 是建筑物降溫的能耗巨大，給能源、 電力、 環(huán)境等方面帶來越來越大的壓力。 利用太陽能來 解決這個(gè)問題值得重視， 但太陽能空調(diào)應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)， 不同的使用要求， 綜合 采取多種技術(shù)措施（如主動(dòng)式制冷與被動(dòng)式降溫相結(jié)合），才能解決好這個(gè)問題。許多有研究 此外， 技術(shù)上仍 在推廣應(yīng)