太阳能空调系统的可行性研究

严建国

（张家港市产品质量监督检验所，江苏张家港 215600）

0 引言

空调能耗在全年民用能耗中占有相当大的比重，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，而且夏天强烈的太阳辐照恰好与夏季迫切的制冷需求相匹配，用太阳能进行制冷最能发挥系统利用自然条件这一特点。将太阳能作为办公建筑空调系统的热源，关键应考虑系统的建造成本和运行费用等问题。为掌握第一手太阳能空调的相关资料，在对目前太阳能空调相关领域的情况进行调研、分析及总结，并对国内生产太阳能集热器的厂家进行考察的基础上，对太阳能集热器数据进行了一一核实。

1 中国的太阳能资源

我国太阳能资源的地区分布大致分为4类，1类：太阳辐照量大于6700MJ/（m2·a）的资源丰富区，如高原地区；2类：太阳辐照量在5400～6700MJ/（m2·a）的资源较富区，如新疆南部、青海东部；3类：太阳辐照量在4200～5400MJ/（m2·a）的资源一般区，如陕西北部、江苏北部；4类：太阳辐照量在小于4200MJ/（m2·a）的资源贫乏区，如四川、贵州、重庆等。

2 地区选择

根据我国各地区的太阳能资源分布、经济发达程度和冷热需求情况，本文选择北方与南方作为太阳能吸收式制冷供热系统可行性分析的典型地区。

3 太阳能集热器的分类及特点

太阳能集热器是利用太阳辐射吸收材料的光热效应，将太阳辐射转变为热能并向传热工质传递热量的特殊产热装置，它是太阳能制冷供热系统中最重要、最基本的组成部分。太阳能集热器可以按以下多种方法进行分类。一是按传热介质分为液体集热器和空气集热器；二是按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分为聚光集热器和非聚光集热器；三是按是否追踪分为跟踪集热器和非跟踪集热器；四是按是否有真空空间分为平板集热器和真空管集热器；五是按工作温度范围分为低温集热器、中温集热器和高温集热器。

目前能产生中高温热水的集热器类型主要有：全玻璃真空管集热器、内插U形管的全玻璃真空集热器、内插热管的全玻璃真空集热器、热管式真空管集热器、复合抛物聚光镜（CPC）、塔式集热器、菲涅尔透镜聚焦集热器、抛物面槽聚焦集热器（PTC）型集热器。经过市场调研，在国内主要集热器生产厂家的情况如表1所示。

4 太阳能制冷主机的选择

单效、双效和三效太阳能溴化锂吸收式制冷系统比较如表2所示。单效型溴冷机所用集热器价格为2000/m2，单效太阳能溴化锂吸收式制冷系统的集热器系统每千瓦制冷功率的成本约为1.496万元；双效型溴冷机所用集热器价格3000/m2，双效太阳能溴化锂吸收式制冷系统的集热器系统每千瓦制冷功率的成本约为1.52万元；三效型溴冷机所用集热器价格5000/m2，三效太阳能溴化锂吸收式制冷系统的集热器系统每千瓦制冷功率的成本约为2.2万元。

因此，采用单效型溴冷机作为太阳能制冷主机成本是最低的。以制冷量需求100万kcal/h（1163kW）为例，以单效热水计算，需要集热器面积8700m2，考虑维护空间，集热器占地面积超过10000m2，集热器系统投资1740万元人民币。另外，太阳能集热系统的运行不可避免地要受到气候条件的影响。为了保证系统可以全天候发挥空调、采暖功能,辅助的常规能源系统是必不可少的。采用太阳能热水补燃型溴冷机可以在太阳能动力不足时补充所需负荷。因为对于夏天制冷来说，补燃的部分具有较高的COP，可以达到1.35以上；对于冬天采暖来说，则相当于一台小型锅炉。因此，本次调研得出最佳太阳能制冷方案为：采用“太阳能热水补燃型溴冷机”和“力诺瑞特的95℃出水的CPC集热器”相结合的方式。

5 太阳能制冷系统经济性分析

在北方地区，与燃气直燃型溴冷机相比，在全年利用太阳能的情况下，且处于当前集热器价格水平，只有当天然气价格在4元/Nm3以上时，才可能将集热系统的投资回收期缩短到10年左右；或者处于当前天然气价格水平，只有当太阳能集热系统造价降低到1000元/m2时，才可能将集热系统的投资回收期缩短到10年左右。

在南方地区，与燃气直燃型溴冷机相比，在全年利用太阳能的情况下，且处于当前集热器价格水平，只有当天然气价格在7.5元/Nm3以上时，才可能将投资回收期缩短到10年左右；或者处于当前天然气价格水平，只有当太阳能集热系统（包括集热器）造价降低到1250元/m2，才可能将投资回收期缩短到10年左右。

表1 国内主要集热器生产厂家情况表

表2 单效、双效和三效太阳能溴化锂吸收式制冷系统比较（每千瓦制冷功率）

南方地区，与水冷螺杆机相比，在全年利用太阳能的情况下，且处于当前集热器价格水平，只有当工业电价达到2.5元/（kW·h）以上时，才可能将投资回收期缩短到10年左右；或者处于当前工业电价水平，只有当太阳能集热系统（包括集热器）造价降低到700元/m2时，才可能将投资回收期缩短到10年左右。在采用相同的制冷系统，相同的天然气价格，相同的集热器价格情况下，北方需要的回收年限比南方短45%，这主要是南方地区的太阳能辐照强度没有北方地区强。

由于天然气价格高，电价相对便宜，所以当采用水冷螺杆机制冷系统进行投资年限对照时，所需回收年限更长，也就是说即使天然气价格大幅提升、太阳能制冷系统相对于燃气直燃型溴冷机具有一定投资价值，但由于电价水平较低，太阳能制冷系统相对于水冷螺杆机又不具备投资价值。

6 结语

太阳能制冷技术所需的技术，包含太阳能集热技术，制冷所需要的溴冷机技术均是成熟技术，不存在技术瓶颈。目前在推广使用上主要受制于综合经济效益，受制于太阳能集热系统的成本和间歇性等因素。

从以上数据分析，在太阳能集热系统处于目前常规价格的前提下，无论是北方还是南方，按照当前当地的价格水平，即使全年利用太阳能，仅太阳能太阳能集热系统也无法在15年内收回投资，还需要考虑太阳能的间歇性及整个制冷设备及系统和占地面积等方面的投资，所以从经济性方面来看，目前太阳能制冷不具备吸引力。

即使经济性问题解决了，还需要考虑占地面积问题，因太阳能制取100万kcal/h（1163kW）制冷量，太阳能集热器需要占地面积10000m2，即1万kcal制冷量需要100m2（即一般满足1m2建筑面积制冷需要1m2的太阳能集热器占地面积），这也是限制太阳能制冷应用推广的一个核心问题。

太阳能空调具有明显的节能和环保效益，但由于以上经济性和占地面积及间歇性制冷等问题，目前仅能够在特定的场合，作为科研示范项目进行应用，只有随着太阳能集热器集热效率的显著提高和制造成本的大幅下降，加上能源价格的大幅提高，再加上政府出台相应的扶持政策，太阳能空调才可能逐步进入市场。

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