基于太阳能辐射技术的热能转换空调制冷技术研究

基于太阳能辐射技术的热能转换空调制冷技术研究

吴艳林

关键词：太阳能辐射技术；热能转换；空调制冷

在目前能源紧张，各种能源价格飞涨的形势下，国家将目光投向了可再生能源，由于这种能源可再生，取之不尽、用之不竭。同时，可再生能源对环境友好，对地球及人类的生存环境的危害几乎可以忽略不计。在可再生能源中，太阳能无疑是最引人瞩目的，在太阳能利用领域，太阳能空调技术也有一定的发展。

一、太阳能空调制冷技术途径

图1是利用太阳能实现供热及制冷的可能技术途径，主要包括太阳能转换为热能，利用热能供热制冷；以及将太阳能转换为电能，利用电能驱动相关设备供热制冷两大类型。根据需求，太阳能制冷过程也能够实现从空调到冷冻温区的不同要求。图的左侧反映了太阳能收集及转换环节，其中太阳能集热器是将太阳辐射转变为热能的装置，目前主要有三种类型，即平板式、真空管式和聚焦式集热器，获得的集热温度依次递增。根据太阳能集热器集热温度的不同，可直接用于热水供应和采暖等，还能够驱动吸收式、吸附式、喷射式、除湿空调，化学反应等过程获得制冷效应。还能够将太阳辐射通过光伏效应或热发电等途径转变为电能，之后通过电能驱动蒸汽压缩制冷循环、斯特林循环和热电效应实现制冷过程。此外，通过特定的可逆吸热和放热反应，太阳能热源也能够达到一定条件下的制冷要求。

在各种太阳能制冷转换途径中，太阳能热驱动空调可以和目前广泛使用的太阳能热水和采暖系统紧密结合，构成太阳能综合利用系统，从而实现太阳能利用和季节变化的最佳匹配。即采用一套太阳能集热器做到冬季采暖、夏季空调、四季热水供应等，因此能与建筑结合在建筑能源结构中起着重要的作用，这也是实现太阳能规模化、低成本利用的理想途径之一。

二、太阳能应用制冷系统

常用的太阳能热驱动空调制冷技术，主要有四大类，即吸附式、吸收式、除湿空调和喷射式制冷。从目前太阳能制冷技术应用情况来看，我国的太阳能空调应用示范项目中，太阳能吸收式空调约占45%，除湿空调约占40%，吸附式空调约占15%。

1、吸收式。太阳能集热器用于收集太阳能来驱动吸收式制冷系统，这是我国在一些示范项目中应用最广泛的太阳能空调方式。根据制冷工作的不同，太阳能吸收式制冷机主要有氨吸收式制冷机和溴化锂吸收式制冷机。

1）氨－水吸收式太阳能空调。氨－水吸收式制冷机是以H20为吸收剂，以NH3为制冷剂，使用热量为补偿，并使用溶液的特性进行制冷。氨－水吸收式太阳能空调是使用太阳能转化为热能获得制冷效应的重要技术途径。氨－水吸收式太阳能空调集热器采用太阳能真空管和平板集热器，工作介质热源温度80～160℃，额定空调COP为0.5～0.6，系统规模大于5kW。它的优点是可以满足从冷冻到空调区域的温度要求。氨吸收式制冷机在0℃以下的低温可以制取，而且制冷工作介质不会发生结晶现象，容易实现风冷化。其缺点是，氨有毒，具有刺激性臭味，需要精馏装置，系统复杂，制冷机内部压力较高，容易发生泄漏而引起危险，而且需要的热源温度较高，制冷系数较低，并限制其发展。

2）溴化锂－水吸收式太阳能空调。溴化锂吸收式制冷机是以LiBr为吸收剂，以H20为制冷剂，使用溶液浓度变化来完成制冷循环，其能够夏季制冷、冬季制暖，而且全年提供生活热水。溴化锂－水吸收式太阳能空调集热器使用真空管或平板集热器，工作介质热源温度大于65℃，额定空调COP为0.4，系统规模大于100kW。

2、吸附式。太阳能空调也存在因太阳辐射的昼夜变化而存在的运转间歇性。最简单的解决方案是使用贮存太阳能制冰机生产的冰块进行有限范围内的冷却。它的缺点是不能连续制冷，同时由于蒸发温度不高，系统的效率也较低。将太阳能吸附制冷装置适当提高系统的蒸发温度，并辅以储能措施，克服太阳能系统运转间歇性问题，从则构成太阳能空调。一种连续稳定运转的太阳能储能转换空调系统，使用固体吸附制冷原理，将太阳能辐射转化为驱动吸附制冷系统运转的动力，通过吸附势能和物理显热贮存相结合，克服太阳能空调系统运转存在的间歇性、制冷量输出不易调节等缺点，并能使用吸附过程中产生的吸附热为用户生产一定温度的热水。

吸附工质为沸石-水或活性炭-甲醇。蒸发贮液器采用提高制冷剂溶剂容积的方法实现冷量存储，存储冷量的目的是与风机盘管结构相结合，对冷量输出进行调配。蒸发贮液器储存的冷量形式为物理显热。吸附势能的存储通过解吸吸附进行制冷的能力，将吸附床储备起来，在需要时与蒸发器连接即可吸附制冷。此储能方式和显热储能相比，不存在和周围环境的温差，且易于调节。也就是说，可以通过太阳能对吸附床加热解吸，实现太阳辐射向吸附剂吸附势能的转变。吸附势能存储。另一个特点是它能够长期贮存，并且在吸附势能释放时即能制冷，又可以向外界提供吸附热供热。当使用活性炭-甲醇工质时，吸附制冷能力储存量随蒸发温度和冷凝温度的变化而变化。

该系统运行可靠、易于维护。以开发20m2居室太阳能空调为例，如果空调每天制冷8h，每平方米房间空调制冷负荷为100W，则每天需要57600KJ制冷量。如果系统COP在0.2-0.3之间，日辐照度为1000W，使用5-8平方米的吸附集热器面积能够满足制冷负荷要求，需要吸附剂300-500kg，制冷剂75-120kg，还需蒸发贮液器一台，及风机盘管、真空阀门、冷凝器、温度流量控制器等。

3.除湿空调。太阳能除湿冷却空调的过程实际上是直流式蒸发冷却空调过程，它不借助专门的制冷机工作。它使用吸湿剂（如氯化锂、硅胶等）对空气除湿，之后以水为制冷剂，在空气中蒸发降温，调节房间的温度与湿度，用过的吸湿剂被加热进行再生。其原理是室外空气通过除湿转轮后湿度降低，温度升高，通过热交换器被空调排风冷却，然后进入蒸发加湿器进行蒸发后降温，变成低温饱和空气进入房间，在房间内被其热负荷加热后温度升高变成不饱和空气，房间不饱和排风通过第二级的蒸发冷却后温度降低，通过热交换器对除湿后的房间送风进行冷却后温度升高，然后进入太阳能空气集热器进一步升温，太阳能空气集热器的出风对除湿转轮中的吸湿剂再生后排入室外大气。上述过程中，吸湿剂使用的是固体吸湿剂，太阳能集热器使用的是太阳能空气集热器，吸湿剂还可以采用液体吸湿剂，如氯化锂、氯化钙和溴化锂的水溶液等，集热器也可以使用液体集热器，然后通过热交换器来加热再生用的热风。

4、蒸汽喷射式。太阳能蒸汽喷射制冷是通过太阳能集热器加热，使低沸点工作介质变为高压蒸汽，通过喷射管时因流出速度高、压力低，在吸入室周围吸引蒸发器内生成的低压蒸汽进入混合室，从而使制冷剂在蒸发器中汽化，以达到制冷效果。

三、结语

太阳能基本“用之不尽，取之不竭”，而且其分布广泛，具有再生能力强、可循环利用、清洁性高等特点，在未来能源结构中占有十分重要的地位。最大化的使用太阳能来进行各种能源供给，能最大程度的实现低成本、环保等目的。夏季太阳能辐射轻度与空调制冷负荷有很好的一致性，这使太阳能辅助空调具有特定的优点。将太阳辐射转变为热能，通过热能实现制冷的方式最具有应用前景，也是一种实用的低碳环保节能技术，具有一定的推广应用价值。

参考文献

[1]王如竹．吸附式制冷[M]．北京：机械工业出版社，2016.

[2]太阳能空调制冷技术[M]．太阳能学术论文集，2017.

[3]代彦军，王如竹.太阳能制冷讲座（1）太阳能空调制冷技术[J].太阳能，2016，（5）：20-26.