太陽(yáng)能光熱空調(diào)技術(shù)及其在夏熱冬冷地區(qū)的適用性選擇★

鄭 琳 張 煒* 李尚杰

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

·水·暖·電·

太陽(yáng)能光熱空調(diào)技術(shù)及其在夏熱冬冷地區(qū)的適用性選擇★

鄭 琳 張 煒* 李尚杰

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

太陽(yáng)能空調(diào)能夠降低建筑能耗，保護(hù)環(huán)境，介紹了太陽(yáng)能光熱空調(diào)的概念，指出實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能空調(diào)制冷的方式分為光電與光熱，簡(jiǎn)述了不同類型的太陽(yáng)能光熱空調(diào)技術(shù)的原理和特點(diǎn)，并且針對(duì)不同類型太陽(yáng)能空調(diào)的特點(diǎn)，選擇出適用于夏熱冬冷氣候區(qū)的太陽(yáng)能光熱空調(diào)類型。

太陽(yáng)能空調(diào)，空調(diào)能耗，蓄能，建筑節(jié)能

0 引言

隨著能耗問(wèn)題成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，建筑能耗占據(jù)社會(huì)能耗的30%，其中空調(diào)能耗占據(jù)了建筑能耗的50%。因此，發(fā)展低能耗建筑，低能耗空調(diào)形式是推進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排重要舉措。傳統(tǒng)空調(diào)的制冷媒介一般為氟氯化物，這是造成臭氧層空洞的主要原因，嚴(yán)重污染環(huán)境，而太陽(yáng)能空調(diào)利用可再生能源太陽(yáng)能，具有環(huán)境友好的特點(diǎn)，具有潛在的應(yīng)用潛力[1]。

太陽(yáng)能作為可再生能源，除了具有清潔性，還不受地域的限制。我國(guó)地域遼闊，太陽(yáng)能資源豐富并且分布廣泛，全國(guó)70%以上的地區(qū)全年日照數(shù)高達(dá)2 000 h。豐富的資源儲(chǔ)備說(shuō)明與傳統(tǒng)電制冷空調(diào)相比，太陽(yáng)能空調(diào)具有更低的運(yùn)行成本，特別是在一些太陽(yáng)能資源豐富但是經(jīng)濟(jì)不夠發(fā)達(dá)的地區(qū)比如川西高原，太陽(yáng)能空調(diào)具有更佳的利用價(jià)值[2]。太陽(yáng)能空調(diào)制冷的最大優(yōu)點(diǎn)是它具有季節(jié)匹配性。在天氣越熱，越需要冷量的時(shí)候，這時(shí)太陽(yáng)輻射情況最好，太陽(yáng)能空調(diào)的制冷量也就最大[3]。夏熱冬冷氣候區(qū)的氣候最突出的特點(diǎn)就是常年濕度很高，在空調(diào)的選擇上要重點(diǎn)考慮處理濕度的問(wèn)題。

1 太陽(yáng)能光熱制冷技術(shù)特點(diǎn)與現(xiàn)狀

太陽(yáng)能空調(diào)制冷技術(shù)根據(jù)原理可以分為兩種方式，一種是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，再以電能驅(qū)動(dòng)壓縮式制冷系統(tǒng)。第二種是利用太陽(yáng)能集熱器收集熱量，利用熱能來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷[4]。目前太陽(yáng)能光熱制冷主要分為四類，分別為太陽(yáng)能吸收式制冷，太陽(yáng)能吸附式制冷，太陽(yáng)能除濕式制冷以及太陽(yáng)能噴射式制冷。其中前三種制冷形式較為普及，但太陽(yáng)能噴射式空調(diào)也由于其特點(diǎn)而被研究學(xué)者重點(diǎn)研究。

1.1 太陽(yáng)能吸收式制冷

吸收式制冷循環(huán)主要由發(fā)生器，蒸發(fā)器，冷凝器和吸收器組成。吸收式制冷循環(huán)利用不同沸點(diǎn)的工質(zhì)對(duì)進(jìn)行制冷。高沸點(diǎn)的為吸收劑，低沸點(diǎn)的為制冷劑。目前常用的二元工質(zhì)對(duì)為氨—水工質(zhì)對(duì)，溴化鋰—水工質(zhì)對(duì)。溴化鋰吸收式制冷技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展已經(jīng)較為成熟[5]。

太陽(yáng)能吸收式制冷循環(huán)有如下特點(diǎn)：太陽(yáng)能吸收式制冷利用低品位的熱能太陽(yáng)能，并且整個(gè)運(yùn)行環(huán)境比較安靜，只有功率較小的泵在運(yùn)行，不產(chǎn)生過(guò)多的噪聲。制冷工質(zhì)無(wú)毒，不污染環(huán)境，制冷劑在真空狀態(tài)下運(yùn)行，更加安全。但是吸收式制冷具有易結(jié)晶，腐蝕性強(qiáng)等缺點(diǎn)。

對(duì)于太陽(yáng)能吸收式制冷，應(yīng)用最廣泛的工質(zhì)對(duì)為溴化鋰—水工質(zhì)對(duì)，該方式具有較高的制冷效率(EER)，對(duì)熱源的要求較低，占據(jù)太陽(yáng)能吸收式制冷中的主要地位。

1.2 太陽(yáng)能吸附式制冷

吸附式制冷技術(shù)利用固體吸附劑，如活性炭和沸石等，對(duì)某些制冷劑蒸汽具有比較強(qiáng)的吸附作用，吸附作用使得蒸發(fā)器中的制冷劑液體通過(guò)蒸發(fā)而進(jìn)行制冷。當(dāng)吸附劑進(jìn)行加熱后就會(huì)使吸附劑中的制冷劑解吸，解吸后的蒸汽會(huì)在冷凝器中放熱變?yōu)橐后w，制冷劑回到蒸發(fā)器中完成整個(gè)循環(huán)。

太陽(yáng)能吸附式制冷循環(huán)將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與吸附式制冷系統(tǒng)結(jié)合。該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：太陽(yáng)能吸附式空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)是所需的熱源溫度較低，所以可以良好的與一般太陽(yáng)能集熱器匹配。系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)單，初投資和運(yùn)行費(fèi)用較少，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。但是與傳統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)壓縮式制冷相比，吸附式制冷系統(tǒng)的制冷功率較小，當(dāng)所需要的制冷量較大的時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)的換熱設(shè)備面積會(huì)增加，這樣會(huì)增大投資和系統(tǒng)的體積。

1.3 太陽(yáng)能除濕式制冷

除濕式空調(diào)制冷利用干燥劑來(lái)吸附空氣中的水蒸氣，降低了空氣的濕度，通過(guò)水在干燥的空氣中蒸發(fā)降溫而實(shí)現(xiàn)制冷。干燥劑與噴水冷卻系統(tǒng)結(jié)合就成為了除濕空調(diào)。除濕式空調(diào)系統(tǒng)利用干燥劑吸附空氣中的水分后，經(jīng)過(guò)熱交換器進(jìn)行降溫，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器冷卻。

太陽(yáng)能除濕式空調(diào)系統(tǒng)利用太陽(yáng)能收集熱量使吸濕后的干燥劑再生，實(shí)現(xiàn)除濕制冷循環(huán)。太陽(yáng)能除濕式空調(diào)需要的熱源溫度不高，一般的太陽(yáng)能平板式集熱器系統(tǒng)的熱量就可以滿足除濕式空調(diào)的需要，因此可以節(jié)約太陽(yáng)能集熱器的成本。該系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)就是可以實(shí)現(xiàn)熱量與濕量的分開(kāi)處理，可以更加獨(dú)立的控制房間的溫度與濕度。太陽(yáng)能除濕式空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷媒介為水，不產(chǎn)生污染，非常環(huán)保。除濕的形式能夠有效的處理房間內(nèi)的潛熱負(fù)荷。干燥劑還能同時(shí)吸附室內(nèi)空氣中的有害物質(zhì)，提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)。

1.4 太陽(yáng)能噴射式制冷

噴射式制冷將傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)替換為噴射器，蒸汽從噴射器的噴嘴中高速噴出，創(chuàng)造出低壓環(huán)境，液體制冷劑汽化吸熱產(chǎn)生制冷效果。蒸汽噴射式空調(diào)中的常用介質(zhì)為水。整個(gè)系統(tǒng)由蒸發(fā)器，噴射器，冷凝器，節(jié)流閥組成。噴射式制冷循環(huán)不需要消耗很大的能量，唯一的動(dòng)力消耗只有增壓泵，運(yùn)行可靠。噴射器可以在低品味的熱源下進(jìn)行循環(huán)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單[6]。

太陽(yáng)能噴射式制冷循環(huán)由太陽(yáng)能集熱器和蒸汽噴射式制冷機(jī)組成。制冷劑在發(fā)生器與集熱器中的水進(jìn)行換熱，制冷劑加熱成為高溫高壓的蒸汽。蒸汽經(jīng)過(guò)噴射器，壓力降低，流速迅速增加，低壓環(huán)境將蒸發(fā)器中的蒸汽抽吸，然后兩路蒸汽混合，經(jīng)過(guò)噴射器的擴(kuò)壓段到冷凝器中冷凝。從冷凝器中出來(lái)的流體分為兩路，一路經(jīng)過(guò)節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器，另一路進(jìn)入發(fā)生器再與集熱器中的熱水進(jìn)行換熱。

2 夏熱冬冷地區(qū)太陽(yáng)能空調(diào)的優(yōu)化選擇

夏熱冬冷地區(qū)的平均濕度在75%,使人感覺(jué)悶熱不舒適。即使在冬季濕度依然很大，陰冷潮濕。由于夏熱冬冷氣候區(qū)的特點(diǎn)，并且隨著人民生活水平的提高，對(duì)于空調(diào)的選擇就有更高的要求。表1為四種形式的太陽(yáng)能空調(diào)的主要優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比。根據(jù)太陽(yáng)能空調(diào)的特點(diǎn)，太陽(yáng)能除濕式空調(diào)由于其能夠獨(dú)立處理溫度和濕度從而更加適用于夏熱冬冷地區(qū)。

3 太陽(yáng)能制冷技術(shù)的發(fā)展

在太陽(yáng)能的利用和轉(zhuǎn)換過(guò)程中，常常存在能源的供給與需求時(shí)間不匹配的問(wèn)題，即清潔能源的間歇性特點(diǎn)，即太陽(yáng)能的采集受氣候和晝夜的影響比較大。所以太陽(yáng)能空調(diào)與蓄能技術(shù)的結(jié)合是現(xiàn)在學(xué)者研究的熱點(diǎn)和前景。蓄能式太陽(yáng)能空調(diào)能夠降低空調(diào)的負(fù)荷，減少電能的消耗，提高整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的使用效率，調(diào)峰蓄能，緩解能源需求緊張的問(wèn)題。用于空調(diào)工程的蓄冷方式有三種，分別是水蓄冷，冰蓄冷以及共晶鹽蓄冷。其中將相變蓄冷(共

晶鹽蓄冷)技術(shù)與太陽(yáng)能空調(diào)結(jié)合，能夠提高太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和工作效率，提高太陽(yáng)能利用率，提高末端用戶側(cè)的熱舒適性。圖1是太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)與蓄能結(jié)合的系統(tǒng)形式。

另外，根據(jù)我國(guó)目前技術(shù)的發(fā)展，如何提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率也是非常重要的問(wèn)題。提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率就要提高太陽(yáng)能集熱器的集熱效率，研究和開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的不同類型的太陽(yáng)能集熱器，對(duì)太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)使其具有更高的效率。在建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，也要注重集熱器系統(tǒng)與建筑的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)一體化。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活水平也越來(lái)越高，對(duì)能源的消耗也越來(lái)越多。太陽(yáng)能制冷空調(diào)能夠在建筑節(jié)能領(lǐng)域緩解人們對(duì)能源日益增長(zhǎng)的需求與匱乏的傳統(tǒng)不可再生能源之間的矛盾。市場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)的需求也越來(lái)越大，對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)的研究具有潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。太陽(yáng)能除濕式空調(diào)系統(tǒng)更加適用于夏熱冬冷氣候區(qū)。

[1] 楊俊斌,耿世彬.太陽(yáng)能空調(diào)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2017(1):95-99.

[2] 譚軍毅,余國(guó)保,舒水明.國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能空調(diào)研究現(xiàn)狀及展望[J].制冷與空調(diào)(四川),2013(4):393-399.

[3] 金葉佳,尹芳芳,李開(kāi)創(chuàng),等.常見(jiàn)太陽(yáng)能空調(diào)制冷技術(shù)的現(xiàn)狀及比較[J].太陽(yáng)能,2011(9):32-35.

[4] 代彥軍,王如竹.太陽(yáng)能空調(diào)制冷技術(shù)最新研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報(bào),2008(S2):1-8.

[5] 萬(wàn)忠民,舒水明,胡興華,等.太陽(yáng)能混合吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)的性能研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006(8):62-64.

[6] 張 博,沈勝?gòu)?qiáng),阿布里提·阿不都拉.太陽(yáng)能噴射式制冷系統(tǒng)性能分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2001(4):451-455.

Solar powered air conditioning technology and the application in hot summer and cold winter climate zone★

Zheng Lin Zhang Wei* Li Shangjie

(CollegeofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,KeyLaboratoryofDeepEarchScienceandEngineeringofMinistryofEducation,Chengdu610065,China)

Solar powered air conditioning system can reduce building energy consumption and protect the environment. The concept of solar powered air-conditioning is introduced. The solar powered air conditioning system includes photoelectric and thermal technology. This paper briefly introduces the principle and characteristics of different solar powered air conditioning systems and gives the proposes of choosing appropriate solar powered air conditioning in the hot summer and cold winter climate zone.

solar powered air-conditioning, energy consumption, energy storage, buliding energy saving system

1009-6825(2017)20-0125-02

2017-05-08★:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51508352)；深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(四川大學(xué))開(kāi)放課題基金資助項(xiàng)目(No.DUSE201702)；成都市科技惠民項(xiàng)目(No.2015-HM01-00244-SF)

鄭 琳(1993- )，女，在讀碩士

張 煒(1981- )，男，副教授

TU831.74

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