太陽能制冷系統(tǒng)的研究

1、太陽能制冷系統(tǒng)的研究白寧，李戩洪，馬偉斌（中國科學(xué)院 廣州能源所 太陽能實驗室，廣東廣州510640）摘要：介紹了不同形式的太陽能吸收式和吸附式制冷系統(tǒng)的工作原理及工作特性，分析了當(dāng)今以吸收式和吸附式為主流的太陽能制冷系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出太陽能制冷系統(tǒng)真正達到可行性及實用性所需改善的環(huán)節(jié)。關(guān)鍵詞：太陽能；制冷系統(tǒng)；吸收制冷；吸附制冷；制冷效率Analysis of the solarpowered systems for coolingBAI Ning, LI Jianhong, MA Weibin(Solar Energy Lab of Guangzhou Institute of Energ

2、y Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract:This paper describes the working principles and performance characteristics of various solarpowered absorption and solid absorption cooling systems，analyses current trends in solarpowered chillersadvantages and disadvan

3、tages，puts forward its feasibility and some details wanted to be improved.Keywords:solar energy; cooling system; absorption refrigeration; refrigerating officiency 利用太陽能制冷空調(diào)有兩種方法，一是先實現(xiàn)光一電轉(zhuǎn)換，再以電力推動常規(guī)的壓縮式制冷機制冷；二是進行光一熱轉(zhuǎn)換，以熱能制冷。前者系統(tǒng)比較簡單，但其造價約為后者的34倍，因此國內(nèi)外的太陽能空調(diào)系統(tǒng)至今以第二種為主。太陽能致冷的方法有多種，如壓縮式制冷、蒸汽噴射式制冷、吸收式制冷

4、等。壓縮式制冷要求集熱溫度高，除采用真空管集熱器或聚焦型集熱器外，一般太陽能集熱方式不易實現(xiàn)，所以造價較高；蒸汽噴射式制冷不僅要求集熱溫度高，一般說其制冷效率也很低，約為0.20.3左右的熱利用效率；吸收式制冷系統(tǒng)所需集熱溫度較低，大約7090即可，使用平板式集熱器也可滿足其要求，而且熱利用較好，制作容易，制冷效率可達0.60.7，所以一般采用也多，但設(shè)備龐大，影響推廣。0引言太陽能制冷有著眾多的優(yōu)點：因為夏季太陽能的提供與制冷空調(diào)的需求有很好的一致性，而制冷耗能占建筑耗能的很大份額，太陽能制冷雖然不能完全滿足制冷耗能的要求，但也可以在很大程度上緩解能源的緊張狀況；礦物質(zhì)燃燒時向大氣釋放大量的

5、硫化物和氮化物造成空氣的污染，還會產(chǎn)生溫室效應(yīng)，而太陽能是最清潔的能源，利用太陽能不會產(chǎn)生這些環(huán)境問題。1太陽能吸收式制冷吸收式制冷是液體氣化制冷的一種，它和蒸汽壓縮式制冷一樣，是利用液態(tài)制冷劑在低壓低溫下氣化來達到制冷的。所不同的是：蒸汽壓縮式制冷是靠消耗機械功使熱量從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移；而吸收式制冷則靠消耗熱能來完成這種非自發(fā)過程。按驅(qū)動熱源的利用方式分，吸收式制冷又可分為：單效式，雙效式、多效式和多級循環(huán)系統(tǒng)。吸收式制冷機與壓縮式比較有如下優(yōu)點：熱源溫度要求低，可以在比較大的熱源溫度波動范圍內(nèi)工作；活動部件少；對環(huán)境無害，環(huán)保。圖1為典型的單效吸收式制冷流程圖。11太陽能單效吸收式制

6、冷機在20世紀(jì)70年代，人們進行了大量的太陽能吸收式制冷系統(tǒng)課題的研究，在這個期間所采用的系統(tǒng)大多都是以中低溫的太陽能集熱器驅(qū)動的單效的溴化鋰制冷機。第一臺由太陽能驅(qū)動的單效溴化鋰制冷機1是由燃油或燃?xì)獾闹评錂C改造而來的，但是由于對蒸發(fā)器改造不完善，這臺制冷機的制冷能力被嚴(yán)重削弱，遠(yuǎn)低于以常規(guī)能源來驅(qū)動的制冷機。后來經(jīng)過對這臺制冷機各部件的重新設(shè)計和對蒸發(fā)器的特別改造，這臺制冷機在太陽能驅(qū)動下就可以高效的工作了。第一臺投入商業(yè)運營的太陽能制冷機是由美國印第安那州Arkla Industries生產(chǎn)的3TRSolaire2，當(dāng)時這臺制冷機在太陽能制冷業(yè)界眾所周知。單效式吸收式制冷機的最佳工作溫度

7、是在80100，它的極限COP值在0.7左右。在冷卻水溫度為30，制備9冷凍水的情況下，制冷機在熱源溫度為80時，COP值即可達到0.7，在85后即使再增加熱源溫度，制冷機的COP值也不會有顯著的變化了。在相同冷卻水和冷凍水溫度的條件下，單效式制冷機在熱源溫度低于65后COP值會急劇的下降，到了50時，單效式制冷機的COP值降為0，無法產(chǎn)生冷量。由以上的分析可知單效式吸收制冷機的COP值相對來說不高，同時它對熱源溫度的要求也不高。太陽能集熱器是影響太陽能制冷系統(tǒng)造價的一個重要因素。由于平板集熱器不具備聚焦陽光的功能，其工作溫度一般限于100以下，根據(jù)單效吸收式制冷機對熱源要求不高的特點通常采用

8、平板集熱器作為單效吸收式制冷機的熱源。在價格方面平板集熱器比真空管集熱器或聚光集熱器要低許多，這樣既可以滿足制冷機對熱源溫度的需要，又可以降低系統(tǒng)造價。 1.2太陽能雙效及三效吸收式制冷機單效吸收式制冷機的熱源溫度受到了濃溶液結(jié)晶的限制，為了充分利用高溫?zé)嵩?，雙效及三效的吸收式制冷機應(yīng)運而生。雙效吸收式制冷機與單效相比，多了一個高壓發(fā)生器、一個高溫溶液熱交換器、一個凝水換熱器。它的工作原理如下：在高壓發(fā)生器中，稀溶液被高壓蒸汽加熱，在較高壓力下產(chǎn)生出制冷劑蒸汽。稀溶液濃縮成中間溶液。再將這部分蒸汽通入低壓發(fā)生器作為熱源，加熱高壓發(fā)生器經(jīng)高溫溶液熱交換器流至低壓發(fā)生器中的中間溶液，使之

9、在冷凝壓力下再次產(chǎn)生冷劑蒸汽，中間溶液濃縮成濃溶液。高壓蒸汽的能量在高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器中兩次得到利用，故稱為雙效循環(huán)。與單效循環(huán)相比，產(chǎn)生同樣制冷量所需的熱源加熱量減少，所以雙效機組的熱效率比單效機組高。根據(jù)上述原理，進行擴展就是三效循環(huán)。由于利用了高溫?zé)嵩矗p效吸收式制冷機的COP值可以達到1.01.2，而三效的可達1.7，這比單效的COP值有了顯著的提高。圖2清晰地比較了在相同的工況下單效、雙效、三效制冷機熱源溫度和COP值之間的關(guān)系。從圖中可以看出，在熱源溫度為80100時單效式工作在最佳的狀態(tài)，即使再增加熱源的溫度，制冷機的COP值也不會顯著地提高。顯然熱源溫度超過100時，使用雙

10、效式制冷機就可以明顯提高COP值，同理當(dāng)熱源溫度達到160時，三效式制冷機就可以滿足要求。值得注意的是，不管是那個形式的制冷機，他們都存在一個最低的臨界熱源溫度，當(dāng)熱源溫度低于這個值時，它們的COP值就會急劇下降，這也是我們?yōu)槭裁幢仨氃谔柲苤评湎到y(tǒng)中設(shè)置后備熱源的原因。雖然雙效或三效制冷機的COP值比單效的高，但是為了滿足它們工作的熱源溫度，太陽能集熱器必須采取CPC或真空管式，這將增加太陽能制冷系統(tǒng)的集熱器的造價。到底是哪種形式更適于太陽能制冷，Gershon Grossman對單效、雙效、三效的溴化鋰吸收式制冷機做了比較。在比較中假設(shè)：（1）在59月的制冷季所有制冷機每天工作8h；（2）

11、制冷機制備7的冷凍水，冷卻水溫度為30；（3）太陽能制冷系統(tǒng)包括集熱器、儲熱水箱和輔助設(shè)備，它們的安裝費用按照集熱器費用的1.5倍計算。比較結(jié)果列于表1。表1清晰地表明，影響太陽能制冷系統(tǒng)造價的最主要因素就是太陽能熱利用系統(tǒng)的造價。太陽能單效吸收式制冷所需最為簡單，但是系統(tǒng)造價并非最低。雙效或三效系統(tǒng)具有較高的COP值，相應(yīng)的每千瓦冷量所需的集熱器面積要比單效的小，但是三效式的對集熱器的類型要求高（需要高溫的集熱器），所以系統(tǒng)的總造價最高。雙效和單效太陽能制冷系統(tǒng)的總的造價相差并不是太大，而三效的太陽能系統(tǒng)由于對集熱器的要求高，其造價就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種類型。從表1也不難得到結(jié)論，要使能利用高溫

12、熱源，COP值高的太陽能三效吸收式制冷機更有競爭力，當(dāng)前的挑戰(zhàn)是如何降低高溫集熱器的價格。23太陽能二級吸收式制冷二級吸收式機組是由高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器、冷凝器及高壓吸收器組成，與單效機組相比，分別增加了一個發(fā)生器、吸收器和溶液熱交換器。其工作流程分為兩個部分4：一部分從低壓吸收器出來的稀溶液，由溶液泵經(jīng)第二熱交換器升溫后進入低壓發(fā)生器濃縮，濃縮后的濃溶液再經(jīng)第二熱交換器回到低壓吸收器吸收；另一部分從高壓吸收器出來的稀溶液由溶液泵經(jīng)第一熱交換器升溫后送入高壓發(fā)生器濃縮，濃縮后的濃溶液再經(jīng)過第一熱交換器回到高壓吸收器進行吸收。高壓發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽進入冷凝器冷凝，冷卻成冷劑水，冷凝器出來的冷

13、劑水經(jīng)節(jié)流后進入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，低壓吸收器吸收來自蒸發(fā)器的冷劑蒸氣，以保證蒸發(fā)壓力。低壓發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽由高壓吸收器直接吸收。二級吸收式制冷機可以充分利用低溫?zé)嵩?，雖然這種制冷機COP值較低，只有0.4左右，但是比起單效的吸收制冷機卻有著顯著的優(yōu)點5：（1） 由于系統(tǒng)可以在較低的熱源溫度工作，所以集熱器可以在較低的溫度下工作，因此集熱器的熱利用率較高。（2）二級吸收式制冷機可以在較大的熱源溫度范圍內(nèi)，保持穩(wěn)定的工作狀況，這使得在太陽輻射不穩(wěn)定的情況下，制冷機仍然可以穩(wěn)定地工作。（3）制冷機可以在較低的熱源溫度下工作，使系統(tǒng)應(yīng)用簡單且低價的太陽能集熱器成為可能，太陽能制冷系統(tǒng)的造價也可大幅度

14、降低。（4）由于二級吸收式制冷機的工作溫度在6585，這使得太陽能制冷和太陽能供熱水的整合更加方便。（5）由于工作溫度低,這種制冷機的COP值相應(yīng)也要降低,但其對熱源利用溫差大的優(yōu)勢足以彌補這個不足。因此，單以COP值來衡量這種制冷機的性能是不全面的，還應(yīng)該看它的NB06E效率。此外，回水溫度低的特點，使得它更適合太陽能的利用，也有助于提高太陽能系統(tǒng)的效率。我國第一座在廣東省江門投入運行的100kW大型實用型太陽能空調(diào)熱水系統(tǒng)就是運用了兩級吸收式制冷機，該制冷機負(fù)責(zé)為600m2的教育中心供冷，取得了良好的效果。3太陽能吸附式制冷吸附式制冷機由固定吸附床、冷凝器、蒸發(fā)器三大部件以及節(jié)流閥、連接管

15、路和一些輔助設(shè)備組成。吸附劑和與其配合的吸附質(zhì)一起形成吸附式制冷工質(zhì)對。吸附式制冷根據(jù)吸附劑與吸附質(zhì)之間作用關(guān)系不同，可分為物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附是依靠吸附劑與吸附質(zhì)分子之間的弱范德華力來實現(xiàn)吸附過程的?；瘜W(xué)吸附是吸附分子與吸附劑表面分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成表面絡(luò)合物的過程。吸附工質(zhì)對性能、吸附床的傳熱傳質(zhì)是影響吸附制冷效果的主要因素。吸附工質(zhì)對的熱力性質(zhì)對系統(tǒng)性能系數(shù)、設(shè)備材料、一次性投資影響頗大。目前，從吸附劑的實用性來看，沸石、活性炭、硅膠、氯化鈣等體系占有重要位置。當(dāng)今化學(xué)吸附制冷越來越受到重視，化學(xué)吸附工質(zhì)對的研究也受到各國學(xué)者的關(guān)注。吸附床中的傳熱強化，可以從改善吸附介質(zhì)的傳熱

16、性能和采用先進的吸附床結(jié)構(gòu)這兩方面來考慮。前者的主要研究內(nèi)容是研制具有高導(dǎo)熱性能的復(fù)合吸附劑，后者則研究采用具有更好換熱效果的換熱器7。太陽能驅(qū)動的吸附式制冷系統(tǒng)有兩種基本類型：一種是利用晝夜交替實現(xiàn)自然循環(huán)的間歇式制冷循環(huán)；另一種是多個吸附床交替地進行吸附和脫附，并有熱量在吸附床之間發(fā)生交換的連續(xù)性回?zé)崾窖h(huán)系統(tǒng)。本文只簡要介紹一下第一種太陽能吸附制冷系統(tǒng)的工作原理，其工作原理分為兩步8：（1）受熱脫附。白天，吸滿制冷劑的吸附劑床層從太陽吸取解吸熱，溫度升高，制冷劑從多孔的吸附劑中脫附出來，使系統(tǒng)中制冷劑蒸氣壓力升高，達到冷凝壓力后，制冷劑蒸氣在冷凝器中放出冷凝潛熱并冷凝成液態(tài)后流到蒸發(fā)器中

17、儲存起來。蒸發(fā)器起到儲液罐的作用。（2）吸附制冷。夜間環(huán)境溫度降低，吸附劑放出吸附熱并重新吸附制冷劑蒸汽，系統(tǒng)中制冷劑蒸汽壓力降低，從而使儲存在蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑從冷凍室吸收熱量而氣化制冷。雖然常規(guī)的太陽能固體吸附制冷系統(tǒng)的COP值很少有超過0.15的，就是采用真空管太陽能吸附的模擬系統(tǒng)COP值也只有0.259，但是太陽能吸附式制冷與壓縮式和吸收式制冷相比有著較為突出的特點。吸附式制冷可采用低品位熱能作為驅(qū)動能源，特別是適合采用能量密度低的太陽能；它所使用的是無污染或少污染的工質(zhì)對；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、可靠；操作簡便；無運動部件、使用壽命長、運轉(zhuǎn)費用低廉、無噪聲。吸收式制冷機絕大部分適用于大中型系

18、統(tǒng)，不適用于小型空調(diào)，而固體吸附式制冷工藝卻適用于小型裝置，能夠單獨由太陽能驅(qū)動運行，冷凝器用空氣自然冷卻，對家庭小型應(yīng)用，改善生活條件及邊遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)療、冷藏具有良好的應(yīng)用前景。但是，目前太陽能吸附式制冷系統(tǒng)仍然難以從實驗室邁向產(chǎn)業(yè)化，關(guān)鍵問題在于制冷效率低，難與其他形式的制冷系統(tǒng)相比。雖然，不斷有各種太陽能吸附式制冷樣機的報道，但商業(yè)化利用仍有較大的差距。為了能加速太陽能吸附式技術(shù)的實用化進程，如下一些工作有待于進一步加強10、11：（1）考慮吸附速度的影響。當(dāng)前的吸附式制冷機機理均建立在平衡吸附的基礎(chǔ)上，而實際循環(huán)周期已經(jīng)大大縮短（約30 min），因此在吸附系統(tǒng)的分析研究中必須引入“非吸附

19、平衡的概念”，將吸附率歸結(jié)為吸附劑溫度與被吸附蒸汽的壓力以及吸附時間的函數(shù)。（2）提高集熱器的集熱效率。為減輕集熱器對大氣空間的熱輻射和更好地吸收太陽能輻射能量，盡可能的選取帶有吸收膜的平板集熱器或拋物面集熱器，同時，為減少傳熱損失，集熱器與發(fā)生器可做為一體。（3）改善吸附床內(nèi)的傳熱傳質(zhì)。吸附床傳熱過程中溫度不均勻性是導(dǎo)致實際循環(huán)與理想循環(huán)偏離的一個重要原因，提高吸附床傳熱性能大致可采取增大換熱面積和增強導(dǎo)熱性能減少熱阻的方法。（4）優(yōu)化設(shè)計太陽能吸附式制冷系統(tǒng)中的主要部件，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)匹配。（5）深入開展吸附制冷材料的研究。繼續(xù)對以沸石分子篩等為基材的吸附制冷材料的改性復(fù)合，使之較大幅度

20、提高吸附量；同時降低吸附材料的脫附溫度，使之更適用于太陽能驅(qū)動的吸附制冷系統(tǒng)。4太陽能制冷系統(tǒng)的效率太陽能制冷系統(tǒng)的效率主要受兩方面因素的影響：一個是制冷機的效率(COP),另一個是太陽能集熱器的效率。制冷機的COP隨著驅(qū)動溫度和蒸發(fā)溫度的上升而上升，太陽能集熱器的效率隨著太陽輻射強度的上升而增大，隨著介質(zhì)溫度的上升而減小。如果將太陽能集熱器效率與制冷機的COP值相乘就可以得到太陽能空調(diào)系統(tǒng)的總效率，由此可見,為了獲得最高的系統(tǒng)總效率，必須合理地選擇太陽能集熱器和制冷機，使其兩者的效率乘積為最高。在太陽能輻射強度不同的地區(qū)，采用不同的集熱器與太陽能制冷機搭配，不僅可以提高太陽能制冷系統(tǒng)的效率，

21、而且可以降低太陽能制冷系統(tǒng)的造價，這對于發(fā)揮太陽能制冷系統(tǒng)的優(yōu)勢和其推廣運用是及其關(guān)鍵的措施。太陽能具有間斷性和不穩(wěn)定性的特點，所以不論是何種太陽能驅(qū)動的制冷系統(tǒng)，為了保持穩(wěn)定的制冷工況，輔助熱源都是必不可少的。一個好的太陽能制冷系統(tǒng)，不僅必須保證在任何條件下都能達到要求的制冷量，而且要求在任何情況下都能最大限度的利用太陽能。由于輔助熱源設(shè)計的復(fù)雜性，本文就不再涉及，讀者可查閱其他文獻。5結(jié)論雖然世界上已有太陽能制冷系統(tǒng)投入商業(yè)運營，但是距離大規(guī)模的應(yīng)用還有很大的差距，如何降低太陽能制冷系統(tǒng)的造價使之更加廣泛地走向商業(yè)化應(yīng)用是當(dāng)今太陽能制冷領(lǐng)域的主要研究課題。要解決這一課題的關(guān)鍵主要有以下幾方

22、面：（1）研究出更加適應(yīng)于太陽能利用的制冷機組（其主要方向是吸收式制冷和吸附式制冷）。（2）加大對太陽能集熱器的研究力度，進一步提高當(dāng)前集熱器的集熱效率和降低其造價。（3）將太陽能制冷和太陽能供應(yīng)熱水切實合理地整合，真正使高品位和低品位的太陽能輻射各盡其用，達到系統(tǒng)全年的運行。 參考文獻1Auh，P C. An overview of absorption cooling technology in solar applicationsA.In Proceedings，The 3rd Workshop on the Use of Solar Energy for Cooling of BuildingsC.February，San Francisco，California，14.2 Merrick R H. Development of unit