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太阳能制冷和混合供暖供热水技术

添加时间:2022-08-20 10:45:57

技术内容简介:

其它制冷的方法包括结合建筑物自然通风以减少太阳能增益和传热损失。在建筑设计和材料应用过程中应始终考虑自然通风,这样可以减少机械制冷负荷。冷却梁等建筑设计也可以为建筑物提供舒适凉爽的环境。


最简单的太阳能制冷方法是:水或添加制冷剂的水等流体收集太阳热能,通过热交换器或者吸收式制冷机进行能量转换,形成一个制冷循环。在制冷机运行过程中,当流体在发生器内受到热媒水加热后,溶液中的水不断汽化;水蒸气进入冷凝器,被冷却水降温后凝结;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;当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时,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,从而达到降温制冷的目的;在此过程中,低温水蒸气进入吸收器,被吸收器内的吸收剂溶液吸收,溶液浓度逐步降低,由溶液泵送回发生器,完成整个循环。


空调/制冷该技术可以分为如下方式:


·吸收式制冷机,


·除湿制冷技术(吸附式制冷机)与固体干燥剂,采用太阳能集热器的空气或水加热;


·新的干燥剂冷却循环和液体吸附剂;


·封闭式循环固体吸附;


·综合系统(例如与传统的温度控制结合的太阳能除湿)。


以上都可用于制冷和除湿,并具有减少能源需求92-95%的潜力(Philibert,2005)。在潮湿的地方液体干燥剂将是。


该系统包括太阳能集热器和热驱动式制冷机。为了系统能够以更高效率运行,还需要控制系统。系统的性能主要依赖于太阳能辐射输入、冷却水温度、冷却器。


基于热转化技术的最发达的两个主要技术为:


1.热驱动制冷机产生的冷却水可在任何类型的空气调节设备中使用;


2.开方式循环或干燥剂冷却系统,用于通风系统直接冷却空气。


太阳能吸收式制冷:用太阳能集热器收集太阳能来驱动吸收式制冷系统,是目前为止示范应用最多的太阳能空调方式。多为溴化锂—水系统,也有的采用氨—水系统。ASHRAE(1988)对吸收式制冷机的运行进行了描述。可以根据适用范围对容量进行不同的设计。只有少数系统低于30kW,大多数都为100kW以上。常规的空调制冷剂-吸收剂为水-溴化锂。所谓太阳能吸收式制冷,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。热媒水的温度越高,则制冷机的性能系数(亦称COP)越高,这样空调系统的制冷效率也越高。例如,若热媒水温度60℃左右,则制冷机COP约0-40;若热媒水温度90℃左右,则制冷机COP约0-70;若热媒水温度120℃左右,则制冷机COP可达110以上。常规的吸收式空调系统主要包括吸收式制冷机、空调箱(或风机盘管)、锅炉等几部分,而太阳能吸收式空调系统是在此基础上再增加太阳集热器、储水箱和自动控制系统。太阳能吸收式空调系统可以实现夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活热水等多项功能


太阳能吸附式制冷:利用吸附制冷原理,以太阳能为热源,采用的工质对通常为活性碳—甲醇、分子筛—水、硅胶—水及氯化钙一氨等,可利用太阳能集热器将吸附床加热后用于脱附制冷剂,通过加热脱附——冷凝——吸附——蒸发等几个环节实现制冷。该技术具有无活动部件、噪音低、无氟、安全和只使用泵循环的优点。


开放循环系统产生的冷气直接冷却水以驱动制冷机。基本特征是干燥剂除湿和蒸发冷却。常用的干燥剂是硅胶和氯化锂。该系统只需要在空调系统中通常使用的标准部件,并且通常在温带地区使用。Henning(2007)所述在地中海温度运行可能需要使用额外的组件。


技术可行性和运行条件


如上所述,太阳能制冷具有许多形式,液体吸附材料最贴近市场需求,另一些仍处于研发阶段。100kW容量的系统需求更大,也有少数系统容量低于30kW。


吸收式制冷机占主导地位(59%),吸附式制冷机(11%)和干燥剂冷却系统(23%)。所有安装的系统有6%使用了液体干燥剂。吸收式制冷系统是满足市场需求的一款主要技术。


进一步的研究和开发建议是:整合新技术市场,降低成本。国际能源署(IEA)太阳能加热和制冷组提供了应用该技术的程序,对用户进行指导,并提供了一??个技术信息的传播渠道(IEASHC,2002年,2009年)。还需要更多的示范项目。






技术现状及市场前景



据Henning(2007年),欧洲已安装了70个系统,装机容量6.3MW,集热面积17500m2,主要分布在德国和西班牙,部分在希腊、葡萄牙、意大利、奥地利、法国、荷兰、以色列、土耳其和塞尔维亚。吸收式制冷机主要由日本、中国和韩国制造,还有部分在北美制造。这些主要与废热、热电联合组合或者是燃气想结合。尽管成本昂贵,日本政府正在积极鼓励推进该项技术,因为可以减少天然气进口和夏季电力负荷(IPCC,2003)。


目前常用的太阳能热驱动空调及其工作方式。从空调系统讲,主要有吸附式、吸收式、除湿空调和喷射式制冷四大类,其中前三种研究应用最广。




表1几类太阳能热驱动空调技术特征和参数比较


它们的工作原理是利用太阳能集热器产生的热能驱动制冷装置产生冷冻水或调节空气送往建筑环境内进行空调。具体如下:


(1)太阳能吸收式制冷:用太阳能集热器收集太阳能来驱动吸收式制冷系统,是目前为止示范应用最多的太阳能空调方式。多为溴化锂—水系统,也有的采用氨—水系统。


(2)太阳能吸附式制冷:利用吸附制冷原理,以太阳能为热源,采用的工质对通常为活性碳—甲醇、分子筛—水、硅胶—水及氯化钙一氨等,可利用太阳能集热器将吸附床加热后用于脱附制冷剂,通过加热脱附——冷凝——吸附——蒸发等几个环节实现制冷。


(3)太阳能除湿空调系统:是一种开放循环的吸附式制冷系统。基本特征是干燥剂除湿和蒸发冷却,也是一种适合于利用太阳能的空调系统。


(4)太阳能蒸汽喷射式制冷:通过太阳能集热器加热使低沸点工质变为高压蒸汽,通过喷管时因流出速度高、压力低,在吸入室周围吸引蒸发器内生成的低压蒸汽进入混合室,同时制冷剂任蒸发器中汽化而达到制冷效果。


上述几种太阳能热能转换驱动的空调制冷方式中,目前为止太阳能溴化锂—水吸收式空调方式示范应用最多,以欧洲为主。另外,吸附式制冷方式由于驱动热源要求温度低,近年来在我国和欧洲发展很快。除湿空调技术以开放循环方式工作,系统可靠性高,在处理空调潜热负荷方面具有优势。


以空调特点而言,除湿空调是对处理空气进行调节的空气调节手段,能够直接把空气处理到理想的温湿度条件。而吸附制冷、吸收制冷和喷射制冷则主要以获得冷冻水为目的,进一步通过风机盘管或辐射末端对环境温湿度进行调节。前者在处理潜热负荷方面具有优势,但对空气降温处理方面能力有限,某些情况下,需要与其他制冷方式结合处理实现显热、潜热分级处理,达到理想空调效果。


在世界能源日益紧张、空调能耗逐年增加的情况下,采用更为节能的空调系统是人类的共同需求。以太阳能为驱动热源的空调制冷系统,既节约了能源,还不使用破坏大气层的氟里昂等有害物质,是名副其实的绿色空调。在节能和环保方面有很大的发展潜力。


太阳能空调制冷系统多是建立在太阳能集热器基础上,一方面,由于太阳能的利用效率低、价格高,并且受时效影响,对于居住相对集中的楼房来说,如果楼房的设计没有考虑到太阳能空调,集热器的安装将受到很大的限制;另一方面,太阳能制冷有多种形式,但就目前的研究现状来看,各种不同形式的制冷系统都多少存在着不足,所以限制了太阳能空调制冷技术的广泛应用。如何进一步提高系统的运行效率,以及各种制冷循环的联合运行都是将来研究的重点领域。随着太阳能空调系统设计制造的软硬件系统、技术标准、配套设备的发展,并依托绿色建筑这个发展的建筑市场,太阳能在空调制冷中的研究应用一定会有很大的发展。




技术对社会经济发展和环境保护的贡献



(1)对社会发展的贡献


当前,大部分使用的空调技术是一种以电能为动力,把室内热量加以吸收排除到室外的循环系统。耗能的严重问题,在世界能源日益紧张的今天,采用更为节能的空调系统是人类的共同需要。太阳能空调解决了这个问题,它基本不用电能,运行费用低(可无运行费用),无运动部件,寿命长,无噪声。而且利用太阳能作为能源的空调系统,它的诱人之处还在于越是太阳能辐射强烈的时候,环境气温越高,人们的生活越需要空调,此时,太阳能空调的制冷能力就越强。这是人和自然和谐的理想境界。使用太阳能空调的结果,既创造了室内宜人的温度,又能降低大气的环境温度,还减弱了城市中的热岛效应。更为可取的是,它既节约了能源,还不使用破坏大气层的氟里昂等有害物质,是名副其实的绿色空调。在节能和环境方面有很大的发展潜力。


就我国的空调行业而言,空调器的市场正处于发展和完善阶段,目前,大中城市家庭的空调器普及仅在20%以下,市场潜力十分巨大。随着人们生活水平的大幅提高,空调器已逐渐成为家庭必备的家用电器,阻碍空调进入家庭的主要矛盾是耗能和价格因素。从太阳能空调的特性和技术特点来看,太阳能空调最适合于上述矛盾的解决和应用,当前空调行业的需求也给太阳能空调技术的发展和应用带来了难得的机遇。太阳能空调技术一定有广阔的应用前景。


(2)对经济发展的贡献


商业和住宅楼宇的能源消耗约占欧洲的能源需求40%。通过减少电力需求,避免了资源需求的新建电站和由此产生的污染物排放。此外,也减少了破坏臭氧层的制冷剂的应用。欧洲空调系统的能源需求从1990年的6TJ上升到1996年的40TJ,预计2010年将达到160TJ(Balaras等人,2007)。为了解决这个问题,需要太阳能辅助冷却技术替代传统的空调系统。研究表明最有效的系统是水/溴化锂,最不理想的是氨/水系统(Hisajima等,2007)。针对风机和水泵的电力需求平均为225W/kW制冷量,耗水量为4-6公斤/小时每千瓦制冷量,节约能源0.07欧元/kWh(SACE,2003)。


(3)对环境保护的贡献


如上面所述,该技术适用于与现有的建筑系统。也减少了CFCs和HCFCs等温室气体的排放。替代化石燃料发电厂,减少了空气污染。因此,太阳能光热系统具有环境优势。尽管如此,当设备达到其使用寿命时必须仔细回收和处置好吸收剂和干燥剂。


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