太陽能空調(diào)的工作原理解析

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?；制冷機(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(guó)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(guó)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(guó)新能源科普公園”?？破展珗@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(zhǎng)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(yíng)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(cè)試二極管，電磁閥，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)

　?。?）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?，有利于集熱器充分發(fā)揮作用。

　?。?）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(cè)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。

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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?jī)?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(duì)空調(diào)的迫切要求一致；

　?。?）傳統(tǒng)的壓縮式制冷機(jī)以氟里昂為介質(zhì)，它對(duì)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(duì)保護(hù)環(huán)境十分有利；

　?。?）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?cè)趶?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：

　?。?）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(duì)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；

　?。?）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(duì)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(duì)夏季空調(diào)的要求越來越強(qiáng)烈，安裝空調(diào)已成為我國(guó)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(shì)，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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，無噪聲，尤其在航空、航天等特殊領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

　　對(duì)于太陽能制冷技術(shù)，因?yàn)橐疹櫟郊療崞鞯男实?，就不得不采用比較低的熱源溫度。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(shì)

　　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(zhǎng)期檢驗(yàn)）已經(jīng)投放市場(chǎng)。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。