太陽能空調節(jié)能減排技術研究

0太陽能空調的優(yōu)點低碳建筑已成為國際建筑界的主導趨勢。我國節(jié)能建筑尚處于起步階段,建筑耗能持續(xù)增長并占社會總耗能的30%左右,采暖、熱水及電空調耗能又占建筑耗能的50%以上。傳統(tǒng)電空調多以氟氯碳化物為冷媒,而氟碳類物質被公認為是破壞臭氧層和造成溫室效應的重要原因;而且電能主要是通過燃燒化石能源達成發(fā)電過程,排放的酸性氣體嚴重污染環(huán)境,對人類生存環(huán)境造成損害。太陽能空調的優(yōu)點是:直接且容易使用;利用可再生能源且在附加儲能系統(tǒng)時具有連續(xù)性;維持相同的舒適性品質;安全;運行成本低,無技術專屬性;綠色環(huán)保;電網削峰功能;良好的季節(jié)適應性,供熱供冷一體化。因此,太陽能空調被認為是降低建筑能耗和減少溫室效應的最佳方案?！督ㄖI(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出以加快建筑業(yè)發(fā)展方式轉變和產業(yè)結構調整為主線,發(fā)展綠色建筑、加強工程建設全過程的節(jié)能減排,實現低耗、環(huán)保、高效生產等目標要求。而太陽能空調,以其能夠實現與建筑一體化的建筑供能系統(tǒng),在發(fā)達國家特別是歐洲地區(qū)的開發(fā)和研究方興未艾,在我國也受到越來越多的研究單位、建筑及新能源界的廣泛關注。1光電空調的原理太陽能空調的實現有兩種方式,一是先實現光-電轉換,再用電力驅動常規(guī)壓縮式制冷機進行制冷;二是利用太陽的熱能驅動進行制冷。對于前者,由于大功率太陽能發(fā)電技術的昂貴價格,而且建筑冷熱需求較電能需求更現實,光電空調實用性較差。因此,太陽能空調技術一般指熱能驅動的空調技術。光熱轉換實現制冷的方式有:吸收式制冷;吸附式制冷;噴射制冷;朗肯循環(huán)制冷;化學反應方式制冷;而光電制冷則包括:熱電效應制冷;蒸汽壓縮制冷和斯特林循環(huán)制冷。目前全球各類型太陽能空調大約有200-300套,據EURAC2008年統(tǒng)計,80-100套系統(tǒng)的制冷功率大于20kW,其總安裝功率為10MW,集熱器面積為24000m2。在西班牙,小于20kW的小型太陽能空調安裝量增長迅速。1.1溴化鋰吸收式電導劑組cop吸收式制冷與蒸汽壓縮制冷原理類似,都是利用液態(tài)制冷劑在低溫、低壓條件下,蒸發(fā)、汽化吸收載冷劑的熱負荷,產生制冷效應。但兩者的能源系統(tǒng)和工質不同,吸收式制冷是利用制冷劑與吸收劑組成的二元溶液為工質對完成制冷循環(huán)的?？晒┛紤]使用的制冷劑與吸收劑溶液很多,但較為常用的只有氨-水溶液、溴化鋰-水溶液兩種。目前,應用最為廣泛的就是溴化鋰吸收式機組。氨水與溴化鋰吸收式制冷機的比較:前者運行壓力更高,由于需要氨精餾裝置,流程更加復雜,結構復雜,體積龐大,且氨水具有腐蝕性和可燃性,要求熱源溫度也比后者高,氨水本身有一定的可燃性,但氨水蒸發(fā)器里制冷劑卻能在0℃以下蒸發(fā),但后者卻有溴化鋰結晶和真空保持的問題,溴化鋰制冷機組運行COP略高于氨水,且溴化鋰溶液對環(huán)境友好(表1)。對于不同的熱源溫度,可采用單效或者多效制冷機。1.2不同制冷劑的分離分離利用太陽能或者其他熱源,使吸附劑和吸附質形成的混合物在吸附床中發(fā)生解吸,放出高溫高壓的制冷劑氣體進入冷凝器,冷凝出來的制冷劑液體由節(jié)流閥進入蒸發(fā)器。制冷劑蒸發(fā)時吸收熱量,產生制冷效果,蒸發(fā)出來的制冷劑氣體進入吸附發(fā)生器,被吸附后形成新的混合物,從而完成一次吸附制冷循環(huán)過程?；狙h(huán)是一個間歇式的過程,循環(huán)周期長,COP值低,一般可以用兩個吸附床實現交替連續(xù)制冷,通過切換集熱器的工作狀態(tài)及相應的外部加熱冷卻狀態(tài)來實現循環(huán)連續(xù)工作。1.3蒸發(fā)器蒸汽引射與蒸汽壓縮制冷相比,引射器和發(fā)生器取代了壓縮機,發(fā)生器中的制冷劑在外界熱源的加熱下,產生高溫高壓的蒸汽,該蒸汽進入引射器噴管中,速度從亞音速過渡到超音速,壓力和溫度均下降,從而引射一股來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽,該兩股蒸汽混合后經過激波和在擴壓管中的壓縮,壓力上升至冷凝壓力,在冷凝器中冷凝成液體,在冷凝器的出口,制冷劑分成兩路,一路經過泵加壓后返回發(fā)生器,另外一路經過節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器蒸發(fā),產生制冷效果;蒸發(fā)器中制冷劑由引射器引射,完成制冷循環(huán)。1.4太陽能制冷系統(tǒng)可利用太陽能熱水或者其它低品位熱源驅動有機工質朗肯循環(huán)中的渦輪機產生動力,帶動壓縮機制冷的太陽能制冷方式。系統(tǒng)較為復雜,成本較高。國內外出現了以朗肯循環(huán)發(fā)電的商業(yè)機組。1.5空調冷卻器分為固體轉輪除濕及液體除濕兩種方式,主要依靠干燥劑除濕和蒸發(fā)冷卻的原理進行,可實現潛熱負荷和顯熱負荷的分開處理。首先新鮮空氣流經固體轉輪被干燥,由于吸附放熱,其溫度隨之升高,通常還在轉輪的背后安裝顯熱換熱裝置,盡量保持溫度的同時降低空氣的濕度,濕度較低的空氣進入蒸發(fā)冷卻器,然后進入室內,這樣濕度和溫度均能夠被人為的控制和調節(jié);而轉輪的再生溫度來自于室內回風被太陽能集熱器加熱。突出優(yōu)點是采用了對環(huán)境無污染的自然工質空氣作為制冷劑,同時能夠利用低品位能源驅動空調(表5)。表6展示了固體吸附空調廠商和液體吸附空調廠商。法國的LaRochelle、德國Freiburg、西班牙Mataro、意大利Orbassana與Parlemo及奧地利Hartburg等地建有太陽能轉輪吸附除濕空調工程。華南理工大學化工學院和上海交通大學制冷與低溫研究所對轉輪吸附空調進行了較為深入的研究,并試制出了樣機,前者甚至進行了成功的產業(yè)化探索,如華工泰及江陰的萬龍源等公司。當今太陽能制冷的主流制冷機為吸收式制冷機和吸附式制冷機,并隨著市場化的發(fā)展,制冷機逐步向小型化方向發(fā)展,而空氣集熱器則向聚焦型方向發(fā)展。2太陽能空調集熱器太陽能制冷技術另外一方面的進展則是太陽能集熱器技術。開發(fā)出適合熱驅動制冷機驅動溫度的高效低成本集熱器對于推動太陽能空調的發(fā)展具有重要意義。目前廣泛應用的集熱器為真空管和平板式集熱器,集熱溫度在40-100℃,通常用于太陽能采暖和熱水系統(tǒng)。非跟蹤式聚焦太陽能集熱器能夠在較高集熱溫度下保持較高的光熱轉換效率,是新技術發(fā)展潮流(表7和表8)。3太陽能空調系統(tǒng)自上世紀70年代以來我國多個科研院所追蹤發(fā)展太陽能制冷技術,吸收式太陽能空調領域研究比較成功的有廣州能源所、北京太陽能研究所、上海交通大學及香港大學等科研單位;企業(yè)方面,北京天普、山東皇明、長沙遠大和珠海興業(yè)等企業(yè)都建立了太陽能空調示范系統(tǒng),開始產業(yè)化嘗試。其中長沙遠大為槽式聚光系統(tǒng);目前珠海興業(yè)新能源科技有限公司在珠海總部和湖南分公司分別新建了70kW和500kW的智能太陽能空調系統(tǒng),該系統(tǒng)由真空熱管式集熱器,熱水吸收式制冷機組,蓄能系統(tǒng),空調終端和控制電路組成,系統(tǒng)調試成功后,已經連續(xù)可靠的運行18個月,為目前國內運行最為成功的太陽能空調工程之一,除此之外興業(yè)公司還努力開發(fā)光熱幕墻等設備及相變蓄能材料,以期更好地與建筑一體化結合及提高太陽能空調的效率?？偨Y歐洲的開發(fā)案例,見表9,吸收式制冷機以其穩(wěn)定可靠,技術成熟在太陽能空調中得到最廣泛的使用。因此國內多數企業(yè)單位選擇吸收制冷系統(tǒng)的太陽能空調制冷主機。單軸追蹤式小型線形Fresnel聚光系統(tǒng)以其能夠提供較高溫度、較低的風載荷、重力負載分布均勻、較高的地面使用率及易于維修等特點而使得建筑一體化冷熱電技術成為可能,因此歐洲諸國2005年后積極開發(fā)基于此技術的太陽能空調。4太陽能空調的發(fā)展前景綜上所述,國外太陽能空調研究已經是低碳建筑技術的重要開發(fā)方向,得益于官產學研用的重視,歐洲地區(qū)不僅在大型太陽能空調工程方面取得進展,而且在小型家用型太陽能空調樣機方面成績斐然;國內方面,僅限于少數國家級的示范開發(fā)項目比較成功,但多家企業(yè)已經投入太陽能空調的樣機示范并準備將其產業(yè),由于產業(yè)政策配套等多方面原因,我國太陽能空調的開發(fā)工作仍然落后于歐洲等先進國家。隨著對建筑節(jié)能的日益重視,未來中國企業(yè)發(fā)展低碳建筑技術前景廣闊,降低太陽能空調的初投資成本和發(fā)展太陽能復合建筑供能系統(tǒng),是未來產業(yè)界所面臨的主要任務,繼續(xù)深入開發(fā)太陽能建筑一體化技術及深入優(yōu)化太陽能空調運行技術是推廣太陽能空調的關鍵。(1)在開發(fā)大型太陽能中央空調系統(tǒng)的同時注重小型戶式太陽能空調系統(tǒng)的開發(fā),商用和戶式技術同時開發(fā),更容易促進太陽能空調的推廣;(2)建筑一體化的高效集熱技術:高效的建筑集熱構件設計及聚光系統(tǒng)的開發(fā),同時注意太陽能空調工程的整體美感;(3)低品位能量制冷技術:如低溫吸收式制冷,吸附制冷,噴射式制冷等技術,歐洲各類太陽能空調工程較國內豐富得多;(4)