常见太阳能空调制冷技术的现状及比较

东南大学能源与环境学院太阳能技术研究中心 ■ 金叶佳 尹芳芳 李开创 谷伟 余雷

一 引言

太阳能空调以其优越的季节匹配性，越来越受到人们的关注。太阳能空调一般采用环保型制冷剂，臭氧层破坏系数(ODP)和温室效应系数(GWP)均为零，完全符合环境保护的要求。

目前的太阳能空调制冷技术从原理上大致可分为两种实现途径：一是太阳能转化为电能，再以电能来驱动压缩式制冷，其产生电能的方式又分为光伏式和光热式两种；二是直接利用太阳能集热器收集热量，以热推动制冷。其中以太阳能热转化驱动的空调系统一般不仅能够在夏季制冷使用，而且全年可以方便地采暖和提供热水等，大大降低了系统的综合经济成本，是未来空调系统的理想形式。

二 太阳能空调制冷技术的研究进展

国际上利用太阳能制冷和采暖的历史可以追溯到20世纪上半叶，1957年美国佛罗里达大学的Farbe教授研制出制冷量约为0.5RT的NH3-H2O吸收式制冷机及集热器，并投入实际运行。至此以后，各国学者对太阳能制冷技术的各个环节进行了大量的理论和试验研究，主要有以下几个方向：太阳能集热器的优化；适合太阳能的制冷技术的研究；储能方式的研究；系统性能优化及经济性分析等。本文仅针对几种太阳能热转换制冷技术的研究进行介绍。

目前研究较成熟的太阳能热转换制冷技术有：吸收式制冷、吸附式制冷和除湿空调系统等。迄今为止，对于吸收式空调系统的工程报道较多，如溴化锂－水吸收式单效制冷系统在欧洲有很多实例，而国内在广东江门和山东乳山也建立了类似的示范工程[1,2]。Duff等[3]报道了美国萨克拉门托市在1998年建立了一座太阳能双效吸收式制冷系统的工程实例，系统采用ICPC集热器加双效制冷机的组合，系统日均COP(coefficient of performance)达到1.1左右。

与欧洲绝大部分示范项目是吸收式系统不同，我国在吸附式制冷和除湿空调应用方向具有特色，相关工作也富有成效。如上海交通大学王如竹教授等研制的小型硅胶－水吸附式空调机组有效地提高了系统的传热传质性能，提高了整体COP值，并在上海和山东德州的一些实际工程中得到了应用[4]。除湿空调系统因其处理潜热负荷时的独特优势也得到了较快发展，清华大学江亿院士等首先提出了热湿独立处理的概念并得到了推广[5]。此外，上海交通大学和东南大学等研究机构也在除湿系统的除湿机理和传热传质强化等方面做出一些有益的工作。

三 太阳能热转换制冷

太阳能热转换制冷所需的热源一般是中低温热源，用来处理0～40℃之间的空调负荷，显然更符合能量梯级利用的原则。相比太阳能发电制冷的方式，热转换制冷技术的成本更低。

1 太阳能吸收式制冷

(1)分类简介

目前太阳能吸收式空调系统中应用广泛的有溴化锂－水和氨－水工质对，其中溴化锂－水由于COP高、对热源温度要求低、无毒和对环境友好，而占据当今研究与应用的主流地位。按其制冷循环的类型可分为单效、双效、双级、三效，以及单效/双级等复合式循环。表1列出了各种循环类型的COP，显然热源温度越高，制冷系统所能达到的COP就越高，同时系统复杂程度也越高。单效、两级制冷系统的热力系数较低，目前市场上应用最广泛的单效及双效系统的能源利用率不及传统的蒸汽压缩式制冷系统；而三效以及多效更复杂的制冷系统能源利用率已经超过传统蒸汽压缩式制冷系统，因此三效及多效系统将是吸收式制冷技术发展的一个重要方向。

表1 各种制冷循环类型的COP

(2)原理及系统组成

太阳能吸收式制冷的基本原理是利用液体工作介质蒸发时吸收周围热量制冷。其工作流程如图1所示，制冷剂液体在蒸发器蒸发吸热后变成低压蒸汽进入吸收器，被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带走，形成的溶液由泵送入发生器中，被太阳能集热器产生的热源加热后蒸发，产生高压蒸汽，进入冷凝器冷却，而稀溶液降压回流到蒸发器，完成一个循环。

(3)技术特点及改进措施

吸收式太阳能空调系统之所以成为最接近商业化的太阳能空调方式，是因为它除了拥有一般太阳能空调都具有的季节匹配性好、环境友好等优点外，另一个重要的原因是它可与商品化的大型溴化锂吸收式制冷机组配套，大幅降低了投资运行费用，且运行较可靠。因此目前太阳能吸收式空调系统较适宜办公楼、宾馆等公共建筑的中央空调系统(一般制冷量＞100kW)。由于国内的示范项目基本上还是采用COP较低的单效或两级制冷机，所以效率较低、成本高是太阳能吸收式空调面临的现实情况。

为了提高太阳能吸收式空调的竞争力，可在以下几方面取得突破：一是太阳能集热器。作为太阳能热利用的核心部件，高温高集热效率、低成本和可靠性都是目前的研究重心。二是“太阳能化”的制冷主机。目前市场上很少有针对太阳能等低温热源的溴化锂制冷机组，而且国内尚无针对户式空调的小型溴化锂制冷机组(＞5kW)。此外，与空调系统相配套的蓄热方式和自动控制方式也需进一步改进和突破。

2 太阳能吸附式制冷

(1)分类简介

目前吸附式制冷系统的种类形式繁多，以其制冷的连续性可简单分为连续和不连续两种。基本吸附制冷循环的4个热力过程中只有一个阶段是在实际制冷，因此基本吸附制冷循环是间歇制冷，而空调工况下系统一般要求连续制冷，因此需要采用两个或多个吸附器交替运行，或采取回质、回热循环才能实现。

吸附剂－吸附质工质对的选择也是吸附式制冷最重要的因素之一，可根据工质对进行分类，采用不同工质对以适用于不同的热源和蒸发温度。如目前空调系统常用的硅胶－水工质对，它的热源温度可在65～85℃，用于制冷7～20℃的冷冻水；而活性炭－甲醇、活性炭－氨、分子筛－水及氯化钙－氨等也是空调或制冰工况中常用的工质对。

(2)原理及系统组成

太阳能吸附式制冷即以太阳能为推动力驱动吸附式制冷循环的制冷方式。一个基本的吸附式制冷循环包括等吸附量加热、等压解吸、等容冷却和等压吸附4个热力过程。仅在等压吸附阶段吸附剂吸附蒸发器内的吸附质，产生蒸发制冷。太阳能吸附式制冷系统简图如图2所示。其中吸附床作为吸附式制冷区别于其他制冷方式的核心部件，在整个吸附式制冷循环中起关键作用。

图2 太阳能吸附式制冷系统图

(3)技术特点及改进措施

与太阳能吸收式空调系统相比，太阳能吸附式空调具有两个主要优势：一是所需热源温度较低，其太阳能集热部分一般采用平板式集热器，成本大大降低；二是吸附式系统的制冷功率相对较小，并且由于其工作特性决定吸附式增加制冷量时势必大幅增加成本和系统重量，因此吸附式尤其适合针对普通住宅的小型化户式空调系统(＞5kW)，具有较大的市场发展潜力。

目前太阳能吸附式空调的最大缺陷是系统COP值偏低，不仅低于传统压缩式空调，而且远低于太阳能吸收式空调，这使得吸附式制冷的竞争力大打折扣。吸附式系统COP值不高除了与工质对的选择有关，主要原因是吸附系统中的传热传质性能较低，这也是限制传统吸附式制冷产业化的瓶颈之一。

为了改善吸附式系统的传热传质性能，提升系统整体的COP值，国内外学者一般在以下方向做研究和努力：

(1)工质对的合理选择和优化。作为吸附式制冷的核心，选择合适的工质对不仅能大大提高制冷效率还能节省成本，增强可靠性。

(2)吸附式制冷循环方式的研究。如基于吸附式制冷基本循环发展而来的各种先进的连续回热回质型、多级复叠型、热波型和对流热波型等。

(3)改善吸附床传热传质性能的研究。吸附床是吸附制冷系统的心脏，对整个系统性能的影响至关重要。

3 太阳能除湿空调

(1)分类简介

太阳能除湿空调系统是另一种富有特色的空调方式，与以上两种空调方式不同，一般采用开放式的运行方式，因此不需要复杂的密闭系统。根据太阳能除湿空调的工作介质可分为太阳能溶液除湿空调和太阳能固体除湿空调，两者的基本原理较一致，本文仅对溶液除湿空调系统进行具体分析。

(2)原理及系统组成

太阳能溶液除湿空调的基本原理是利用除湿剂浓溶液表面的水蒸气分压低于湿空气中的水蒸气分压，在压力梯度的作用下将湿空气的水蒸气吸收到浓溶液中，直至双方的水蒸气分压达到平衡，吸收过程结束。吸湿后的稀溶液通过太阳能收集的热量再生。太阳能溶液除湿制冷系统图如图3所示。

图3 太阳能溶液除湿制冷系统图

(3)技术特点及改进措施

除湿是空气调节的一项重要内容。传统压缩式空调一般采用露点除湿的方式，但这样的除湿手段日益暴露出一些缺陷：如由于冷凝水的存在，盘管成了滋生各种霉菌的温床，恶化了室内空气品质(IAQ)，引发多种病态建筑综合症(SBS)；为了使空气达到露点温度也造成了不可避免的再热损失。而溶液除湿空调能克服这些缺陷，空气直接通过液体除湿剂被高效干燥。这样的方式不仅不会有冷凝水产生造成的污染，而且空气经过浓溶液还有杀菌的作用，改善了空气品质。

除湿空调再生器一般仅需要约55～75℃的热源驱动，因此可以节约太阳能集热器的成本。此外除湿空调的一个最重要的优势就是可以实现热湿分离处理，通过除湿器干燥后的空气无需降温到露点温度，仅需常温的冷冻水处理即可，并可以方便地独立控制室内空气的温度和湿度。如东南大学张小松教授提出的太阳能驱动溶液除湿与辐射供冷空调末端结合的系统，就实现了热、湿彻底解耦，具有一定理论意义[6]。

为实现热湿独立处理必然会一定程度上增加除湿空调系统的复杂度，导致初投资相对较高。与成熟的吸收式系统相比，除湿空调在处理室内潜热负荷方面有优势，但在高温高湿环境下的降温能力有限，因此在实际运行时可能需要增加辅助制冷机组。目前关于除湿过程的理论基础并不成熟，除湿空调的研究主要还是集中在除湿过程中的除湿机理、干燥剂的选择、吸附表面的优化设计及除湿空调循环的优化等方面。

四 结论与展望

几种常见的太阳能热转换制冷空调制冷方式的优缺点见表2。

表2 常见的太阳能热转换制冷空调制冷方式的优缺点

相比传统电力，目前的压缩式空调系统尚存在投资成本、运行可靠性等方面不足，但太阳能空调技术以其独特的优势已展现出巨大的应用前景。本文通过比较，主要介绍了几种太阳能空调制冷技术的特点、现状和一些值得改进的方向，以期大家对各种空调制冷技术有更多的了解。虽然文中并没有具体讨论所有太阳能空调系统都必须面对的太阳能集热器技术、蓄热技术和系统配套的自动控制技术等，但这些技术也都是限制太阳能空调进一步发展的关键技术。我们努力的最终目标是建立一种真正环保实用、高效、低成本、多功能、小型化的太阳能空调系统，使之能够走进千家万户，在未来可持续发展的能源利用结构中占有一席之地。

[1]李戡洪, 马伟斌, 江晴, 等. 100kW太阳能制冷空调系统[J]. 太阳能学报, 1999, 20(3): 239－243.

[2]何梓年, 朱宁, 刘芳, 等. 太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能[J]. 太阳能学报, 2001, 22(1): 6－11.

[3]Duff W S, Winston R, O’Gallagher J J, et al. Performance of the sacramento demonstration ICPC collector and double effect chiller[J].Solar Energy, 2004,76(1-3):175－180.

[4]陆紫生, 翟晓强, 王如竹, 等. “可再生能源与建筑集成技术研究与示范”项目——课题二/子课题: 小型硅胶－水吸附太阳能空调研制及应用[J]. 建设科技, 2009, (24): 37－39.

[5]李震, 江亿, 陈晓阳, 等. 溶液除湿空调及独立处理空调系统[J]. 暖通空调, 2003, 33(6): 26－29.

[6]代彦军, 王如竹. 太阳能空调制冷技术最新研究进展[J]. 化工学报, 2008, (S2): 1－8.

[7]王如竹, 代彦军. 太阳能制冷[M]. 北京: 化学工业出版社,2007.