太阳能制冷技术

第三节　太阳能制冷技术

太阳能热利用与大自然的规律并不是很匹配，冬季寒冷需要太阳能供暖时太阳能辐射强度往往不够高，而夏季天气炎热时太阳辐射强度很高，但用户却不需要太多的热水。此时可采用太阳能制冷技术来把夏季充沛的太阳能资源转化为冷源，这样可使太阳能得到更充分、更合理的利用，而且季节匹配性好。即天气越热、越需要制冷的时候，太阳辐射越强，太阳能制冷系统的制冷量也越大，太阳能空调制冷显然是夏季太阳能有效利用的较佳方案。

目前实现太阳能制冷主要有两种方法:第一种方法是太阳能光电转化，利用转化过的电力制冷。第二种方法是太阳能光热转化，用转化过的热能制冷。在相同制冷功率情况下，前一种方法造价为后一种方法的4～5倍。因此国际上太阳能空调的应用主要是后一种方法。太阳能光热制冷的方法包括太阳能吸收式制冷系统、太阳能吸附式制冷系统、太阳能除湿空调系统、太阳能蒸汽喷射式制冷技术等。

一、太阳能吸收式制冷系统

太阳能吸收式制冷技术是目前应用太阳能制冷最普遍、比较成功的方式之一，也是比较容易实现的方法。太阳能吸收式制冷主要包括两大部分:太阳能热利用系统以及吸收式制冷机组。太阳能热利用系统包括太阳能收集、转化以及贮存等构件，其中核心的部件是太阳能集热器，适用于太阳能吸收式制冷领域的太阳能集热器有平板集热器、真空管集热器等。吸收式制冷机组所使用的工质，应用广泛的有溴化锂－水、氨－水，其中溴化锂－水由于COP高、对热源温度要求低、没有毒性和对环境友好，因而占据了当今研究与应用的主流地位。目前应用较多的是太阳能驱动的单效溴化锂吸收式制冷系统。见图7－14所示。

二、太阳能吸附式制冷系统

太阳能固体吸附式制冷系统(图7－15)利用吸附制冷原理，以太阳能为热源，利用太阳能集热器将吸附床加热用于脱附制冷剂，通过加热脱附－冷凝－吸附－蒸发等几个环节实现制冷。晚上或太阳辐射不足时，吸附床冷却，吸附床温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂使蒸发器内制冷剂蒸发，蒸发器温度下降，通过冷媒水获得制冷的冷量。白天太阳辐射充足时，太阳能集热器吸收热量后加热吸附床，使吸附的制冷剂在吸附床内解附，解附的制冷剂进入冷凝器被冷却后回到蒸发器，如此反复完成循环制冷过程。

太阳能吸附式制冷系统要求使用在工作范围内具有吸附性能强、吸附速度快、传热效果好的吸附剂和汽化潜热大、沸点满足要求的制冷剂。因此，吸附式制冷循环关键是合理地选择吸附剂和制冷剂工质对，经过吸附和解附过程使制冷剂在冷凝器中冷凝成液体，在蒸发器中蒸发制冷。目前，比较成熟的工质对有活性炭－甲醇、活性炭－氨、氯化钙－氨、沸石－水、金属氢化物－氢和硅胶－水等。

图7－14　太阳能驱动的溴化锂－水吸收式制冷机组原理图

图7－15　太阳能吸附式制冷系统

太阳能吸附式制冷具有以下特点。

(1)系统结构及运行控制简单，系统运行费用低，也不存在制冷剂的污染、结晶或腐蚀等问题，不需要溶液泵或精馏装置。简单的太阳能吸附式制冷机可以仅由太阳能驱动，无运动部件及电力消耗。

(2)系统的制冷能力变化和太阳辐射的季节变化高度匹配，即太阳辐射越强，天气越热，需要的制冷负荷越大时，系统的制冷功率也相应越大。

(3)通常需要配置辅助热源。由于太阳辐射的不连续性以及易受气候影响等特点，太阳能吸附式制冷系统一般需要配置辅助热源，以满足空调或冷藏等应用场合的连续制冷需要。

(4)制冷功率相对较小。由于地面上太阳辐射的能流密度较低，收集一定量的加热功率通常需较大的集热面积，目前研制成功的太阳能吸附式制冷系统的制冷功率一般均较小。

三、太阳能除湿空调系统

太阳能除湿式制冷技术主要是利用太阳能集热器为除湿系统提供加热热源，使除湿剂再生;利用干燥剂来吸附空气中的水蒸气以降低空气的湿度，然后进行一定的冷却和绝热加湿达到制冷降温的目的。

太阳能除湿式制冷属于干燥剂除湿冷却技术，一般由干燥剂除湿、空气冷却、再生空气加热和热回收等几类主要设备组成。干燥剂系统与利用闭式制冷机的空调系统相比，具有除湿能力强、有利于改善室内空气品质、处理空气不需再热、工作在常压、适宜于中小规模太阳能热利用系统。液体除湿空调系统具有节能、清洁、易操作、处理空气量大、除湿溶液的再生温度低等优点，很适合太阳能和其他低湿热源作为其驱动热源，具有较好的发展前景。由于采用空气作为工质，水为制冷剂，整个系统在开放环境中运行，而且不再需要复杂的密闭系统，又没有环境污染问题，是传统压缩机空调系统的替代方案之一。太阳能发生吸收式制冷系统和太阳能除湿冷却系统是两种最常用的太阳能除湿空调系统。

太阳能发生吸收式制冷系统主要由太阳能集热器、除湿模块、蒸发器和末端设备组成。太阳辐射通过集热器加热除湿模块使水分蒸发而实现除湿溶液的再生，再生溶液通过溶液泵进入除湿模块吸收蒸发器过来的水蒸气，在蒸发器内水蒸气分压力迅速下降，由于大量水蒸发而吸收蒸发器内水分的显热，使水温降低到所要求的冷水温度，该冷水通过冷水泵进入末端设备制冷。

太阳能除湿冷却统主要由太阳能集热器、带辅助热源加热器的蓄热罐、除湿器、热回收装置、调湿器和送风风机组成。来自房间的热湿空气经热回收装置初步加热和太阳能集热器(或辅助热源)进一步加热后，进入除湿器，对除湿剂进行再生。处理空气进入除湿器进行除湿后，温度升高，湿度下降，然后处理空气进入热回收装置进行热量回收，处理后的干燥空气进入调湿器进行调温调湿，最后进入空调房间。

四、太阳能蒸汽喷射式制冷技术

喷射制冷技术由Blanc和Parsons于1901年提出，但由于效率远低于压缩制冷，所以一直没能广泛推广。后经过诸多研究学者的研究，制冷效率可通过增压喷射提高其制冷效率，且由于其系统简单、维护方便而越发受到重视。

太阳能喷射制冷系统图和LgP－h图分别如图7－16和图7－17所示。

其循环过程如下:制冷剂液体1在发生器中与太阳能集热器产生的热水进行热交换，变成蒸汽2。蒸汽2流经喷射器中的缩放喷嘴，压力降低，流速增加。由此形成的低压抽吸蒸发器中的蒸汽3。两股蒸汽混合后，经过喷射器的扩压段，成为状态4的蒸汽离开喷射器。排出喷射器的蒸汽在冷凝器中冷凝为液体。出冷凝器的液体分为两路，一路经过节流阀进入蒸发器，另一路经由工质泵增压后进入发生器。也可以说，喷射制冷循环由两个子循环构成，分别是1→2→3→4→5→1动力子循环和6→3→4→5→6制冷子循环。

图7－16　喷射制冷循环系统图

图7－17　喷射制冷循环LgP－h图

太阳能喷射制冷目前尚在实验研究阶段，若要推广应用，必须提高喷射制冷的核心部件——喷射器的喷射系数，找出最合适的制冷剂，并与其他制冷方式结合，只有这样才能解决自身的缺点，如效率低下、只能间歇制冷等。而在这三者当中，复合制冷系统则是最有效的途径。