太阳能制冷技术的应用及发展趋势

太阳能制冷技术的应用及发展趋势

杨坚 栗志 李芷昕

（昆明理工大学化工学院 云南·昆明 650224）

摘要：本文简要介绍了太阳能制冷的工作原理，太阳能空调的类型以及在节约能源、提高制冷效率方面的应用和研究等，并对本世纪太阳能制冷技术的发展趋势进行了探讨。

关键词：太阳能 制冷 空调

1 引言

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源。在太阳能热利用领域中，不仅有太阳能热水和太阳能采暖，还有太阳能制冷空调。换句话说，在太阳能转换成热能后，人们不仅可以利用这部分热能提供热水和采暖，而且还可以利用这部分热能提供制冷空调。从节能和环保的角度考虑，用太阳能替代或部分替代常规能源驱动空调系统，正日益受到各国的重视。当前，世界各国都在加紧进行太阳能空调技术的研究。据调查，已经或正在建立太阳能空调系统的国家和地区有意大利、西班牙、德国、美国、日本、韩国、新加坡、香港等，这是由于发达地区的空调能耗在全年民用能耗中比发展中国家占有更大的比重[1][2]。因此，利用太阳能进行空调，对节约常规能源、保护自然环境都具有十分重要的意义。

2太阳能制冷技术的发展现状

由于空调系统所消耗的电能（发达国家的空调能耗占全年民用能耗的25%）给能源、电力和环境带来了很大的压力，因此，利用太阳能替代常规能源驱动空调系统对节能和环保都具有十分重要的意义。

目前，世界各国都在加紧进行太阳能制冷技术的研究，并主要集中在吸收式制冷范围。国际上对吸收式制冷的研究已经有比较成熟的技术。小型的燃油机组研制成功，但需要将热水加热至90～120℃才能运行。目前利用太阳能制冷的净COP值一般在0.5以下，总的来说仍然很低[3]。我国已经成为全世界公认的太阳能利用大国，截至2004年，仅太阳能热水器的生产量就有600万m2,研制小型并适用于太阳能应用的制冷机组特别适合我国国情。

日本作为世界制冷空调技术领先的国家，他们除了在现有制冷设备的基础上提高其效率外，对于太阳能的开发应用尤为重视。近年来，已建成了一大批以太阳能节能技术为主导的节能型大楼。

据报道，美国科罗拉多州太阳能研究所研制成功一种可取代空调装置的建筑材料，这种建材里面含有聚醇化合物，当室温超过设定温度，墙壁会自动吸热，达到制冷效应；反之，放热，达到取暖目的。其临界温度由建材中所含聚醇化合物的多少决定。用这种建材建造的房屋具有吸收太阳能、自动调节室温的作用[4]。

在我国，太阳能制冷和空调的研究可以追溯到20世纪70年代后期，当时不少科研机构、高等院校和企业纷纷投入人力和物力研制太阳能制冷空调，其实多数是小型的氨-水吸收式制冷实验样机。

作者简介：杨坚（1981-），汉族，男，在读硕士研究生，研究方向为新能源技术与工程。栗志（1964-），男，博士，硕士研究生导师。通讯地址：昆明理工大学白龙校区化工学院2005级研究生，杨坚。邮编：650224。E-mail：genius_301@

由于当时还有许多技术难题未能解决，太阳能制冷空调项目因一时难以看到成效而得不到支持，研究的队伍和规模大大缩小，仅存少数单位仍坚持基础性研究和机组实验。“九五”计划期间，国家科委把“太阳能空调”列为重点科技攻关项目，计划建成示范性系统，以促进太阳能空调的推广应用。中科院广州能源研究所和北京太阳能研究所承担了该项项目，在南方和北方各建立了一座大型实用性太阳能空调系统[5]。

1997年，中科院广州能源研究所为国家“九五”科技攻关项目“太阳能空调及供热示范系统”研制了一台100KW的双级太阳能吸收式制冷机，并成功地在24层的建筑上安装了该系统，采用改进后的平板式集热器，运行效果良好，且可以在热源温度低于65℃下运行[6]。

3 太阳能空调的工作原理及其类型

3．1 太阳能制冷的工作原理

根据热力学第二定律，热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而不能自发地从低温物体传向高温物体。人工制冷过程，就是在外界的补偿下将低温物体的热量向高温物体传送的过程。

从理论上讲，太阳能制冷可以通过太阳能光电转换制冷和太阳能光热转换制冷两种途径实现。

太阳能光电转换制冷，首先是通过太阳能电池将太阳能转换成电能，再用电能驱动常规的压缩式制冷机。在目前太阳能电池成本较高的情况下，太阳能光电转换制冷系统的成本要比太阳能光热转换制冷系统的成本要高出许多倍，目前尚难推广应用。

太阳能光热转换制冷，即本文介绍的太阳能制冷，首先是将太阳能转换成热能（或机械能），再利用热能（或机械能）作为外界的补偿，使系统达到并维持所需的低温。

3．2太阳能制冷空调的类型

3．2．1太阳能吸收式制冷系统

这种系统最常规的配置是：采用平板或热管型真空管集热器来收集太阳能，用来驱动单效、双效或双级吸收式制冷机，工质主要采用LiBr-H2O，当太阳能不足时可采用燃油或燃媒锅炉来进行辅助加热，如图1所示。

图1太阳能吸收式制冷系统

该系统的工作原理是利用太阳能集热器采集热量加热热水，再以热水加热发生器中的溶液产生冷凝蒸汽，制冷剂经过冷却、冷凝和节流降压在蒸发器中由液体汽化吸热实现制冷，之后制冷剂蒸汽被吸收器中的吸收溶液吸收，吸收完成后再由泵加压将含有制冷剂的溶液送入发生器进行加热蒸发，完成一个制冷循环。

吸收式制冷技术是出现最早的制冷方法，技术相对成熟。目前太阳能溴化锂吸收式制冷机已广泛得应用在大型空调领域。例如我国首座大型太阳能空调系统，制冷能力可达100kW，冷媒水温度6～9℃，热源水温在60～75℃，能很正常地制冷，COP初步预算大于0.4，可以满足面积超过600m2的办

公和会议室的空调需求[7]。

3．2．2太阳能吸附式制冷系统

吸附式制冷是利用物质的物态变化来达到制冷的目的。用于吸附式制冷系统的吸附式制冷系统的吸附剂-制冷剂组合可以有不同的选择，例如：沸石-水，活性碳-甲醇等。这些物质均无毒、无害，也不会破坏大气臭氧层。

图2 太阳能吸附式制冷系统

太阳能吸附式制冷系统主要由太阳能吸附集热器、冷凝器、蒸发储液器、风机盘管、冷媒水泵等部分组成，如图2所示。

白天太阳辐射充足时，太阳能吸附集热器吸收太阳辐射能后，吸附床温度升高，使冷却剂从吸附剂中解吸，太阳能吸附集热器内压力升高。解吸出来的制冷剂进入冷凝器，经冷却介质（水或空气）冷却后凝结为液态，进入蒸发储液器。这样，太阳能就转化为代表制冷能力的吸附势能储备起来，实现化学吸收潜能的储存。

夜间或太阳辐射不足时，环境温度降低，太阳能吸附集热器通过自然冷却后，吸附床的温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，产生制冷效果。产生的冷量一部分以冷媒水的形式从风机盘管（或空调箱）输出，另一部分储存在蒸发储液器中，可在需要时根据实际情况调节制冷量。

3．2．3 太阳能蒸汽喷射式制冷系统

太阳能蒸汽喷射式制冷系统主要由太阳集热器和蒸汽喷射式制冷机两大部分组成，如图3所示。它们分别依照太阳集热器循环和蒸汽喷射式制冷机循环的规律运行。

图3 太阳能蒸汽喷射式制冷系统