1、太陽能驅(qū)動(dòng)制冷空調(diào)技術(shù) 國家自然科學(xué)基金資助（50376052）, 東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文基金資助東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 殷勇高 張小松摘要: 介紹了當(dāng)前太陽能驅(qū)動(dòng)制冷空調(diào)技術(shù)方法、原理、組成特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，并對其性能進(jìn)行綜合比較，探討了太陽能用于制冷空調(diào)的前景與技術(shù)難題。關(guān)鍵詞: 太陽能；制冷；空調(diào)Solar energy-powered refrigeration and air conditioning technologiesYin Yonggao Zhang Xiaosong(School of Energy and Environment, Southeast Univer

2、sity, Nanjing 210096)Abstract The method and principle of solar energy-powered refrigeration and air conditioning technology are introduced in the paper. The configuration characteristic, present research state and evolvement about them are explained detailed. And some comparison results of them hav

3、e been discussed. The prospect and technology trouble of them are exposited.Key words: solar energy; refrigeration; air conditioning1 引言目前，大部分的制冷空調(diào)設(shè)備都是以電能驅(qū)動(dòng)的，隨著制冷空調(diào)領(lǐng)域的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的制冷空調(diào)設(shè)備消耗大量的電能，同時(shí)也帶來了制冷工質(zhì)氟里昂對環(huán)境的污染問題（溫室效應(yīng)和破壞臭氧層），因此制冷空調(diào)中的環(huán)保和節(jié)能問題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題。太陽能用作主要驅(qū)動(dòng)能源、以自然工質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)的太陽能制冷與空調(diào)技術(shù)成為當(dāng)前制冷空調(diào)領(lǐng)域研究的一個(gè)重

4、要熱點(diǎn)內(nèi)容之一。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生綠色能源，地球每年接受的太陽能總量為1×1018kWh，太陽能驅(qū)動(dòng)制冷空調(diào)系統(tǒng)具有環(huán)保和節(jié)能的雙重優(yōu)勢。太陽能用于現(xiàn)代制冷空調(diào)的方式很多，本文主要探討太陽能作為主要能源驅(qū)動(dòng)制冷與空調(diào)的技術(shù)方法，對其種類、組成、性能特點(diǎn)進(jìn)行綜合比較分析。2 太陽能驅(qū)動(dòng)的制冷空調(diào)方法太陽能的利用途徑分為以下三種：光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化轉(zhuǎn)換。光熱轉(zhuǎn)換是利用各種集熱器把太陽能收集起來，然后用收集到的熱能來驅(qū)動(dòng)太陽能制冷空調(diào)裝置；光電轉(zhuǎn)換是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能來驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)；光化轉(zhuǎn)換是先將太陽能能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后進(jìn)行制冷/熱。太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽

5、能集熱裝置、熱驅(qū)動(dòng)制冷裝置和輔助熱源以及相關(guān)控制設(shè)備組成。主要的太陽能制冷空調(diào)方法如下：2.1 光熱轉(zhuǎn)換方式太陽能制冷空調(diào) 太陽能吸收式制冷吸收式制冷是利用溶液濃度的變化來獲取冷量的，稀溶液吸收來自蒸發(fā)器的低壓蒸氣，釋放出熱量由冷卻介質(zhì)帶走，溶液變濃后經(jīng)溶液泵升壓送至發(fā)生器，經(jīng)過高溫?zé)嵩醇訜岙a(chǎn)生高壓蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝、節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷。太陽能吸收式制冷機(jī)有如下幾種，間歇式太陽能吸收式制冷機(jī)（如圖1所示）、連續(xù)式太陽能吸收式制冷機(jī)（分為直接式和間接式）和無泵吸收式制冷機(jī)（分汽泡泵式和雙吸收器式）。間歇式太陽能吸收式制冷機(jī)中集熱器兼作發(fā)生器和吸收器用，工質(zhì)為氨水溶液，經(jīng)有關(guān)試驗(yàn)研究，在太陽

6、能輻射為700W/m2和發(fā)生時(shí)間為5h的條件下，環(huán)境溫度為2235，冷卻水溫度為20，冷凝溫度為2135，發(fā)生器內(nèi)的溶液溫度最高達(dá)到7583，能夠并冷凝3.64.2kg氨。制冷階段周圍環(huán)境溫度為1831，蒸發(fā)溫度為177，結(jié)冰量為6.88.0kg，每平方采光面積的結(jié)冰量達(dá)4.55.3kg。間接連續(xù)式太陽能吸收式制冷機(jī)是通過集熱器加熱熱水，然后通過熱水作為熱源媒體加熱待發(fā)生溶液，日本矢崎1號太陽房就是一種間接連續(xù)式太陽能驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)，試驗(yàn)研究表明，冷卻水溫為29.5，冷凍水溫度為9，發(fā)生器入口溫度為85，制冷量為25100kJ/hr，工況系數(shù)為0.5。1998年，江門100kW太陽能空

7、調(diào)系統(tǒng)是我國首座大型實(shí)用性的太陽能空調(diào)系統(tǒng)，采用2級溴化鋰吸收式制冷機(jī)，標(biāo)志著我國太陽能熱利用技術(shù)上了一個(gè)新臺階，運(yùn)行數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)性能COP在0.45左右。多級太陽能吸收式制冷是進(jìn)一步提高COP和減少加熱功率的制冷系統(tǒng)，表1給出了多級太陽能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的比較。1-集熱器/發(fā)生器/吸收器 2-冷凝器 3-蒸發(fā)器 4-儲氨罐圖1 間歇式太陽能吸收式制冷系統(tǒng)Fig.1 Intermissive solar-powered absorption refrigeration system表1 太陽能溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)比較（每kW制冷功率）Table 1 Solar-powered LiBr/H

8、2O absorption refrigeration system(per 1 kW cooling capacity)類型COP熱源溫度/集熱器類型所需加熱功率/kW所需集熱器面積/m2單級0.785平板、真空管1.437.48兩級1.2130真空管0.835.07三級1.7220聚光型0.594.49溴化鋰吸收式制冷機(jī)存在易結(jié)晶，腐蝕性強(qiáng)，蒸發(fā)溫度在0以上的缺點(diǎn)，但COP比氨水吸收式要高，而且氨水吸收式制冷存在工作壓力高，具有一定的危險(xiǎn)性，氨有毒，要防止泄漏到環(huán)境大氣中；同時(shí)系統(tǒng)還要精餾裝置，但可以制得到很低的蒸發(fā)溫度?？傮w來說吸收式制冷技術(shù)相對比較成熟，但由于初投資大，一般應(yīng)用于大型的

9、中央空調(diào)場所。 太陽能吸附式制冷自十九世紀(jì)中葉Faraday提出利用吸附原理進(jìn)行制冷的構(gòu)想、二十年代實(shí)現(xiàn)吸附制冷的初步應(yīng)用。但因?yàn)橄啾扔趬嚎s制冷效率低、高初投資而停滯，一直到七十年代中期因石油危機(jī)導(dǎo)致太陽能應(yīng)用研究升溫，采用太陽能驅(qū)動(dòng)吸附制冷裝置作為利用太陽能的有效方式，其研究隨之展開，上海交通大學(xué)在此領(lǐng)域做出了大量比較深入的研究，其基本原理是以多孔性固體作為吸附劑，以某種氣體作為制冷劑，形成吸附制冷工質(zhì)對，固體吸附劑吸附制冷劑氣體，使得制冷劑液體不斷蒸發(fā)制冷，固體吸附劑吸附飽和之后通過太陽能加熱解吸。1988年美國沸石動(dòng)力公司研制高性能的沸石/水回?zé)嵛街评溲b置，采用兩床循環(huán)可回收7080吸

10、附熱，COP達(dá)1.2，COA達(dá)1.8以上；1992年英國Critoph研制活性炭/氨對流熱波吸附制冷機(jī)，理論COA達(dá)1.9，供熱量達(dá)13kW；1993年法國Douss研制沸石/水活性炭/甲醇復(fù)疊吸附制冷機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果COP為1.6，COA為1.78，回?zé)崧蔬_(dá)57；1996年美國Miles研制了天然氣直燃活性炭/氨熱波型熱泵，季節(jié)性能指數(shù)COP達(dá)0.76，COA達(dá)1.21；1998年上海交通大學(xué)開發(fā)了兩床回?zé)峄钚蕴?甲醇吸附空調(diào)，COP達(dá)0.4以上，COA達(dá)1.2以上。太陽能吸附式制冷根據(jù)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行方式一般可分為連續(xù)式制冷系統(tǒng)和間歇式制冷系統(tǒng)。目前吸附式制冷主要集中在吸附制冷工質(zhì)對性能，吸附

11、床的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化，吸附過程機(jī)理分析等方面的研究。吸附制冷工質(zhì)對主要是：活性炭-甲醇，分子篩-水，分子篩-氨，硅膠-水，活性炭纖維-甲醇，氯化鈣-氨，氯化鍶-氨等等。從目前的研究看來，太陽能固體吸附制冷需要解決的關(guān)鍵性問題有：吸附劑/集熱器白天的高效集熱和夜間的有效散熱之間的矛盾關(guān)系如何有效的解決；對于以甲醇和水等低蒸汽壓吸附質(zhì)作為制冷劑的負(fù)壓系統(tǒng)如何長期維持系統(tǒng)的真空度；如何將夜間所制的冷量有效地儲存到白天使用。太陽能固體吸附式制冷技術(shù)存在導(dǎo)熱系數(shù)低，傳熱效果差，解吸周期長，單位質(zhì)量吸附劑制冷功率小，設(shè)備龐大，系統(tǒng)熱量利用率不高，性能系數(shù)低，難以長期保證系統(tǒng)的高真空度等缺點(diǎn)，但固體吸附式制冷有

12、一些自身的優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動(dòng)部件，無噪音，無污染，運(yùn)行穩(wěn)定，不存在結(jié)晶問題，可靠性高，特別是還能適用于一些振動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)場所。 太陽能除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)太陽能除濕蒸發(fā)冷卻制冷方式分為固體除濕蒸發(fā)冷卻和液體除濕蒸發(fā)冷卻兩種，由于固體除濕存在系統(tǒng)龐大，再生溫度高、系統(tǒng)相對比較復(fù)雜等缺點(diǎn)，溶液除濕蒸發(fā)冷卻制冷系統(tǒng)由于其在低品位熱能驅(qū)動(dòng)，越來越受到重視，得到了廣泛的研究，清華大學(xué)、東南大學(xué)等高校分別在此領(lǐng)域進(jìn)行了比較深入的研究。圖2 溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)Fig. 2 Liquid desiccant evaporative cooling system溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)利用溶液除濕劑對濕空氣

13、進(jìn)行除濕干燥，然后對這部分空氣送入直接蒸發(fā)冷卻器產(chǎn)生冷水或者溫度較低的濕空氣，一種制取冷凍水的流程圖如圖2所示。常用的除濕劑有氯化鋰，氯化鈣，溴化鋰及其它們的混合物。溶液再生溫度通常在5575，能較好的利用太陽能作為系統(tǒng)主要驅(qū)動(dòng)能源，太陽能驅(qū)動(dòng)的溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的熱力系數(shù)可達(dá)到0.7,是一種具有節(jié)能和環(huán)保雙重優(yōu)勢的新型制冷空調(diào)方法。溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)跟吸收式制冷系統(tǒng)一樣，都是利用溶液濃度的變化來制取冷量，但相對于吸收式制冷方式，溶液除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)有幾條顯著的優(yōu)勢：（1）需要的驅(qū)動(dòng)熱源溫度低，一般55-75均能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，能有效地利用如太陽能、工業(yè)余熱、廢氣余熱等低品位熱源

14、；（2）空調(diào)系統(tǒng)所有裝置設(shè)備均在大氣壓環(huán)境下運(yùn)行，無真空密封要求；（3）系統(tǒng)主要部件少，結(jié)構(gòu)簡單；（4）系統(tǒng)風(fēng)量大，溫濕度容易控制調(diào)節(jié)，新風(fēng)量大，空氣品質(zhì)好。鑒于太陽能具有不連續(xù)性的特點(diǎn)，必須配備一定的輔助熱源或者通過蓄能技術(shù)來保證系統(tǒng)可靠連續(xù)的運(yùn)行，而溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一種溶液除濕潛能蓄能方式，在一定的情況下，使得空氣的潛熱和顯熱相互轉(zhuǎn)化,此蓄能方式具有蓄能密度大，蓄能密度高達(dá)3000MJ/m3,蓄能方式簡單，常溫保存，與系統(tǒng)耦合性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前主要集中在除濕劑包括混合溶液除濕劑性能，除濕器再生器的設(shè)計(jì)與傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程合理設(shè)計(jì)，溶液獨(dú)立除濕空調(diào)系統(tǒng)等方面的研究，如何

15、解決除濕劑對設(shè)備的腐蝕性和強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過程使得設(shè)備小型化是將溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)推廣的關(guān)鍵性技術(shù)。 太陽能噴射式制冷太陽能噴射式制冷是利用制冷劑經(jīng)太陽能集熱器產(chǎn)生一定壓力的蒸汽，再通過噴嘴噴射制冷。該系統(tǒng)一般分為兩個(gè)循環(huán)：動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)。制冷劑在集熱器中汽化、增壓，產(chǎn)生飽和蒸汽，進(jìn)入噴射器，經(jīng)噴嘴高速噴出并膨脹，在噴嘴附近產(chǎn)生真空，將蒸發(fā)器中的低壓蒸汽吸入噴射器，經(jīng)過噴射器的混和氣體進(jìn)入冷凝器放熱、凝結(jié)，然后冷凝液的一部分通過節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量后汽化，完成制冷循環(huán)。噴射式制冷系統(tǒng)和吸收式相比具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其致命的弱點(diǎn)是性能系數(shù)COP值太低。例如以氟里昂R12為噴

16、射制冷劑，熱源溫度為80，冷凝溫度為40，蒸發(fā)溫度為5，噴射系數(shù)為0.2時(shí)，工況系數(shù)COP為0.15。針對這一弱點(diǎn)，研究者提出了電能輔助，和其他制冷方式相結(jié)合等方案來提高系統(tǒng)的COP值。1996年Riffat提出一種熱管-噴射器復(fù)合制冷裝置的原理性結(jié)構(gòu)，由太陽能或者太陽能和燃?xì)饴?lián)合驅(qū)動(dòng)，其特征是系統(tǒng)中存在一毛細(xì)泵，該毛細(xì)泵用于使得一部分冷凝液進(jìn)入發(fā)生器。國內(nèi)東南大學(xué)在該系統(tǒng)進(jìn)行了一定的數(shù)模擬研究，論證了該系統(tǒng)的可行性。2004年，天津大學(xué)在雙元非共沸工質(zhì)的太陽能噴射式制冷空調(diào)系統(tǒng)方面進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，得到了較高的壽命期內(nèi)性能系數(shù)。2.2 光電轉(zhuǎn)化方式制冷光電轉(zhuǎn)化方式制冷就是先將太陽能轉(zhuǎn)化為

17、電能，然后利用電能驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)完成制冷循化實(shí)現(xiàn)制冷。光伏發(fā)電是應(yīng)用半導(dǎo)體器件將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，目前發(fā)電成本比起煤電和水電要高一些，但是具有安全可靠，無噪聲，無污染，無需燃料，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，并且不受地域限制，規(guī)模大小很靈活，與建筑結(jié)合方便，建站周期短，故障率低，維護(hù)簡便。如今正在使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)中的大部分設(shè)備還處于較為原始的階段，較低的制造技術(shù)和應(yīng)用研究水平已成為制約太陽能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。截至到2002年年底，世界太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總裝機(jī)容量達(dá)到2200MW，國內(nèi)外分別有相應(yīng)的示范性工程。隨著光電轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，光電轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)制冷空調(diào)系統(tǒng)會將來可能會有一定的應(yīng)用比

18、例。光電轉(zhuǎn)化半導(dǎo)體制冷由于在光伏轉(zhuǎn)化效率和半導(dǎo)體制冷性能系數(shù)很低的瓶頸問題，在此方面的應(yīng)用短期內(nèi)不會有很好的改善，也很少人從事這方面的研究，2004年，國內(nèi)葉繼濤等人對太陽能半導(dǎo)體制冷結(jié)露法空氣取水器進(jìn)行了一定的理論研究，適合于沙漠地區(qū)中制取淡水，理論表明具有一定的可行性和應(yīng)用前景。2.3 光化轉(zhuǎn)換方式制冷光化轉(zhuǎn)換是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行制冷或者供熱。以太陽能等低品位熱源驅(qū)動(dòng)的化學(xué)熱泵系統(tǒng)，既節(jié)能降耗，又綠色環(huán)保，并且太陽能化學(xué)儲能密度大，是一般顯熱儲能的50倍，是潛熱儲能的10倍，并且能在常溫儲存。太陽能熱泵主要有三種利用形式：利用太陽能驅(qū)動(dòng)化學(xué)熱泵以實(shí)現(xiàn)升溫、貯能；利用太陽

19、能和其它廢熱驅(qū)動(dòng)化學(xué)熱泵來提高能量品位；太陽能、化學(xué)熱泵和其它廢熱三者整合用以升溫、貯能?；瘜W(xué)熱泵工質(zhì)對一般有：金屬鹵化鹽和氨，金屬氧化物和水，金屬氧化物和二氧化碳，金屬氫化物和氫，丙酮和氫，環(huán)己烷和氫等，有關(guān)研究表明，系統(tǒng)制冷COP在0.5左右，供熱COP在1.5-1.6之間。3 太陽能制冷空調(diào)性能特征及現(xiàn)階段的局限性針對以上各種太陽能制冷空調(diào)技術(shù)，圖3和圖4是對其在不同熱源溫度和冷卻溫度下的系統(tǒng)性能比較。圖3 不同熱源溫度下系統(tǒng)性能特征Fig.3 The COP at different heating temperatures圖4 不同冷卻溫度下系統(tǒng)性能特征Fig.4 The COP a

20、t different cooling temperatures太陽能具有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在自身的局限性，因而要進(jìn)一步加強(qiáng)研究開發(fā)，努力在推廣應(yīng)用過程中逐步解決這些問題：（1）雖然太陽能制冷空調(diào)可以顯著減少常規(guī)能源的消耗，大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用，但由于現(xiàn)有太陽能集熱器的價(jià)格較高，造成太陽能初投資偏高，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持不懈地降低現(xiàn)有太陽能集熱器的成本。（2）雖然太陽能制冷空調(diào)可以無償利用太陽能資源，但由于自然條件下的太陽能輻照密度不高，使得太陽能集熱器采光面積與空調(diào)建筑面積配比受到限制，目前只適用于樓層不多的建筑。加緊研制可產(chǎn)生水蒸氣的中溫太陽集熱器，以便與蒸汽型吸收式制冷機(jī)結(jié)合，是解決此矛盾的有力途徑。

21、（3）雖然太陽能制冷空調(diào)開始進(jìn)入實(shí)用化示范階段，但都是較大型的吸收式制冷機(jī)，用戶不多，開發(fā)各種小型的太陽能制冷空調(diào)機(jī)，以便與太陽能集熱器配套，逐步進(jìn)入千家萬戶。4 結(jié)論太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)為人類生產(chǎn)、生活提供熱量和冷量，是未來制冷空調(diào)技術(shù)的一個(gè)及其重要發(fā)展方向，符合世界當(dāng)前可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略思想。特別是當(dāng)前傳統(tǒng)的制冷方式帶來的能源問題和環(huán)境問題，給太陽能空調(diào)的發(fā)展帶來了良好的契機(jī)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，某些太陽能空調(diào)已經(jīng)邁入實(shí)用化階段，要針對不同的實(shí)際條件，大力、因地制宜地發(fā)展太陽能空調(diào)。相信在政府和社會的大力支持下，太陽能空調(diào)技術(shù)一定有廣闊的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)1 李金偉等. 淺析太陽能空調(diào)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用J，中州大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，20（4）：111