文博 尚宇

隨著全球變暖、氣候異常等諸多能源、環(huán)境危機的逐步顯現(xiàn),人們越來越關(guān)注開發(fā)利用各種可再生的、清潔能源,包括風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能等。其中,相比于其他形式的可再生能源,太陽能的使用受到的地域限制更少,更容易獲得,并且在過去幾十年的研究中已經(jīng)取得了一定成果。因此大力推進太陽能等新型清潔能源在人們生產(chǎn)和生活的使用,便顯得極為重要和可行。在我國,建筑總能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖、空調(diào)等)約占全社會總能耗的32%,其中采暖、空調(diào)的能耗占社會總能耗的比例大于20%,如果能將太陽能有效地利用于暖通空調(diào)領(lǐng)域,則建筑能耗將會有明顯降低,有利于建筑節(jié)能,緩解我國能源供應(yīng)壓力和環(huán)境污染問題。目前,太陽能在暖通空調(diào)中的應(yīng)用主要有采暖、空調(diào)制冷等。

1 太陽能在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)不同的能量轉(zhuǎn)換方式,太陽能供冷主要有以下兩種方式:1)先實現(xiàn)光—電轉(zhuǎn)換,再以電力制冷;2)進行光—熱轉(zhuǎn)換,再以熱能制冷。

1.1 基于太陽能光—電轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)制冷的方式

1.1.1 太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)

太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)是利用光電電池產(chǎn)生的電能來驅(qū)動半導(dǎo)體制冷裝置。其工作原理是:光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能,再利用帕爾貼效應(yīng)達到制冷效果。帕爾貼效應(yīng)指的是當電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時,將從外界吸收熱量,或向外界放出熱量。這種空調(diào)技術(shù)具有使用維護簡單、無污染、儲能方便、可分散供電的特點。同時,由于是利用帕爾貼效應(yīng)的制冷技術(shù),系統(tǒng)中不存在泵和壓縮機等機械,也沒有復(fù)雜的管路系統(tǒng),只需簡單地切換電流方向就可以使系統(tǒng)由制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)為制熱狀態(tài),在陰雨天、夜間又可利用存儲在蓄電池中的電能工作,解決了太陽能供應(yīng)的間歇性和不可靠性的問題。

太陽能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的缺點是制冷效率較低,COP一般約0.2～0.3,而且目前太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率也不高,這導(dǎo)致了整體系統(tǒng)成本的提高。如何改進材料的性能,尋找更為理性的材料,成了太陽能半導(dǎo)體制冷的主要問題。

1.1.2 光電壓縮機式制冷

這種系統(tǒng)實質(zhì)上仍是壓縮式制冷,其通過光伏轉(zhuǎn)換裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成電能,經(jīng)過逆變(高頻或者工頻)后驅(qū)動一般的壓縮式制冷機。光電壓縮式制冷優(yōu)點是可采用技術(shù)成熟日效率高的壓縮式制冷技術(shù),可以方便地獲取冷量,缺點也很明顯,其成本比常規(guī)制冷循環(huán)高約3倍～4倍。但隨著光伏轉(zhuǎn)換裝置效率的提高和成本的降低,光電式太陽能制冷產(chǎn)品將有廣闊的發(fā)展前景。

1.2 基于太陽能光—熱轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)制冷的方式

1.2.1 太陽能吸收式制冷

吸收式制冷目前最常見、最有代表性的就是溴化鋰吸收式制冷。它是利用水作為制冷劑,溴化鋰水溶液作為吸收劑,用熱直接驅(qū)動進行供冷的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液泵等構(gòu)成。其工作原理為:溴化鋰水稀溶液在發(fā)生器里被加熱,放出水蒸氣后,濃溶液進入吸收器;而水蒸氣進入冷凝器被凝結(jié)成冷凝水,再經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后變?yōu)榈蛪旱蜏氐乃M入蒸發(fā)器吸收熱量蒸發(fā),從而達到供冷的目的;蒸發(fā)的水蒸氣被吸收器內(nèi)的溴化鋰濃溶液吸收后,成為稀溶液,并由溶液泵送回發(fā)生器,完成一個循環(huán)。

太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的主要構(gòu)成與普通吸收式制冷系統(tǒng)基本相同,唯一的不同就在于系統(tǒng)中發(fā)生器的熱源改為了太陽能集熱器送出的熱水。該類系統(tǒng)國內(nèi)已經(jīng)建成多座。“九五”計劃期間,國家科委把“太陽能空調(diào)”列為重點科技攻關(guān)項目。

1.2.2 太陽能吸附制冷

太陽能吸附式制冷系統(tǒng)主要是將太陽能用于吸附材料的再生、活化。該系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、吸附發(fā)生器、冷凝器和蒸發(fā)器。它利用太陽能加熱吸附發(fā)生器,使被吸附的氣態(tài)制冷劑不斷地受熱解析出來,在冷凝器中冷凝成液體,再流入蒸發(fā)器。液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中不斷蒸發(fā)而實現(xiàn)制冷,而蒸發(fā)的氣態(tài)制冷劑在吸附發(fā)生器中又被吸附劑吸附,吸附飽和后再次被太陽能加熱而解吸,完成循環(huán)。另外,太陽能作為再生熱源也被引入到轉(zhuǎn)輪式除濕空調(diào)系統(tǒng)中,用于除濕材料的再生,該系統(tǒng)也是當前國際空調(diào)領(lǐng)域的研究熱點。目前,國際上已有多個太陽能轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)工程成功實施[5]。

1.2.3 太陽能噴射制冷及其他太陽能驅(qū)動機械制冷方式

太陽能噴射式制冷主要是利用太陽能集熱器加熱制冷劑產(chǎn)生一定壓力的蒸汽,然后制冷劑蒸汽通過噴嘴噴射進行制冷[4]。此外,還可使用太陽能供熱,驅(qū)動一個朗肯循環(huán)產(chǎn)生電能后,用于給傳統(tǒng)制冷設(shè)備供電,從而達到供冷的目的。關(guān)于太陽能朗肯循環(huán)的介紹可參看文獻[2][3][10]。

2 太陽能在采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 直接主動太陽能采暖

這是太陽能利用早期階段的應(yīng)用方式。它主要是利用太陽能集熱器與載熱介質(zhì)經(jīng)蓄存及設(shè)備傳送向室內(nèi)供熱。此系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲熱裝置、傳遞設(shè)備、控制部件與備用系統(tǒng)組成。集熱器吸收太陽輻射使集熱器內(nèi)的載熱介質(zhì)如水或空氣的溫度升高,并由水泵或風(fēng)機傳送至儲熱裝置內(nèi),根據(jù)控制溫度經(jīng)過熱交換器或直接送至散熱裝置向室內(nèi)供熱,并有備用輔助供熱系統(tǒng)在陰天及太陽能供熱不足時使用。另外,太陽能集熱器還可以和地板輻射采暖結(jié)合,用集熱器內(nèi)的水作為地板輻射采暖供水。

2.2 太陽能熱泵采暖

1)直膨式太陽能熱泵。該系統(tǒng)以太陽能集熱板為低溫熱源,充當熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器,使制冷工質(zhì)在太陽能集熱板中直接吸收太陽輻射蒸發(fā),其主要包括太陽能蒸發(fā)集熱器,壓縮機,膨脹閥,冷凝器等部件。根據(jù)國內(nèi)外對太陽能熱泵供熱水系統(tǒng)的研究表明,采用直膨式太陽能熱泵系統(tǒng),供熱效率COP可達2.6以上,最高的已經(jīng)達到6.6[12],相比常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng),年能效比可提高27.7%[11]。2)間接式太陽能熱泵。間接式系統(tǒng)是指太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器分開,各自為獨立的換熱器。在太陽能集熱板一側(cè)的工質(zhì)吸收太陽能升溫,作為蒸發(fā)器內(nèi)熱泵循環(huán)工質(zhì)的熱源。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于在太陽能輻射充足時可直接利用太陽能集熱器循環(huán)進行采暖或供熱水,而無需啟動熱泵。另外,通過設(shè)計變化,可使得整個系統(tǒng)變?yōu)槔錈犭p用系統(tǒng),冬季氣溫低,通過太陽能輔助供熱,提高熱泵的供熱效率。夏季,則讓兩套系統(tǒng)獨立工作,熱泵系統(tǒng)供冷,太陽能集熱器系統(tǒng)供熱水,從而有效提高系統(tǒng)全年的運行效率。

間接式系統(tǒng)相比直膨式系統(tǒng)的缺點在于系統(tǒng)復(fù)雜,初投資較高。

3 結(jié)語

我國是太陽能資源十分豐富的國家,2/3的地區(qū)年輻射總量大于5 000 MJ/m2。在建筑空調(diào)領(lǐng)域充分利用這種清潔、可再生能源一方面可極大地減少空調(diào)系統(tǒng)對不可再生能源及電力資源的消耗,另一方面由于減少了對傳統(tǒng)能源的消耗,也將減少與之相關(guān)的各種環(huán)境污染問題。目前,關(guān)于太陽能制冷與熱泵技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于發(fā)展中。許多相關(guān)理論和技術(shù)、產(chǎn)品尚處于研究、實驗和示范運行的階段,還未達到可以推廣應(yīng)用的地步。這里一個重要原因在于目前的太陽能集熱和光電技術(shù)對太陽能的利用效率不高,從而導(dǎo)致整套系統(tǒng)的規(guī)模較大,投資成本較高。但是,相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,新材料和新技術(shù)的不斷開發(fā)應(yīng)用,太陽能空調(diào)在我國乃至全球必將有廣闊的發(fā)展前景。

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