太陽能制冷就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機(jī)提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高,則制冷機(jī)的性能系數(shù)(亦稱COP)越高,這樣空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率也越高。例如,若熱媒水溫度60℃左右,則制冷機(jī)COP約0~40;若熱媒水溫度90℃左右,則制冷機(jī)COP約0~70;若熱媒水溫度120℃左右,則制冷機(jī)COP可達(dá)110以上。實(shí)踐證明,采用熱管式真空管集熱器與溴化鋰吸收式制冷機(jī)相結(jié)合的太陽能空調(diào)技術(shù)方案是成功的,它為太陽能熱利用技術(shù)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。
1.基本工作原理
太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽集熱器和吸收式制冷機(jī)兩部分構(gòu)成。
1.1 吸收式制冷工作原理
吸收式制冷是利用兩種物質(zhì)所組成的二元溶液作為工質(zhì)來進(jìn)行的。這兩種物質(zhì)在同一壓強(qiáng)下有不同的沸點(diǎn),其中高沸點(diǎn)的組分稱為吸收劑,低沸點(diǎn)的組分稱為制冷劑。常用的吸收劑—制冷劑組合有兩種:一種是溴化鋰—水,通常適用于大型中央空調(diào);另一種是水—氨,通常適用于小型空調(diào)。
吸收式制冷機(jī)主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器組成。
本文以溴化鋰吸收式制冷機(jī)為例。在制冷機(jī)運(yùn)行過程中,當(dāng)溴化鋰水溶液在發(fā)生器內(nèi)受到熱媒水加熱后,溶液中的水不斷汽化;水蒸氣進(jìn)入冷凝器,被冷卻水降溫后凝結(jié);隨著水的不斷汽化,發(fā)生器內(nèi)的溶液濃度不斷升高,進(jìn)入吸收器;當(dāng)冷凝器內(nèi)的水通過節(jié)流閥進(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蒸發(fā)器內(nèi)冷媒水的熱量,從而達(dá)到降溫制冷的目的;在此過程中,低溫水蒸氣進(jìn)入吸收器,被吸收器內(nèi)的濃溴化鋰溶液吸收,溶液濃度逐步降低,由溶液泵送回發(fā)生器,完成整個(gè)循環(huán)。
1.2 太陽能吸收式空調(diào)工作原理
所謂太陽能吸收式制冷,就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機(jī)提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高,則制冷機(jī)的性能系數(shù)(亦稱COP)越高,這樣空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率也越高。例如,若熱媒水溫度60℃左右,則制冷機(jī)COP約0?40;若熱媒水溫度90℃左右,則制冷機(jī)COP約0?70;若熱媒水溫度120℃左右,則制冷機(jī)COP可達(dá)1?10以上。
常規(guī)的吸收式空調(diào)系統(tǒng)主要包括吸收式制冷機(jī)、空調(diào)箱(或風(fēng)機(jī)盤管)、鍋爐等幾部分,而太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)是在此基礎(chǔ)上再增加太陽集熱器、儲(chǔ)水箱和自動(dòng)控制系統(tǒng)。
在夏季,被集熱器加熱的熱水首先進(jìn)入儲(chǔ)水箱,當(dāng)熱水溫度達(dá)到一定值時(shí),由儲(chǔ)水箱向制冷機(jī)提供熱媒水;從制冷機(jī)流出并已降溫的熱水流回儲(chǔ)水箱,再由集熱器加熱成高溫?zé)崴恢评錂C(jī)產(chǎn)生的冷媒水通向空調(diào)箱,以達(dá)到制冷空調(diào)的目的。當(dāng)太陽能不足以提供高溫?zé)崦剿畷r(shí),可由輔助鍋爐補(bǔ)充熱量。
在冬季,同樣先將集熱器加熱的熱水進(jìn)入儲(chǔ)水箱,當(dāng)熱水溫度達(dá)到一定值時(shí),由儲(chǔ)水箱直接向空調(diào)箱提供熱水,以達(dá)到供熱采暖的目的。當(dāng)太陽能不能夠滿足要求時(shí),也可由輔助鍋爐補(bǔ)充熱量。
在非空調(diào)采暖季節(jié),只要將集熱器加熱的熱水直接通向生活用儲(chǔ)水箱中的熱交換器,就可將儲(chǔ)水箱中的冷水逐漸加熱以供使用。
2.空調(diào)及供熱綜合示范系統(tǒng)
為了將太陽能吸收式空調(diào)技術(shù)付諸實(shí)際應(yīng)用,根據(jù)“九五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃任務(wù),北京市太陽能研究所于1999年9月建成一套我國目前最大的太陽能吸收式空調(diào)及供熱綜合示范系統(tǒng)(見壓題照片)。
2.1安裝地點(diǎn)概況
太陽能空調(diào)示范系統(tǒng)建在山東省^^^山市。^^^山市位于山東半島的東南端,北接煙臺(tái),西臨青島,南瀕黃海。該地區(qū)有較好的太陽能資源,年平均日太陽輻照量為17?3MJ/m2。當(dāng)?shù)叵募咀罡邭鉁?3?1℃,冬季最低氣溫-7?8℃,夏季和冬季分別有制冷和采暖的要求,因此是安裝太陽能空調(diào)系統(tǒng)的合適地點(diǎn)。
^^^山市銀灘旅游度假區(qū)利用本地區(qū)自然條件,大力發(fā)展旅游事業(yè),正在籌建“中國新能源科普公園”。科普公園計(jì)劃建造包括風(fēng)能館、太陽能館等在內(nèi)的8個(gè)館、廳。太陽能空調(diào)系統(tǒng)就建在科普公園內(nèi)的太陽能館。
在這里人們不僅可以參觀太陽能科普展品,增長太陽能科普知識(shí),了解最新的太陽能技術(shù),并且在參觀和娛樂的同時(shí)可親身感受到太陽能空調(diào)和采暖所營造的舒適環(huán)境。
2.2主要技術(shù)性能
新建的太陽能空調(diào)系統(tǒng)由熱管式真空管集熱器、溴化鋰吸收式制冷機(jī)、儲(chǔ)熱水箱、儲(chǔ)冷水箱、生活用儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)泵、冷卻塔、空調(diào)箱、輔助燃油鍋爐和自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)安裝完成后,經(jīng)過冬、春、夏三季運(yùn)行和測試
,達(dá)到表1的主要技術(shù)性能。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
(1)太陽能與建筑有機(jī)結(jié)合
整個(gè)太陽能館的總體設(shè)計(jì)既使建筑物造型美觀、新穎別致,又能滿足集熱器安裝的要求。依據(jù)這個(gè)原則,建筑物的南立面采用大斜屋頂結(jié)構(gòu),一則斜面的面積比平面大得多,可以布置更多的集熱器;二則在斜面上布置集熱器時(shí)無需考慮前后遮擋問題,而且造型也非常美觀。斜屋頂傾角取35°,與當(dāng)?shù)鼐暥冉咏欣诩療崞鞒浞职l(fā)揮作用。
(2)熱管式真空管集熱器提高了制冷和采暖效率
熱管式真空管集熱器是北京市太陽能研究所的一項(xiàng)重大科技成果,具有效率高、耐冰凍、啟動(dòng)快、保溫好、承壓高、耐熱沖擊、運(yùn)行可*等諸多優(yōu)點(diǎn),是組成高性能太陽能空調(diào)系統(tǒng)的重要部件。熱管式真空管集熱器可為高效溴化鋰制冷機(jī)提供88℃的熱媒水,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的制冷效率;這種集熱器還可在北方寒冷的冬季有效地工作,為建筑物供暖。
(3)大小兩個(gè)儲(chǔ)熱水箱加快了每天制冷或采暖進(jìn)程
根據(jù)一天內(nèi)太陽輻照度變化的固有特點(diǎn),儲(chǔ)熱水箱不僅可以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,還可以把太陽輻照高峰時(shí)的多余能量以熱水形式儲(chǔ)存起來。本系統(tǒng)與一般太陽能空調(diào)系統(tǒng)的不同之處在于設(shè)置了大、小兩個(gè)儲(chǔ)熱水箱。小儲(chǔ)熱水箱主要用于保證系統(tǒng)的快速啟動(dòng)。測試結(jié)果表明,在夏季和冬季晴天的早晨,小儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫就能分別達(dá)到88℃和60℃,從而滿足制冷和供暖的要求。
(4)專設(shè)的儲(chǔ)冷水箱降低了系統(tǒng)的熱量損失
盡管儲(chǔ)熱水箱可以儲(chǔ)存能量,但它的能力畢竟是有限的。本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了一個(gè)儲(chǔ)冷水箱。在白天太陽輻照充裕的情況下,可以將制冷機(jī)產(chǎn)生的冷媒水儲(chǔ)存在儲(chǔ)冷水箱內(nèi),其優(yōu)點(diǎn)在于這種情況下的系統(tǒng)熱量損失顯然要比以熱媒水形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中低得多,因?yàn)橄募经h(huán)境溫度與冷媒水溫度之間的溫差要明顯小于熱媒水溫度與環(huán)境溫度之間的溫差。
(5)配套的輔助鍋爐使系統(tǒng)可以全天候運(yùn)行
所有太陽能系統(tǒng)的運(yùn)行都不可避免地要受到氣候條件的影響。為使系統(tǒng)可以全天候發(fā)揮空調(diào)、采暖功能,輔助的常規(guī)能源是必不可少的。該太陽能空調(diào)系統(tǒng)選用了輔助燃油熱水鍋爐,在白天太陽輻照量不足以及夜間需要繼續(xù)用冷或用熱時(shí),可隨即啟動(dòng)輔助鍋爐,確保系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。
(6)系統(tǒng)運(yùn)行及工況之間切換均能自動(dòng)控制
在利用太陽能部分地替代常規(guī)能源的系統(tǒng)中,系統(tǒng)啟動(dòng)、能量儲(chǔ)存以及太陽能與常規(guī)能源之間切換等功能的自動(dòng)化都顯得尤為重要;另外,本系統(tǒng)設(shè)置了幾個(gè)儲(chǔ)水箱,如何在不同的工況下自動(dòng)啟用不同的水箱,走不同的管路,也是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵;再則,太陽能系統(tǒng)還應(yīng)可*地解決自動(dòng)防過熱和防凍結(jié)的問題。因此,我們?yōu)樵撎柲芸照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套安全可*、功能齊全的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
3.推廣應(yīng)用前景
實(shí)踐證明,采用熱管式真空管集熱器與溴化鋰吸收式制冷機(jī)相結(jié)合的太陽能空調(diào)技術(shù)方案是成功的,它為太陽能熱利用技術(shù)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。
太陽能吸收式空調(diào)與常規(guī)空調(diào)相比,具有以下三大明顯的優(yōu)點(diǎn):
(1)太陽能空調(diào)的季節(jié)適應(yīng)性好,也就是說,系統(tǒng)制冷能力隨著太陽輻射能的增加而增大,而這正好與夏季人們對空調(diào)的迫切要求一致;
(2)傳統(tǒng)的壓縮式制冷機(jī)以氟里昂為介質(zhì),它對大氣層有極大的破壞作用,而吸收式制冷機(jī)以無毒、無害的溴化鋰為介質(zhì),它對保護(hù)環(huán)境十分有利;
(3)同一套太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)可以將夏季制冷、冬季采暖和其它季節(jié)提供熱水結(jié)合起來,顯著地提高了太陽能系統(tǒng)的利用率和經(jīng)濟(jì)性。
誠然,凡事都要一分為二。我們在強(qiáng)調(diào)太陽能空調(diào)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),也應(yīng)看到它目前存在的局限性,因而在推廣應(yīng)用過程中注意解決這些問題:
(1)雖然太陽能空調(diào)開始進(jìn)入實(shí)用化階段,希望使用太陽能空調(diào)的用戶不斷增加,但目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化的產(chǎn)品大都是大型的溴化鋰制冷機(jī),只適用于單位的中央空調(diào)。對此,空調(diào)制冷界正在積極研究開發(fā)各種小型的溴化鋰或氨—水吸收式制冷機(jī),以便與太陽集熱器配套逐步進(jìn)入家庭;
(2)雖然太陽能空調(diào)可以無償利用太陽能資源,但由于自然條件下的太陽輻照度不高,使集熱器采光面積與空調(diào)建筑面積的配比受到限制,目前只適用于層數(shù)不多的建筑。對此,我們正在加緊研制可產(chǎn)生水蒸氣的真空管集熱器,以便與蒸氣型吸收式制冷機(jī)結(jié)合,進(jìn)一步提高集熱器與空調(diào)建筑面積的配比;
(3)雖然太陽能空調(diào)可以大大減少常規(guī)能源的消耗,大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用,但目前系統(tǒng)的初投資仍然偏高,只適用于有限的富裕用戶。為此,我們正在堅(jiān)持不懈地降低現(xiàn)有真空管集熱器的成本,使越來越多的單位和家庭具有使用太陽能空調(diào)的經(jīng)濟(jì)承受能力。
近年來,地球表面溫度逐年上升,人們對夏季空調(diào)的要求越來越強(qiáng)烈,安裝空調(diào)已成為我國大部分地區(qū)的一股消費(fèi)浪潮。我們相信,太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)可以發(fā)揮夏季制冷、冬季采暖、全年提供熱水的綜合優(yōu)勢,必將取得顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
從理論上講,太陽能空調(diào)的實(shí)現(xiàn)有兩種方式,一是先實(shí)現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換,再用電力驅(qū)動(dòng)常規(guī)壓縮式制冷機(jī)進(jìn)行制冷;二是利用太陽的熱能驅(qū)動(dòng)進(jìn)行制冷。對于前者,由于大功率太陽能發(fā)電技術(shù)的昂貴價(jià)格,目前實(shí)用性較差。因此,太陽能空調(diào)技術(shù)一般指熱能驅(qū)動(dòng)的空調(diào)技術(shù)。當(dāng)然,廣義上的太陽能空調(diào)技術(shù)也包括地?zé)狎?qū)動(dòng)和地下冷源空調(diào)技術(shù)。
由于技術(shù)、成本等原因,太陽能空調(diào)一般采用吸收式和吸附式制冷技術(shù)。吸收式制冷技術(shù)是利用吸收劑的吸收和蒸發(fā)特性進(jìn)行制冷的技術(shù),根據(jù)吸收劑的不同,分為氨-水吸收式制冷和溴化鋰-水吸收式制冷兩種。吸附式制冷技術(shù)是利用固體吸附劑對制冷劑的吸附作用來制冷,常用的有分子篩-水、活性炭-甲醇吸附式制冷。兩種制冷技術(shù)均不采用氟利昂,可以避免對臭氧層的破壞作用,具有特別的意義;并且二者采用較低等級(jí)的能源,在節(jié)能和環(huán)保方面有著光明的前景。另外,吸附式制冷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低(或無運(yùn)行費(fèi)用),無運(yùn)動(dòng)部件,壽命長,無噪聲,尤其在航空、航天等特殊領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
對于太陽能制冷技術(shù),因?yàn)橐疹櫟郊療崞鞯男实龋筒坏貌徊捎帽容^低的熱源溫度。所以,太陽能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)存在效率較低的問題。隨之而來的,從集熱器、制冷機(jī)等相應(yīng)的成本分配來看,集熱溫度、冷水溫度及冷卻水溫度應(yīng)各為多少,才能建立一個(gè)最為經(jīng)濟(jì)合理的太陽能空調(diào)系統(tǒng),也是尚待解決的課題。另外,由于太陽能的收集存在著時(shí)效問題,蓄熱技術(shù)也必須得到很好地解決,一個(gè)較好的蓄熱系統(tǒng)可以彌補(bǔ)太陽能的不可*性和間斷性。
4.太陽能空調(diào)技術(shù)的優(yōu)勢
當(dāng)前,大部分使用的空調(diào)技術(shù)是一種以電能為動(dòng)力,把室內(nèi)熱量加以吸收排除到室外的循環(huán)系統(tǒng)。這種空調(diào)將室內(nèi)的熱量收集后,釋放到大氣中,進(jìn)一步提高了大氣的高溫,空洞裝的愈多,城市的大氣溫度會(huì)愈高,則熱島效應(yīng)會(huì)愈強(qiáng)烈。另外,制冷循環(huán)介質(zhì)氟里昂等氟化物的廣泛使用,導(dǎo)致了大氣臭氧層的破壞,惡化了生態(tài)環(huán)境也是眾所周知的。近幾年來,取代氟里昂的工作介質(zhì)的新型空調(diào)(是否污染環(huán)境,有待長期檢驗(yàn))已經(jīng)投放市場。但耗能嚴(yán)重的問題依然存在,在世界能源日益緊張的今天,采用更為節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)是人類的共同需要。
利用太陽能作為能源的空調(diào)系統(tǒng),它的誘人之處在于越是太陽能輻射強(qiáng)烈的時(shí)候,環(huán)境氣溫越高,人們的生活越需要空調(diào),此時(shí),太陽能空調(diào)的制冷能力就越強(qiáng)。這是人和自然和諧的理想境界。使用太陽能空調(diào)的結(jié)果,既創(chuàng)造了室內(nèi)宜人的溫度,又能降低大氣的環(huán)境溫度,還減弱了城市中的熱島效應(yīng)。更為可取的是,既節(jié)約了能源,還不使用破壞大氣層的氟里昂等有害物質(zhì),是名副其實(shí)的綠色空調(diào)。
5.太陽能空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用前景
目前大量生產(chǎn)的大型商用中央空調(diào)和家用壁掛、立式空調(diào)不太適合一些高檔的住宅,急需要一種小型戶式中央空調(diào)來填充這一空白。而從太陽能空調(diào)的特性和技術(shù)特點(diǎn)來看,太陽能空調(diào)最適合于上述矛盾的解決和應(yīng)用,故當(dāng)前空調(diào)行業(yè)的需求給太陽能空調(diào)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了難得的機(jī)遇。
評(píng)論
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