摘要: 阐述太阳能制冷的工作原理和太阳能空调系统的方案实施，强调太阳能作为可再生清洁绿色环保能源，在建筑领域中有着无限美好的发展前景。
关键词:太阳集热器 吸收式制冷机 环保 节能
传统空调制冷机采用的氟利昂制冷剂会催化分解臭氧，削弱臭氧层对紫外线的阻挡,威胁人类健康；传统空调的大耗电量引起电力紧张，电力的发展同时带来CO2废气,增加了大气温室效应和酸雨等环境问题。传统空调显然有背于环保节能两大主题的。那么能否有方法既环保节能又满足人们对空调的需求，回答是：在一定技术条件下是可以做到的。当前太阳能空调制冷技术主要是利用热能转换吸收式制冷和光电转化成电能驱动常规制冷机制冷。对于后者大功率光电转化价格昂贵，比较环保节能的技术是前者利用太阳能热水进行吸收式制冷［1］。
1 太阳能制冷运用的技术理论
太阳能制冷主要依靠吸收式制冷机和太阳能集热器两大部件联合运行构成。
1.1 吸收式制冷机工作原理
吸收式制冷是利用两种物质所组成的二元溶液作为工质来进行的。这两种物质在同一压强下有不同的沸点，其中高沸点的组成部分称为吸收剂（例如：溴化锂， 沸点为1265℃，有吸水性），低沸点的组成部分称为制冷剂（例如：水，沸点为100℃）。
吸收式制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器
四大件构成，另加热交换器，小屏蔽泵附件组成［2］见图1。在制冷机运行过程中，真空泵将机组抽至真空后，当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水（由太阳集热器提供）加热后，低压水不断汽化（在一般的高温下对溴化锂水溶液加热时，仅产生冷剂水蒸气）；冷剂水蒸气进入冷凝器，被水冷或风冷降温后凝结；随着水的不断汽化，发生器内的溶液浓度不断升
高，进入吸收器；当冷凝器内的冷剂水经过节流阀减压节流进入蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，使冷媒水出口温度达到6～8℃；在
此过程中，低温水蒸气进入吸收器，被吸收器内的浓溴化锂溶液吸收，溶液浓度逐步降低，由溶液泵送回发生器，完成整个循环［2］。简单地说溴化锂机组是利用水在低压下相态的变
化（由液态变为汽态），吸收汽化潜热（蒸发式制冷）来达到制冷媒水的目的。溴化锂机组利用了太阳集热器热量后，那么它消耗的电能，仅仅是小水泵的电能，而不需要压缩机了。在实际研制过程中一般溴化锂溶液的浓度不宜超过62％，通过对溶液循环量和制冷量的最佳分配，控制温度、压力、浓度等参数在循环之间的优化配置，以求最大限度的利用热源水的热量，使热水温度达到68℃就可利用。此温度一般使用平板式太阳集热器就可满足要求［1］。吸收式制冷机与传统压缩式制冷机在获取冷量的原理上是相同的，都是利用高压液体制冷剂经节流阀节流降压后，在低压下蒸发来制取冷量，它们都有起同样作用的冷凝
器、蒸发器和节流装置。而主要区别在于由低压冷剂蒸汽如何变成高压蒸汽所采用的方法不同，压缩式制冷机是通过电能驱动压缩机来实现的，因此耗电大；而吸收式制冷机是利
用太阳能热水的热量，通过吸收器，溶液泵和发生器等设备来实现的，因此省电。
1.2 太阳能集热器工作原理
太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并向工质传递热量的装置，它是一种特殊的热交换器，集热器中的工质与远距离的太阳进行热交换。太阳能集热器由带涂层的吸热管芯（吸收太阳
射热后温度升高热量能很快传递给流体通道中的水）、透明
盖板（产生温室效应，使之进去的能量大于表面散失的能量而提高温升。）、保温层（减少热损失，）、循环管、储热保温水箱及辅助装置等组成。普通集热器盛夏时热水温度可达68~88℃，使用聚光集热器可使阳光点状或线状聚焦可获得96℃以上的高温水。1.3 太阳能空调系统工作原理太阳能空调系统就是利用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水来制冷而获得冷媒水的空调系统。太阳能空调系统主要包括吸收式制冷机、空调箱(或风
机盘管)、太阳集热器、储水箱和自动控制系统。太阳能空调系统可以实现夏季制冷、冬季采暖的功能。
1.4 太阳能空调技术现状分析
从太阳能系统和制冷热源工作温度的高低来分，可以分为3 类：高温型（95～120℃）、中温型（88～95℃）和低温型（65～88℃）3 种类型。
（1）按集热器方面看，高温型的太阳能空调系统需要聚光型太阳能集热器，造价高，但制冷系数高，效率好。中、低温型太阳能空调系统采用常规的太阳能集热器，造价低，制冷
系数偏低，效率稍差些。
（2）按系统方面看，高温型超过100℃的运行，如果采用水作为介质，系统处于受压状态，随之会产生一系列的问题，如压力容器问题和储热问题。中、低温型则不存在这些问题。在“九五”期间，中科院广州能源所在广东省江门市建成了100kW 太阳能空调系统，采用高效平板太阳能集热器、低温运行的两级吸收式制冷机；北京市太阳能研究所在山东省
乳山市建成了100kW 太阳能空调系统，采用热管式真空管集热器、中温运行的单级吸收式制冷机。此两座太阳能空调系统是太阳能制冷理论在国内实践的典范。
2 太阳能空调系统方案
2.1 方案地点概况
笔者在2009 年6 月为九龙山东沙湾L1 地块海神湾管理楼设想了一个太阳能空调系统综合运行方案。九龙山东沙湾位于浙江省平湖市乍浦区内，管理楼坐落于高丘上，东邻东海。该地区日照时间长，有丰富的太阳能资源，当地夏季最高气温41.2℃。
2.2 主要技术性能
新设想的太阳能空调系统由太阳能集热器、溴化锂吸收式制冷机、保温储热水箱、保温储能水箱、循环泵、空调箱（及风机盘管）、辅助电加热和自动控制系统等部分组成。见图2。基本参数：制冷机采用热水型单级溴化锂制冷量105 kW1 台，聚光型太阳能集热器采光面积550m2，热媒泵25.6m3/h,冷媒泵18.1m3/h, 冷却泵36.5m3/h, 热媒水标准设计温度
88℃，冷媒水标准设计出水温度8℃，提供1080m2 建筑面积空调用。在夏季， 被集热器加热的热水首先进入保温储热水箱，当热水温度达到88℃值时，由储水箱向制冷机提供热媒水；从制冷机流出并已降温的热水流回太阳能集热器并再次被加热成高温热水；制冷机产生的8 ℃冷媒水通向空调箱（及风机盘管），以达到制冷空调的目的。当太阳能不足时由辅助
电加热补充热量以加热热媒水至设计值。（图2 中打开A 阀B 阀F 阀G 阀I 阀J 阀， 关闭C 阀D 阀E 阀H 阀，完成夏季供冷循环）。在冬季，集热器加热的热水温度达到60℃值时， 储能水箱向空调箱提供热水，以达到供热采暖的目的。当太阳能不能够满足要求时，也可通过辅助电能补充热量。（图2 中打开C 阀H 阀I 阀J 阀， 关闭A 阀B 阀F 阀G 阀E 阀D 阀，完成冬季供热循环）。
在非空调采暖季节，将集热器的热水直接通向保温储能水箱，就可将冷水加热以供生活用水了。（图2 中打开E 阀C阀D 阀， 关闭A 阀B 阀F 阀G 阀I 阀J 阀H 阀）。
2.3 系统设计特点
（1）太阳能与建筑有机结合。建筑物的南立面结合西班牙建筑风格，皆采用大斜屋顶结构，斜面的面积比平面大得多，可以布置更多的集热器。斜屋顶倾角取35°，有利于集热器充分发挥作用。
（2）储热水箱使系统稳定运行。根据1d 内太阳辐照度变化的固有特点，储热水箱不仅可以使系统稳定运行，还可以把太阳辐射高峰时的多余能量以热水形式储存起来。
（3）储冷水箱降低了系统的热量损失。本系统设计了1个储冷水箱。在白天太阳辐照充裕的情况下，可以将制冷机产生的冷媒水储存在储冷水箱内，其优点在于这种情况下的系统能量损失显然要比以热媒水形式储存在储热水箱中低得多，因为夏季环境温度（假设33℃）与冷媒水温度（假设8℃）之间的温差要明显小于热媒水温度（假设88℃）与环境温度（假设33℃）之间的温差。
（4）配套的电系统可以全天候运行。所有太阳能系统的运行都不可避免地要受到气候条件的影响。为使系统可以全天候发挥空调功能，辅助的常规能源是必不可少的。配套的辅助电加热系统，在夜间以及白天太阳辐照量不足时，可启动电加热系统提升水温，保证制冷效果。
（5）本系统中，考虑了自动防过热和防结冻等措施，各环路流量、温度等参数由流量计与温度传感器测定，并将信号反馈至控制箱，ABCDEFGHIJ阀均为自控电动阀， 系统运行及工况切换均能自动控制， 一套完善的自动化控制设计为太阳能有效的利用和空调系统稳定的运行提供了可靠的保证。
3 太阳能空调系统的意义
太阳能吸收式空调系统与常规空调系统相比， 意义重大。
（1）传统的压缩式制冷机以氟里昂为介质，它对大气臭氧层有破坏作用，而吸收式制冷机以无毒、无害的吸收剂（例如溴化锂）为介质，它对保护环境十分有利；
（2）同一套太阳能吸收式空调系统可以将夏季制冷、冬季采暖和过渡季节提供热水结合起来，显著地提高了太阳能的利用率和经济性，明显之处就是节省了电能。
（3）太阳能空调的季节适应性好，太阳辐射和制冷负载具有一致性，系统制冷能力随着太阳辐射能的增加而增大：
辐射能越强，热媒水温度越高，制冷机制冷性能系数越高，空调系统的制冷效率也越高。而这正好与夏季人们对空调的迫切需求一致。
（4）太阳能空调建立在太阳能热水应用的基础上。增加的投资是制冷机部分（而这部分的投资在常规空调方面也是需要的），制冷机主要部件在真空状态下运行，无高压爆炸危险，安全可靠，运转安静无噪音。
4 结语
目前太阳能空调主要依靠太阳的热能进行制冷，与纯粹利用电能为动力的压缩式制冷系统相比，可以明显地降低电耗。但太阳能集热器采光面积与空调建筑面积的配比受到限制，目前只适用于层数不多的建筑。随着太阳能集热器及制冷机的工艺制造和工质等技术不断改进，太阳能空调系统的应用将得到广泛的推广。它的应用意义在于保护自然环境，节约常规能源。随着能源政策对清洁能源的倾斜，太阳能空调系统的前景将无限美好。
图2 太阳能空调系统综合利用流程图
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