Renato LAZZARIN

（帕多瓦大學(xué)，意大利帕多瓦 35122）

0 引言

空間采暖和制冷在全球能源需求中的占比較大。雖然目前空間采暖的能源需求要大于空間制冷的能源需求，但有以下幾個原因可以預(yù)期采暖需求將減少，而空間制冷需求將增加：1）發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)增長催生了更高的舒適度標(biāo)準(zhǔn)和增長的空間冷卻需求；2）建筑物與外界寒冷的環(huán)境隔離更容易，而限制入射的太陽輻射則更加困難，特別是對于主要由玻璃構(gòu)成的建筑物；3）家庭和辦公室中越來越多的電器和其他插電負(fù)載增加了室內(nèi)溫度；4）必須考慮到全球變暖。

國際能源署（International Energy Agency，IEA）預(yù)測未來30年全球空間制冷消耗的能源將增長3倍，到2050年，新增的電能需求相當(dāng)于目前美國、歐盟和日本的電能總和[1]。實際上，滿足空間制冷所需的全球電能預(yù)計將從2016年的850 GW增加到2050年的3,350 GW。

由于制冷需求強(qiáng)弱取決于太陽輻射強(qiáng)度，因此自1973年第一次能源危機(jī)以來，出現(xiàn)了許多針對太陽能制冷的研究。一些試點工廠迅速建成并測試，隨之開發(fā)出多種太陽能技術(shù)。太陽能制冷系統(tǒng)包括收集太陽輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱能或電能的設(shè)備，以及使用熱能或電能產(chǎn)生制冷的設(shè)備。太陽能制冷系統(tǒng)的發(fā)展與提高能效和降低成本緊密相關(guān)。太陽能集熱器的快速發(fā)展最初是傾向于熱能驅(qū)動的制冷設(shè)備，而隨著光伏電池效率的提升和成本的顯著降低，現(xiàn)在傾向于電能驅(qū)動的制冷設(shè)備。

為了更好了解當(dāng)前太陽能制冷的應(yīng)用情況和前景，本文介紹了從收集太陽能到制冷的主要替代路線，但不包括被動式太陽能制冷技術(shù)，例如蒸發(fā)冷卻、自然通風(fēng)等。但是在設(shè)計或翻新建筑物時，應(yīng)始終考慮被動式太陽能制冷技術(shù)。

1 太陽能組件

太陽能組件通常被稱為太陽能陣列，由各種太陽能板組成，太陽能板由光伏（Photovoltaic，PV）電池板或太陽能集熱器組成。

1.1 光伏（PV）電池板

目前，光伏模塊主要是基于單晶或多晶硅電池。在較為小眾市場中出現(xiàn)了所謂的“第二代”和“第三代”電池板，使用了先進(jìn)的薄膜（主要是非晶硅）技術(shù)，如CIS（硒化銅銦）或CdTe（碲化鎘），這些電池板在不久的將來具有廣泛應(yīng)用的潛力。

光伏模塊是由各種光伏電池串聯(lián)而成。它的效率定義為同一時間內(nèi)產(chǎn)生的電能與接收的太陽輻射能量的比值，從而可以計算瞬時、日、月甚至長期的效率。在標(biāo)準(zhǔn)條件下（太陽輻射強(qiáng)度為1,000 W/m2，電池溫度為25 ℃），光伏模塊的效率在13%～17%之間。必須限定電池溫度，因為較高的溫度會對效率產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是硅電池，其在炎熱晴天時效率會下降。

在過去的10年里，商用硅片模塊的平均效率從12%提升到17%左右，效率最高的模塊甚至能達(dá)到21%，單晶硅模塊的實驗室效率已經(jīng)達(dá)到24%以上，這個數(shù)值是未來幾年商用光伏的目標(biāo)，與此同時，單晶硅模塊的制造成本大幅下降。成本通常用歐元或美元每W/p表示，其中W/p代表峰值功率（在標(biāo)準(zhǔn)條件下，峰值輻射強(qiáng)度為1,000 W/m2）。近年來光伏造價不斷降低，已從2005年的5歐元W/p降到2010年的3歐元W/p，再降到2015年的1.5歐元W/p和2020年的1歐元W/p。光伏系統(tǒng)除太陽能電池板以外還需要其它部件，最重要的是平衡系統(tǒng)（Balance of System，BOS），該系統(tǒng)包括一個逆變器，其主要任務(wù)是將電池板的可變直流電（Direct Current，DC）轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ˋlternate Current，AC）。平衡系統(tǒng)（Balance of System，BOS）的成本可達(dá)到光伏模塊成本的10%～20%，對于較小的光伏模塊而言，這個占比更高。

1.2 太陽能集熱器

太陽能集熱器是將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置。本文只討論液體太陽能集熱器，即加熱水的集熱器，集熱器中的水通常與防凍液混合。

太陽能集熱器既可以固定不動（最常見的形式），也可以采用追蹤式，即為了優(yōu)化太陽光線角度而追蹤太陽的集熱器，通常將太陽光線聚焦在一個點或一條線上。

最廣泛使用的固定集熱器是平板式集熱器（Flat Plate Collector，F(xiàn)PC），太陽輻射能被有凹槽的金屬板吸收（圖1），在超過80～90 ℃的溫度下會產(chǎn)生熱能。

圖1 板式集熱器

集熱器與周圍環(huán)境的溫差會導(dǎo)致熱量損失，該熱損失可以通過一些技術(shù)方法降低：1）通過一個或多個通常由玻璃制成的透明屏蔽層隔熱；2）在集熱器背面和側(cè)面設(shè)置合理的絕緣厚度（7～10 cm）；3）在絕緣層上使用選擇性涂層，其中選擇性是指對低波長具有高吸收性（即可以吸收大多數(shù)太陽輻射），在紅外線（即大部分熱損失輻射的波長）中具有高反射率和低發(fā)射率。真空管式集熱器（Evacuated Tubular Collector，ETC）應(yīng)用在更高的工作溫度，通過鍍層（選擇性涂層）與玻璃（可以承受大氣壓的特定管型）之間的真空消除了對流損失（圖2）。

圖2 真空管式集熱器

太陽能集熱器均以固定的傾斜角度安裝，夏季使用時性能得到優(yōu)化，最佳傾斜角度等于緯度Φ減去10°。太陽能集熱器的性能取決于集熱器內(nèi)流體的平均溫度tm（℃）、外界空氣溫度ta（℃）和太陽輻射強(qiáng)度Iβ（W/m2）。

集熱器的熱效率定義為收集到的有用熱能功率Qu和同一時期輻射到集熱器的太陽輻射能的比值（Ac為集熱器的面積）：

盡管也有其他類型的固定太陽能集熱器，如蜂窩或復(fù)合拋物面集熱器（Compound Parabolic Concentrators，CPC），但只有選擇性平板式集熱器（Flat Plate Collector，F(xiàn)PC）和真空管式集熱器（Evacuated Tubular Collector，ETC）是最常被使用的。也有各種追蹤型集熱器，但目前最常見的是拋物線型槽式集熱器（Parabolic Trough Concentrator，PTC）。在PTC中，反射器將平行于集熱器軸的太陽輻射直接聚焦到放置在聚焦線的接收器上（圖3）。集熱器裝有單軸太陽能追蹤系統(tǒng)，通常使用E-W追蹤。

圖3 拋物線型槽式集熱器

一種基于菲涅爾反射光學(xué)的技術(shù)最近已上市。這些特殊的反射器技術(shù)將太陽光聚焦到一個共同點上，在這個點接收器將液體加熱到200 ℃。

與PTC一樣，該集熱器主要利用太陽直接輻射能，集熱器的效率和成本與PTC相似。該集熱器的性能可用變量Tm*的函數(shù)表示[2]：

圖4所示為FPC、ETC和PTC三種可能的效率曲線。圖中假設(shè)漫射輻射占比為25%（不是直接來自太陽的輻射被稱為漫射輻射，在晴朗的天氣下，漫射輻射可能是太陽總輻射的15%，在極端的陰天天氣下甚至達(dá)到100%）。太陽輻射的漫射透過率通常由清晰度指數(shù)Kh來評估，即每天照射在水平表面的太陽輻射強(qiáng)度和相應(yīng)的大氣輻射強(qiáng)度的比率。每日的清晰度指數(shù)范圍為0.25（陰天）至0.75（晴天）。

圖4 FPC、ETC和PTC三種類型太陽能集熱器的效率

由圖4可知，F(xiàn)PC受工作溫度的影響更大，ETC和PTC的斜率更低。FPC即使不再能收集到有用能量，仍能保持可觀的效率。橫坐標(biāo)的啟動效率（例如工作溫度等環(huán)境溫度）表明ETC的透明度較低，PTC不能充分利用漫射輻射。

太陽能集熱器的造價差別很大，不僅體現(xiàn)在技術(shù)方面，還在于建造規(guī)?；蛸I家的議價能力，另一個影響參數(shù)是安裝成本。FPC的實際造價大概為200歐元/m2，ETC為450歐元/m2，PTC為350歐元/m2，以上價格是標(biāo)價的60%，并適用于發(fā)達(dá)國家已安裝的集熱器。在發(fā)展中國家，造價可以降低50%甚至更高。因此應(yīng)使用購買力平價（Purchasing Power Parity，PPP）標(biāo)準(zhǔn)，即將成本與國家的人均收入進(jìn)行比較。

就光伏系統(tǒng)而言，市場上最普遍的是參考效率為15%的單晶或多晶硅電池。瞬時效率主要取決于電池溫度，因此必須在一天的不同時間評估電池溫度。在評估一個典型夏日的發(fā)電量時，還必須考慮逆變器的效率。90%的逆變器效率值是一個保守的估算，近期的可靠預(yù)測效率值為95%以上。在德國，包含平衡系統(tǒng)（BOS）的屋頂系統(tǒng)的實際成本約為1,100歐元/kWp（范圍為10～100 kWp）。

在一個水平面上的太陽輻射為7.6(kW·h)/m2的晴天，產(chǎn)生的電力可能超過每天0.9(kW·h)/m2，日效率為12%，低于15%的參考效率，低于參考效率的原因是在太陽輻射強(qiáng)度較高時，逆變器在最熱的時間點時會有效率損失。

為了評估太陽能集熱器收集的有用熱量，必須指定運行溫度，因為它對效率有很大的影響。對此選定了3種運行溫度：70、90和160 ℃。表1所示為3種不同的集熱器在上述環(huán)境下，在3種運行溫度下收集的有用熱量（括號內(nèi)為日效率）。

表1 不同集熱器在3種運行溫度下收集的日有用熱量

2 光伏驅(qū)動的制冷設(shè)備

目前有各種各樣的太陽能制冷技術(shù)可供選擇，最主要的是蒸氣壓縮技術(shù)，非常類似于傳統(tǒng)制冷設(shè)備，最終由直流電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行壓縮（詳見圖5）。眾所周知，在蒸氣壓縮系統(tǒng)中，制冷劑在一定壓力下蒸發(fā)，從而產(chǎn)生制冷效果，然后通過壓縮機(jī)變?yōu)楦邷馗邏旱恼魵?，并在較高溫度下冷凝，最后制冷劑通過節(jié)流閥回到蒸發(fā)器。

圖5 驅(qū)動壓縮式制冷機(jī)的光伏板

系統(tǒng)的性能通常由性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）表示，計算方法如下：

式中，q0為可用的制冷量，kW；E為系統(tǒng)消耗的能量（電能），kW。

COP取決于多個變量，如設(shè)備的特性、產(chǎn)生的冷量溫度和散熱器的溫度（蒸發(fā)器和冷凝器的溫度）。目前，通過空氣冷卻的空調(diào)設(shè)備的COP為3，而通過冷卻塔冷卻的空調(diào)設(shè)備的COP為4。雖然可以通過新開發(fā)的設(shè)備提高制冷性能，但是其造價昂貴。這些高性能風(fēng)冷設(shè)備的COP可以超過4，水冷設(shè)備的COP可以超過6。

3 太陽能熱驅(qū)動設(shè)備

太陽能熱驅(qū)動設(shè)備為制冷提供了更廣泛的選擇。太陽能熱量可以為直接循環(huán)設(shè)備（斯特林或朗肯發(fā)動機(jī)）提供動力，反過來驅(qū)動蒸氣壓縮循環(huán)，許多不同的系統(tǒng)利用物質(zhì)從蒸發(fā)器中提取制冷劑蒸氣，就像傳統(tǒng)的蒸氣壓縮循環(huán)一樣產(chǎn)生制冷效果。事實證明，對于建筑物而言，選擇直接循環(huán)系統(tǒng)既昂貴又低效，因為它需要高密度的太陽能集熱器和高溫（400 ℃或更高）才能達(dá)到可接受的效率。

大多數(shù)研究和實驗都集中于吸附式制冷。吸附式制冷利用一對物質(zhì)之間的物理或化學(xué)的吸附能力產(chǎn)生制冷效果。有吸附和吸收兩種過程：吸附是氣體或其他材料在固體表面產(chǎn)生積蓄；在吸收過程中，吸收劑和工作流體會形成液體溶液。

吸附過程可以在一個封閉的循環(huán)中進(jìn)行，熱驅(qū)動的冷水機(jī)組產(chǎn)生冷凍水用于冷卻空間調(diào)節(jié)設(shè)備。在開式循環(huán)中，干燥劑對循環(huán)空氣或外部空氣進(jìn)行除濕，并進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，從而直接處理通風(fēng)系統(tǒng)中的空氣。

3.1 閉式循環(huán)吸附設(shè)備

在1973年能源危機(jī)之前，使用溴化鋰水溶液和氨水溶液的熱驅(qū)動制冷設(shè)備（直接燃燒或使用熱水或蒸氣）已在市場上出售。溴化鋰水溶液中，水是制冷劑，溴化鋰水溶液是吸附劑，而在氨水溶液中，氨是制冷劑，氨水溶液是吸附劑。它們的工作原理是將制冷劑從蒸發(fā)器吸收到吸收器中。低功率泵將制冷劑和吸附劑混合物送到高壓容器中（發(fā)生器）。此過程中，熱量使一些制冷劑氣化并從混合物中分離出來，使得吸附劑混合物再生并返回到吸收器中，從而完成吸附劑的循環(huán)。來自發(fā)生器的制冷劑蒸氣在有環(huán)境空氣或冷卻塔的熱交換器中冷凝，變?yōu)橐簯B(tài)后返回蒸發(fā)器，從而完成制冷劑循環(huán)（詳見圖6）。吸收器-泵-發(fā)生器的組合作為熱驅(qū)動壓縮機(jī)，使低壓制冷劑蒸氣最終在發(fā)生器的較高壓力下被解吸。在該過程中，冷凝器必須像傳統(tǒng)的制冷設(shè)備一樣被冷卻，還應(yīng)該對吸收器進(jìn)行冷卻，因為吸收過程是放熱的，并且產(chǎn)生的熱量略高于吸收的制冷劑的汽化熱。

圖6 驅(qū)動吸收式制冷機(jī)的太陽能集熱器原理

吸附過程也用于熱驅(qū)動冷卻設(shè)備中。吸附劑（沸石、硅膠、活性炭或氧化鋁）可以吸收和保留來自蒸發(fā)器的制冷劑。當(dāng)吸附劑飽和時，吸附過程終止，然后必須通過加熱使其再生。蒸氣也可以采用上述方法在較高壓力下通過蒸發(fā)器冷凝解吸。與間歇設(shè)備相反，在連續(xù)運行時，至少需要兩個吸附劑床。

所有熱驅(qū)動設(shè)備的性能由COP表示，為制冷量和供給發(fā)生器熱量的比值（泵的功耗通常忽略，因為它通常只占供給發(fā)生器的能量的一小部分）。

COP的值取決于設(shè)備、供給發(fā)生器熱量的溫度、吸收器和冷凝器的溫度和冷凝水的溫度。太陽能制冷設(shè)備通常產(chǎn)生7～10 ℃的冷凍水，適用于使用風(fēng)機(jī)盤管的建筑物。也可以在較高溫度（如12 ℃或15 ℃）下產(chǎn)生冷凍水，這不僅能提高COP，也提高了吸附式制冷機(jī)的制冷量，不過會使空氣除濕變得困難。

對于空調(diào)設(shè)備，溴化鋰水溶液和吸附設(shè)備應(yīng)該用冷卻塔冷卻：空氣冷卻可能無法使設(shè)備在高于35 ℃的外部溫度下運行。溴化鋰水溶液制冷機(jī)需要85～90 ℃的發(fā)生器溫度，COP約為0.8，吸附式冷水機(jī)即使在70 ℃也能運行，COP較低，為0.4。溴化鋰?yán)渌畽C(jī)在較高溫度產(chǎn)生的冷凝熱可用于進(jìn)一步解吸混合溶液，COP可以達(dá)到1.2，但是供給高壓發(fā)生器的熱量必須在160 ℃左右。

氨水溶液設(shè)備的優(yōu)點是可以使用風(fēng)冷，并可以在0 ℃以下產(chǎn)生冷卻效果。但是，即使是最高效的發(fā)生器吸收器熱交換（Generator Absorber Heat Exchange，GAX）方式，COP只有0.6，并且需要提供140～160 ℃的熱量。

隨著制冷技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，出現(xiàn)了許多商用吸收式制冷技術(shù)[3]。關(guān)于太陽能制冷，小容量吸收式制冷機(jī)最近已經(jīng)商業(yè)化，其新穎之處在于使用溴化鋰水溶液，冷水機(jī)也使用風(fēng)冷處理，外部溫度為35 ℃（冷凍水為13 ℃）時，制冷量為2.5 kW。但是目前還沒有足夠的運行和性能信息。

在制冷空調(diào)設(shè)備成本較低小型建筑物（10～50 kW）中，常規(guī)蒸氣壓縮式制冷機(jī)的成本為300歐元/kW，單效吸收式制冷機(jī)成本為400歐元/kW（溴化鋰水溶液和氨水溶液），吸附式制冷劑成本為500歐元/kW，雙效吸收式制冷機(jī)成本為550歐元/kW。

3.2 開式循環(huán)吸附設(shè)備

開式循環(huán)吸附制冷可與液相和固相干燥劑一起運行。最常用的運行模式是通風(fēng)模式，在這種模式下，制冷設(shè)備僅處理新鮮空氣，來自外部的氣流通過干燥劑進(jìn)行除濕：此時高溫干燥的氣流被來自調(diào)節(jié)空間的回流空氣冷卻。另一邊，回流空氣先被直接蒸發(fā)的水進(jìn)行冷卻處理，然后再冷卻高溫干燥的外部氣流，進(jìn)行冷卻之后的回流空氣變得溫暖潮濕，進(jìn)一步被太陽能加熱后再生為干燥劑直接供應(yīng)到空調(diào)空間或進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)冷卻。開式循環(huán)吸附制冷有不同的方案，并且一些系統(tǒng)是可商購的。圖7所示為一種使用固體干燥劑除濕輪、旋轉(zhuǎn)式熱交換器和蒸發(fā)冷卻器的運行方案。干燥劑是由太陽能集熱器供電的加熱盤管進(jìn)行循環(huán)再生。

圖7 具有用于干燥劑輪再生的太陽能集熱器的固體干燥劑冷卻系統(tǒng)

開式循環(huán)吸附設(shè)備的性能很難與閉式循環(huán)吸附設(shè)備進(jìn)行比較。開式循環(huán)吸附不產(chǎn)生冷凍水，而是直接處理通風(fēng)空氣，它需要全空氣系統(tǒng)，通常不能用于現(xiàn)有建筑的改造，除非此建筑配備了全空氣系統(tǒng)。因此，兩者不能進(jìn)行技術(shù)比較。

在對通風(fēng)或除濕要求較高的新建筑中，可以考慮采用太陽能集熱器提供動力的開式循環(huán)吸附制冷，其性能接近閉式循環(huán)吸附冷卻，但具有直接處理空氣的優(yōu)點。

可以利用其他物理原理：如光伏發(fā)電（熱電、熱聲或磁制冷）或太陽能熱（噴射系統(tǒng)）進(jìn)行太陽能制冷。這些技術(shù)都還在開發(fā)中，基本沒有成型的商業(yè)化設(shè)備。圖8所示為太陽能收集到冷卻效果的替代路徑，其中只缺少開式循環(huán)吸附。

圖8 從太陽能到冷卻效果的替代途徑

4 整體效率

太陽能制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)評估可通過系統(tǒng)總效率（Overall System Efficiency，OSE）獲得，定義為在某個時間段（一天、一個月或者整個空調(diào)季）內(nèi)的制冷量與入射太陽輻射強(qiáng)度（Iβ）之間的比值。

對于太陽能熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)，該比值與吸附式制冷機(jī)的性能相關(guān)，COPth為制冷機(jī)的性能，即制冷量和輸入驅(qū)動制冷機(jī)的熱量之間的比值，即：

對于光伏驅(qū)動太陽能制冷系統(tǒng)：

式中，η為太陽能集熱器或光伏板的效率。

可以通過每個系統(tǒng)在夏季的平均OSE來進(jìn)行熱力學(xué)有效評估，該OSE可以表示每月的性能。所選日的日照可以用晴朗指數(shù)Kh表征，該比率為地表水平面上的月平均日太陽輻射能量與大氣層外界水平面上的月平均日太陽輻射能量之間的比值。已對晴朗指數(shù)Kh=0.65的情況進(jìn)行了一些數(shù)值分析，該指數(shù)可以代表7月羅馬的氣候。所考慮的晴朗指數(shù)Kh不會高于0.75。圖9所示為不同系統(tǒng)（熱驅(qū)動或電驅(qū)動）的選擇結(jié)果，也包括水冷和風(fēng)冷冷水機(jī)組。就冷凝器/吸收器的空氣冷卻而言，太陽能熱驅(qū)動僅涉及氨水GAX循環(huán)制冷機(jī)，原因在于，大多數(shù)溴化鋰-水系統(tǒng)需要冷卻塔。

圖9 4種類型的太陽能集熱器在不同溫度下的日均效率

圖9與傳統(tǒng)光伏驅(qū)動的壓縮式制冷機(jī)相比，70、90、160 ℃的3種溫度（吸附、單效吸收、雙效水冷）和160 ℃風(fēng)冷（氨水GAX）系統(tǒng)，3種太陽能集熱器的冷卻系統(tǒng)的總?cè)招省?/p>

系統(tǒng)總效率最高的是由ETC驅(qū)動的雙效系統(tǒng)，可以達(dá)到55%，之后是光伏驅(qū)動系統(tǒng)，如果使用的是水冷，則效率接近50%。根據(jù)評估得出，低溫吸附系統(tǒng)的系統(tǒng)總效率比一般吸附系統(tǒng)要低得多，因為低溫導(dǎo)致的太陽能集熱器效率的提高并不能補(bǔ)償較低的COP。ETC驅(qū)動的單效應(yīng)（45%）和PTC驅(qū)動的雙效應(yīng)（40%）具有良好的性能。雖然熱驅(qū)動系統(tǒng)的系統(tǒng)總效率可能比水冷光伏系統(tǒng)略高，但風(fēng)冷熱驅(qū)動系統(tǒng)由于太陽能集熱器效率較低和冷水機(jī)組COP較低的綜合作用，其系統(tǒng)總效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光伏系統(tǒng)。風(fēng)冷熱驅(qū)動系統(tǒng)總效率保持在28%以下，而光伏系統(tǒng)可以達(dá)到36%。

另一個比較需要評估在夏季獲得1 kW·h制冷所需的集熱面積，對比如圖10所示。粗略估計，最好的熱驅(qū)動系統(tǒng)每天單位集熱面積約為0.24～0.33 m2/(kW·h)，而光伏系統(tǒng)約為0.27～0.36 m2/(kW·h)。

圖10 各系統(tǒng)在晴朗天氣下產(chǎn)生1 kW·h制冷量的集熱面積

比較中不包括必須補(bǔ)充給太陽能熱系統(tǒng)的輔助能量。粗略估計，所需的集熱面積應(yīng)該增加大約10%，以彌補(bǔ)光伏系統(tǒng)額外的輔助能量，損失能量根據(jù)一次能源進(jìn)行評估。吸收式制冷機(jī)的水泵也應(yīng)考慮在內(nèi)，以便進(jìn)行正確的比較。泵不僅需要將從吸收器再生的溶液循環(huán)到發(fā)生器，還需要循環(huán)熱水來加熱發(fā)生器，冷卻水來冷卻吸收塔和冷凝器。原則上，對于小容量機(jī)組（如20 kW以下），雙效機(jī)組和氨冷水機(jī)組應(yīng)考慮不低于300～900 W的電量。仔細(xì)設(shè)計循環(huán)回路是至關(guān)重要的，一些早期的實驗記錄顯示，管道和配件（如閥門）的尺寸不合適可能會導(dǎo)致與只用驅(qū)動泵的傳統(tǒng)冷水機(jī)有相同的電力需求。在設(shè)計中，對于一個最大功率為20 kW的小型制冷機(jī)，太陽能集熱器電路在最大功率的基礎(chǔ)上需要每天多消耗3～7 kW·h的電力。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

高昂的初投資是許多可再生能源設(shè)備的共同特點，對太陽能制冷設(shè)備而言更是如此。全面比較成本（設(shè)備生命周期內(nèi)的投資和運營成本）需要詳細(xì)說明氣候、建筑利用率和特征、設(shè)備管理等情況。本文僅對一座安裝太陽能空調(diào)（10～50 kW冷負(fù)荷）的小型辦公樓的投資成本進(jìn)行簡單的經(jīng)濟(jì)分析。

考慮典型晴朗夏日情況（如前所述，7月羅馬晴朗指數(shù)Kh為0.65）。為了便于將結(jié)果推廣至不同制冷量的制冷設(shè)備中，需要對投資成本進(jìn)行具體評估：商業(yè)部門（商店或辦公室）營業(yè)10 h的平均制冷量為1 kW，即提供10 kW·h的日制冷量。只需將此處提供的值乘以所需容量，即可擴(kuò)展計算。

通過適當(dāng)?shù)碾娙荽鎯?，可以為制冷機(jī)提供10 h的額定發(fā)動機(jī)電量。換言之，集熱量可以為制冷機(jī)提供10 kW·h的日制冷量。

圖11所示為夏季日達(dá)到10 kW·h制冷量的3種不同的太陽能集熱器使用的4種制冷技術(shù)（70 ℃吸附、90 ℃單效吸收、160 ℃雙效吸收和160 ℃GAX氨吸收以及光伏太陽能制冷（前3個為水冷，最后1個為風(fēng)冷）所需的集熱面積和制冷系統(tǒng)的投資成本。

圖11 不同技術(shù)在晴朗天氣下為制冷系統(tǒng)提供10 kW·h制冷量的投資成本估算

為了詳細(xì)說明計算過程，假設(shè)一臺單效制冷機(jī)由ETC在90 ℃下驅(qū)動，特定成本約為450歐元/m2。制冷機(jī)電容的特定成本估計為400歐元/kW。為了獲得10 kW·h的制冷量，所需集熱面積為2.92 m2。實際上，假設(shè)一個典型晴朗天氣，集熱器的日輻射量為7.6(kW·h)/m2，此類集熱器的日效率為56%，OSE的日效率為45%（估計COP=0.8），因此每日所需面積為0.292 m2/(kW·h)。因此，預(yù)估投資成本為2.92×450+400=1,714歐元/10(kW·h)/d。

光伏驅(qū)動的制冷系統(tǒng)分析相似，日效率約為12%。每kW·h電力產(chǎn)生4 kW·h的制冷量（COP=4）。每日電能估計為7.6×0.12=0.91(kW·h)/m2，每日制冷量要高出4倍（3.65(kW·h)/m2）。所需的PV面積為10/3.65=2.74 m2。估算冷水機(jī)的成本為300歐元/kW，總投資為（帶逆變器的PV面板165歐元/m2，PV面積需要6～7 m2/kW）：2.7×165+300=746歐元/10(kW·h)/d。

與光伏太陽能制冷相比，由于太陽能熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)需要進(jìn)行儲存，所以比較復(fù)雜。太陽能熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)不僅必須提供熱存儲，而且當(dāng)建筑制冷需求發(fā)生變化時，建議通過限制機(jī)器的開關(guān)來控制冷量存儲。實際上，許多開關(guān)的周期甚至可以致使小容量吸收式制冷機(jī)的日COP減半。此外，對于COP低于1的吸收式制冷機(jī)，類似的降溫幅度（通常在5 K范圍內(nèi)）的冷存儲被證明比熱存儲所需空間要小，而且可能會產(chǎn)生更少的熱損失（如果熱量增加）。熱存儲的成本為20～100歐元/(kW·h)[4]。提供1 kW·h制冷量所需要的存儲容量大小取決于冷水機(jī)的COP。單效吸收式制冷機(jī)容量可達(dá)1.25(kW·h)。由于發(fā)生器的有效降溫量約為5 K，冷卻水儲水量約為200 L/(kW·h)。如果使用相變材料進(jìn)行存儲可以實現(xiàn)更小的體積和更高的性能，但成本也較高。

過去3年來，光伏板成本的大幅下降似乎消除了太陽能熱驅(qū)動制冷和光伏發(fā)電制冷之間的競爭。光伏發(fā)電的最佳替代方案是具有ETC或PTC的雙效制冷機(jī)，但是，其投資成本是光伏的兩倍。熱驅(qū)動的風(fēng)冷式冷水機(jī)價格太高，而光伏驅(qū)動的風(fēng)冷式冷水機(jī)在成本上額外增加20%。

此外，考慮到存儲成本，需要增加大約500歐元的額外成本。仔細(xì)比較，還應(yīng)考慮是否需要為光伏太陽能制冷系統(tǒng)配備合適的電池存儲，其費用比熱存儲高很多，預(yù)估為120歐元/(kW·h)，但考慮到1 kW時的存儲可以產(chǎn)生約3 kW時的制冷量，總成本將與相應(yīng)的熱量存儲相同。另外需要重點考慮的是，光伏系統(tǒng)通常與電網(wǎng)連接，因此也需要存儲電網(wǎng)電力。太陽能熱驅(qū)動制冷由于需要各種泵的電力（有時超過1 kW）所以也需要并網(wǎng)。這些電力可以通過光伏提供，但分析得出其中原理非常復(fù)雜。

在配置太陽能制冷系統(tǒng)時應(yīng)仔細(xì)考慮的一個基本參數(shù)值f。該參數(shù)常用于其他太陽能系統(tǒng)，如建筑物的太陽能供暖或生活用水供暖。字母f代表“免費”，即太陽能滿足制冷需求的比例。在通常的設(shè)計中，太陽能系統(tǒng)不能滿足整個需求，需要配有輔助系統(tǒng)，通常是傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)，或為熱驅(qū)動系統(tǒng)的吸收式制冷機(jī)供電的鍋爐，當(dāng)太陽能的能量較低或無日照以及存儲容量不足時，該系統(tǒng)運行。

正確選擇f值需取決于許多參數(shù)，如氣象（太陽輻射、制冷季節(jié)溫度）、建筑物冷卻需求量及趨勢、傳統(tǒng)能源成本（電網(wǎng)電力、天然氣或其他燃料）以及太陽能部件和存儲成本，也不能忽視折現(xiàn)率等經(jīng)濟(jì)參數(shù)。

6 太陽能制冷發(fā)展數(shù)據(jù)

截至2018年底，全球太陽能制冷系統(tǒng)安裝量估計約為1,800套。其中大部分（約70%）位于歐洲[5]，主要分布在西班牙、德國、意大利和希臘。大多數(shù)已安裝的太陽能熱驅(qū)動制冷系統(tǒng)都配備了高性能板式或真空管集熱器。目前世界上最常用的太陽能熱制冷技術(shù)是遠(yuǎn)程吸附技術(shù)（72%），其次是一般吸附技術(shù)（17%）和固體除濕技術(shù)（10%）。液體除濕技術(shù)僅占總安裝量的1%。令人驚訝的是，文獻(xiàn)中很少報道光伏驅(qū)動的應(yīng)用。光伏和空調(diào)的第一次結(jié)合可以追溯到1993年[6]，但隨后幾年進(jìn)行的少量研究只涉及低容量的獨立裝置。在2018年的大量文獻(xiàn)研究中，只有兩項涉及光伏空調(diào)系統(tǒng)的實驗進(jìn)行了為期一年的測試[7]。最近光伏電池成本的下降表明，這些應(yīng)用在未來幾年將迅速增加。最近的研究評估了在有利氣候條件下光伏驅(qū)動空調(diào)的投資回收期不到4年（炎熱夏季和溫暖冬季）[8]。這一結(jié)果與電價密切相關(guān)，一些作者將閾值設(shè)為0.15歐元/(kW·h)[7]。

7 環(huán)境因素

太陽能制冷可以減少化石燃料的使用，進(jìn)而對環(huán)境產(chǎn)生積極的影響。環(huán)境效益可以通過減少的二氧化碳排放量進(jìn)行評估，根據(jù)不同國家的不同電力組合，電網(wǎng)電力可達(dá)到0.5～1.0 kgCO2/(kW·h)。每kW·h的太陽能制冷量（COP=3）可減少160～330 g的CO2排放量。但是，熱驅(qū)動的太陽能制冷系統(tǒng)需要附加能源（泵和風(fēng)扇）的補(bǔ)充。附加能源占可再生能源供應(yīng)的10%，因此單效吸收式制冷機(jī)的附加能源成本估計為50～100 g/(kW·h)。此外，對太陽能電池板和太陽能收集器的能源回收期（回收制造設(shè)備所需能量的時間）都應(yīng)進(jìn)行評估。在這些問題上存在很多爭議，沒有達(dá)成共識。然而，根據(jù)氣候情況（太陽輻射越大，回收期越短）評估，硅電池的光伏電池板的能源回收期估計在1.5～3年，薄膜電池不到1年。太陽能集熱器也可以參考類似值。對系統(tǒng)的整個壽命期內(nèi)的效益進(jìn)行評估，這可能需要20年左右。評估值取決于許多變量，如氣候或設(shè)備的利用率。一塊硅光伏板每年的發(fā)電量預(yù)計在100～200(kW·h)/m2。在整個生命周期，將以150～300(kW·h)的能源成本生產(chǎn)2,000～4,000(kW·h)/m2發(fā)電量，即凈增益1,700～3,850(kW·h)，這意味著將減少850～3,850 kg/m2的二氧化碳排放量。

8 結(jié)論

本文討論了幾種市場可供選擇的商用太陽能制冷技術(shù)，比較了太陽能熱驅(qū)動和光伏驅(qū)動這兩個主要系列。

太陽能熱驅(qū)動制冷技術(shù)比較側(cè)重于總體效率，在某些情況下，熱驅(qū)動系統(tǒng)可能比光伏驅(qū)動系統(tǒng)更好。實際上，驅(qū)動雙效吸收式制冷機(jī)的ETC允許OSE達(dá)到55%，而光伏系統(tǒng)達(dá)到48%。但是，當(dāng)對投資成本進(jìn)行比較時，熱驅(qū)動系統(tǒng)不再具有競爭力，因為光伏驅(qū)動系統(tǒng)的投資成本約為最優(yōu)太陽能熱驅(qū)動替代方案的一半。近年來，光伏電池板巨大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，使兩種系統(tǒng)的成本發(fā)生了轉(zhuǎn)變[9]。迄今為止，熱驅(qū)動太陽能電池板并沒有從同樣顯著的成本降低中受益，盡管產(chǎn)量大大增加，但仍沒有達(dá)到光伏電池板的規(guī)模。

2017年4月的最新簡報顯示，太陽能集熱器的成本降低了20%～40%。同期，光伏發(fā)電成本降低了20%左右。對于日照條件好的國家，光伏太陽能制冷可以直接與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)競爭，輔以蒸氣壓縮式制冷機(jī)的COP可能增加至高達(dá)5或6，熱驅(qū)動太陽能制冷似乎無法與其競爭。然而，大規(guī)模生產(chǎn)ETC或PTC可以將成本降低到與FPC相差不遠(yuǎn)的水平，如果吸收裝置也能實現(xiàn)類似的成本降低或性能改進(jìn)，就可以與目前的光伏系統(tǒng)實現(xiàn)競爭。

文中沒有對除濕冷卻進(jìn)行比較，如上所述，該技術(shù)適用于使用全空氣系統(tǒng)的建筑。尤其是在炎熱和干燥的氣候條件下，當(dāng)存在高通風(fēng)率或高潛熱負(fù)荷時，這種建筑使用除濕冷卻可以在性能和成本方面達(dá)到更好的效果。

最后，在需要全年提供服務(wù)以及不需要冷卻的情況下，應(yīng)重視太陽能熱驅(qū)動技術(shù)的使用。實際上，太陽能熱驅(qū)動系統(tǒng)可以為建筑供暖和提供熱水。同樣，當(dāng)與熱泵結(jié)合用于冬季供暖時，光伏系統(tǒng)也應(yīng)進(jìn)行評估。隨著PV/T集熱器的開發(fā)和批量生產(chǎn)，光伏板所產(chǎn)生電和熱，可能會實現(xiàn)全新的、出乎意料的結(jié)果[10]。

9 國際制冷學(xué)會建議

太陽能制冷可以通過減少化石燃料的使用，對環(huán)境產(chǎn)生非常積極的影響，認(rèn)為其與常規(guī)制冷設(shè)備競爭逐步發(fā)展成熟。國際制冷學(xué)會（IIR）強(qiáng)調(diào)：

1）在全球范圍內(nèi)，開展推動太陽能制冷經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的宣傳活動，提升潛在用戶、政策制定者和行業(yè)代表的意識；

2）對制冷專業(yè)人員進(jìn)行太陽能制冷技術(shù)培訓(xùn)，包括專門的培訓(xùn)課程，為設(shè)計師和安裝人員開發(fā)先進(jìn)的建模和仿真工具；

3）通過資助來促進(jìn)太陽能制冷技術(shù)的研究；

4）鼓勵在國家和國際層面實施太陽能制冷技術(shù)鼓勵政策，可以向有關(guān)用戶特別是發(fā)展中國家的用戶提供補(bǔ)貼；

5）建立激勵機(jī)制促進(jìn)太陽能制冷的使用，例如為使用太陽能輔助制冷系統(tǒng)的用戶免稅。