神奇的太陽能空調技術

劉樹偉

太陽能是一種清潔的綠色可再生能源，它儲量大、分布廣，還可以就地開發(fā)。目前人們利用太陽能的主要方式是太陽能發(fā)電和太陽能制熱，但是對于太陽能制冷技術，大部分人還是比較陌生。

普通壓縮式空調的用電量很大，尤其是炎熱的夏季，一般民用建筑物，如酒店、辦公樓、醫(yī)院等，空調耗能之大已占總耗能的50％以上，給能源、電力和環(huán)境造成了很大的壓力。而我國太陽能資源十分豐富，其中三分之二以上的地區(qū)利用太陽能的條件都相當好。在這種情況下太陽能空調無疑具有非常廣闊的發(fā)展前景。

太陽能用于空調制冷，其最大的優(yōu)點在于季節(jié)匹配性好，即太陽能空調系統(tǒng)的制冷能力是隨著太陽能輻射的增大而增大的，這正好與人們對夏季空調的迫切需求相匹配。太陽能空調在環(huán)保、節(jié)能方面也顯示出無與倫比的優(yōu)越性，所用的制冷劑都是無毒、無害的，幾乎對環(huán)境沒有任何影響，制冷過程中也無廢料產生。

太陽能制冷系統(tǒng)可以直接以太陽輻射為驅動能源，有吸收式制冷、吸附式制冷和噴射式制冷等；也可以以太陽能產生的機械能為驅動能源，有壓縮式制冷、光電式制冷和熱電式制冷等。冷熱聯供是比較實用的設計方案，例如太陽能吸收式空調系統(tǒng)結合了太陽能供熱系統(tǒng)和太陽能供冷系統(tǒng)后，除了夏季提供制冷空調以外，還可以在冬季提供采暖和全年提供生活用水。綜合來說太陽能吸收式空調系統(tǒng)是目前應用最多的也是最具有發(fā)展前景的，我們就以這種吸收式空調系統(tǒng)為例進行介紹。

太陽能吸收式空調系統(tǒng)主要由太陽集熱器和吸收式制冷機兩部分構成。

太陽能集熱器

太陽能集熱器是指吸收太陽輻射并將產生的熱能傳遞到傳熱工質的裝置。集熱器是組成各種太陽能利用系統(tǒng)的關鍵部件，不同的集熱方法形成了不同的集熱器類型，概括的講主要分為：非聚焦式的平板型太陽能集熱器、真空管太陽能集熱器、聚焦型太陽能集熱器和太陽能空氣集熱器。平板型集熱器是當今應用最廣泛的太陽能集熱產品，它結構簡單、采光面積大、工作可靠、成本低，缺點是提供的熱源溫度較低。真空管太陽能集熱器是在平板型太陽能集熱器的基礎上發(fā)展起來的新型太陽能集熱器。由于吸熱體和玻璃管之間的夾層保持高度真空而且涂有選擇性吸收涂層，真空管太陽能集熱器在高溫和低溫環(huán)境下仍有優(yōu)良的熱性能，但是其成本較高。聚焦型太陽能集熱器是將一定面積上的太陽能集中到更小的面積上，因而能獲得優(yōu)質的高溫熱能，但是其成本同樣較高。在目前的太陽能制冷應用中比較多的使用平板型集熱器。

吸收式制冷機

吸收式制冷是利用兩種物質所組成的二元溶液作為工質來進行的。這兩種物質在同一壓強下有不同的沸點，其中高沸點的組分稱為吸收劑，低沸點的組分稱為制冷劑。吸收式制冷就是利用溶液的濃度隨其溫度和壓力變化而變化，將制冷劑與溶液分離，通過制冷劑的蒸發(fā)而制冷，又通過溶液實現對制冷劑的吸收。常用的吸收劑一制冷劑組合有兩種：一種是溴化鋰——水，通常適用于大型中央空調；另一種是水——氨，通常適用于小型家用空調。兩者工作原理相似，我們以溴化鋰吸收式制冷機為例介紹其工作原理。

溴化鋰——水吸收式制冷機工作原理：

溴化鋰吸收式制冷機以熱能為動力，以水為制冷劑，溴化鋰溶液為吸收劑，制取高于0℃的冷量。為了實現連續(xù)制冷，將已蒸發(fā)的制冷劑通過一定手段恢復到液體狀態(tài)，實現制冷連續(xù)。其工作原理如圖1所示。

如圖1所示，制冷機主要有發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、換熱器、循環(huán)泵等組成。太陽能集熱器產生的熱媒水流經發(fā)生器加熱其中的溴化鋰溶液，溶液中的水不斷汽化，使得發(fā)生器內的溴化鋰溶液濃度不斷升高，進入吸收器，而產生的水蒸氣進入冷凝器。水蒸氣進入冷凝器后，被冷凝器中的冷卻水降溫凝結，成為高壓低溫的液態(tài)水。當冷凝器內的高壓液態(tài)水通過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器時，由于壓力突變急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收蒸發(fā)器內冷媒水的熱量，從而達到降溫制冷的目的。在此過程中，低溫水蒸氣進入吸收器，被吸收器內的溴化鋰濃溶液吸收，溶液濃度逐步降低，再由循環(huán)泵送回發(fā)生器，完成整個循環(huán)過程。如此反復循環(huán)，不斷制冷。換熱器的作用是為了提高稀溶液進入發(fā)生器的溫度，節(jié)省加熱稀溶液的熱量，提高整個裝置的熱效率。

以上介紹的溴化鋰吸收式制冷機是單級吸收式制冷，即系統(tǒng)只采用單級發(fā)生器，它的COP一般在0.75以下。為了進一步提高COP和減少加熱功率，可以采用兩級吸收式制冷，甚至更高。圖2顯示了單雙和三級系統(tǒng)的熱源溫度和COP的關系。

可以看出，雙級和三級的COP升高了，制冷量也提高了，但是其對工作熱源的溫度要求也提高了，這就要求我們采用更好的集熱器。就目前的成本而言雙效和三效吸收要比單效高很多。

溴化鋰吸收式制冷機的優(yōu)缺點：

溴化鋰吸收式制冷機有很多優(yōu)點：可利用低位勢熱能制冷；只有小功率的屏蔽泵為運動部件，運轉安靜；以溴化鋰水溶液為工質，無毒、無臭、無害；制冷機在真空狀態(tài)下運行，無爆炸危險，安全可靠；制冷量調節(jié)范圍廣，對外界條件變化的適應性強。

溴化鋰吸收式制冷機的主要缺點：溴化鋰水溶液對一般的金屬有較強的腐蝕性，影響機組的正常運行；因為是水溶液，對機組的氣密性要求高；濃度過高或過低時，溴化鋰水溶熱均容易形成結晶，影響正常運行。

太陽能吸收式空調系統(tǒng)工作原理

圖3是一個加有輔助熱源的大型太陽能吸收式空調系統(tǒng)工作原理圖。輔助熱源能保證空調系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)的工作。

在夏季，被太陽能集熱器加熱的水進入儲水箱，當熱水溫度達到一定值時，儲存在儲水箱中的水作為熱媒水供給吸收式制冷機。從吸收式制冷機流出并已經降溫的熱水流回到儲水箱，再由太陽能集熱器加熱成高溫熱媒水。制冷機產生的冷媒水流到空調箱，完成降溫功能。當太陽能不足以提供高溫的熱媒水時，可由輔助鍋爐補充熱量。

在冬季，同樣太陽能集熱器加熱的熱水進入儲水箱，當熱水溫達到一定值時，從儲水箱直接向空調箱提供熱水，達到供熱采暖的目的。生活用熱水由生活用熱水箱提供。太陽能功率不足時由輔助鍋爐提供。

推廣應用前景

雖然太陽能空調開始進入實用化階段，希望使用太陽能空調的用戶不斷增加，但目前已經實現商品化的產品大都是大型的溴化鋰制冷機，只適用于單位的中央空調。對此，空調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，以便與太陽集熱器配套逐步進入家庭。目前制約太陽能空調發(fā)展的主要因素仍是成本問題，其原因在于太陽能集熱器在成本中占有很高的比例，造成初始投資偏高。但是我們相信隨著太陽能技術的不斷發(fā)展和常規(guī)能源價格的持續(xù)上漲，太陽能空調系統(tǒng)的投資將越來越低，系統(tǒng)性能將越來越好，運行經濟性和環(huán)保效益將更加突出。太陽能空調系統(tǒng)必將擁有廣闊的應用前景。