神奇的太阳能空调技术

刘树伟

太阳能是一种清洁的绿色可再生能源，它储量大、分布广，还可以就地开发。目前人们利用太阳能的主要方式是太阳能发电和太阳能制热，但是对于太阳能制冷技术，大部分人还是比较陌生。

普通压缩式空调的用电量很大，尤其是炎热的夏季，一般民用建筑物，如酒店、办公楼、医院等，空调耗能之大已占总耗能的50％以上，给能源、电力和环境造成了很大的压力。而我国太阳能资源十分丰富，其中三分之二以上的地区利用太阳能的条件都相当好。在这种情况下太阳能空调无疑具有非常广阔的发展前景。

太阳能用于空调制冷，其最大的优点在于季节匹配性好，即太阳能空调系统的制冷能力是随着太阳能辐射的增大而增大的，这正好与人们对夏季空调的迫切需求相匹配。太阳能空调在环保、节能方面也显示出无与伦比的优越性，所用的制冷剂都是无毒、无害的，几乎对环境没有任何影响，制冷过程中也无废料产生。

太阳能制冷系统可以直接以太阳辐射为驱动能源，有吸收式制冷、吸附式制冷和喷射式制冷等；也可以以太阳能产生的机械能为驱动能源，有压缩式制冷、光电式制冷和热电式制冷等。冷热联供是比较实用的设计方案，例如太阳能吸收式空调系统结合了太阳能供热系统和太阳能供冷系统后，除了夏季提供制冷空调以外，还可以在冬季提供采暖和全年提供生活用水。综合来说太阳能吸收式空调系统是目前应用最多的也是最具有发展前景的，我们就以这种吸收式空调系统为例进行介绍。

太阳能吸收式空调系统主要由太阳集热器和吸收式制冷机两部分构成。

太阳能集热器

太阳能集热器是指吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。集热器是组成各种太阳能利用系统的关键部件，不同的集热方法形成了不同的集热器类型，概括的讲主要分为：非聚焦式的平板型太阳能集热器、真空管太阳能集热器、聚焦型太阳能集热器和太阳能空气集热器。平板型集热器是当今应用最广泛的太阳能集热产品，它结构简单、采光面积大、工作可靠、成本低，缺点是提供的热源温度较低。真空管太阳能集热器是在平板型太阳能集热器的基础上发展起来的新型太阳能集热器。由于吸热体和玻璃管之间的夹层保持高度真空而且涂有选择性吸收涂层，真空管太阳能集热器在高温和低温环境下仍有优良的热性能，但是其成本较高。聚焦型太阳能集热器是将一定面积上的太阳能集中到更小的面积上，因而能获得优质的高温热能，但是其成本同样较高。在目前的太阳能制冷应用中比较多的使用平板型集热器。

吸收式制冷机

吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为工质来进行的。这两种物质在同一压强下有不同的沸点，其中高沸点的组分称为吸收剂，低沸点的组分称为制冷剂。吸收式制冷就是利用溶液的浓度随其温度和压力变化而变化，将制冷剂与溶液分离，通过制冷剂的蒸发而制冷，又通过溶液实现对制冷剂的吸收。常用的吸收剂一制冷剂组合有两种：一种是溴化锂——水，通常适用于大型中央空调；另一种是水——氨，通常适用于小型家用空调。两者工作原理相似，我们以溴化锂吸收式制冷机为例介绍其工作原理。

溴化锂——水吸收式制冷机工作原理：

溴化锂吸收式制冷机以热能为动力，以水为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂，制取高于0℃的冷量。为了实现连续制冷，将已蒸发的制冷剂通过一定手段恢复到液体状态，实现制冷连续。其工作原理如图1所示。

如图1所示，制冷机主要有发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、换热器、循环泵等组成。太阳能集热器产生的热媒水流经发生器加热其中的溴化锂溶液，溶液中的水不断汽化，使得发生器内的溴化锂溶液浓度不断升高，进入吸收器，而产生的水蒸气进入冷凝器。水蒸气进入冷凝器后，被冷凝器中的冷却水降温凝结，成为高压低温的液态水。当冷凝器内的高压液态水通过节流阀进入蒸发器时，由于压力突变急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的。在此过程中，低温水蒸气进入吸收器，被吸收器内的溴化锂浓溶液吸收，溶液浓度逐步降低，再由循环泵送回发生器，完成整个循环过程。如此反复循环，不断制冷。换热器的作用是为了提高稀溶液进入发生器的温度，节省加热稀溶液的热量，提高整个装置的热效率。

以上介绍的溴化锂吸收式制冷机是单级吸收式制冷，即系统只采用单级发生器，它的COP一般在0.75以下。为了进一步提高COP和减少加热功率，可以采用两级吸收式制冷，甚至更高。图2显示了单双和三级系统的热源温度和COP的关系。

可以看出，双级和三级的COP升高了，制冷量也提高了，但是其对工作热源的温度要求也提高了，这就要求我们采用更好的集热器。就目前的成本而言双效和三效吸收要比单效高很多。

溴化锂吸收式制冷机的优缺点：

溴化锂吸收式制冷机有很多优点：可利用低位势热能制冷；只有小功率的屏蔽泵为运动部件，运转安静；以溴化锂水溶液为工质，无毒、无臭、无害；制冷机在真空状态下运行，无爆炸危险，安全可靠；制冷量调节范围广，对外界条件变化的适应性强。

溴化锂吸收式制冷机的主要缺点：溴化锂水溶液对一般的金属有较强的腐蚀性，影响机组的正常运行；因为是水溶液，对机组的气密性要求高；浓度过高或过低时，溴化锂水溶热均容易形成结晶，影响正常运行。

太阳能吸收式空调系统工作原理

图3是一个加有辅助热源的大型太阳能吸收式空调系统工作原理图。辅助热源能保证空调系统稳定持续的工作。

在夏季，被太阳能集热器加热的水进入储水箱，当热水温度达到一定值时，储存在储水箱中的水作为热媒水供给吸收式制冷机。从吸收式制冷机流出并已经降温的热水流回到储水箱，再由太阳能集热器加热成高温热媒水。制冷机产生的冷媒水流到空调箱，完成降温功能。当太阳能不足以提供高温的热媒水时，可由辅助锅炉补充热量。

在冬季，同样太阳能集热器加热的热水进入储水箱，当热水温达到一定值时，从储水箱直接向空调箱提供热水，达到供热采暖的目的。生活用热水由生活用热水箱提供。太阳能功率不足时由辅助锅炉提供。

推广应用前景

虽然太阳能空调开始进入实用化阶段，希望使用太阳能空调的用户不断增加，但目前已经实现商品化的产品大都是大型的溴化锂制冷机，只适用于单位的中央空调。对此，空调制冷界正在积极研究开发各种小型的溴化锂或氨——水吸收式制冷机，以便与太阳集热器配套逐步进入家庭。目前制约太阳能空调发展的主要因素仍是成本问题，其原因在于太阳能集热器在成本中占有很高的比例，造成初始投资偏高。但是我们相信随着太阳能技术的不断发展和常规能源价格的持续上涨，太阳能空调系统的投资将越来越低，系统性能将越来越好，运行经济性和环保效益将更加突出。太阳能空调系统必将拥有广阔的应用前景。