太阳能空调技术进展与太阳能建筑

yidianyidi

一、引言

　　我国太阳能热水器的保有量已超过2000万平方米，年产量达300万平方米，是世界上生产太阳能热水器最多的国家。但以人均占有量计算，仍处于落后地位，所以这个市场的潜力还非常大。

　　太阳能热水器产生热水主要用于日常生活和采暖。但是当夏天太阳辐射越强、天气越热的时候，人们更需要的是空调降温。这种情况在我国南方每年大约有6-8个月时间，在北方也有4-6个月。利用太阳能热水器产生的热水制冷供空调，使太阳能和太阳能热水器全年充分利用，是最合理的方案。
2 x2 t  M/ L, [& U2 O
6 s) t' W  p/ T! G/ T　 “九五”期间，“太阳能空调”列入科技攻关计划，成功地建成了两座有一定规模的实用性太阳能空调系统，分别是：中科院广州能源所在广东省江门市建成的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；和北京市太阳能研究所在山东省乳山市建成的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。

. }! x7 z) }( G' u5 z' C　 “九五”太阳能空调计划的成功，为太阳能空调应用的可行性和实用性作出了很好的示范，其意义在于：
6 v# ]$ U9 z/ ^8 }% l
8 m# b" n1 d0 F( u7 F+ O' o# D　　 ◆ 解决太阳能利用的合理性问题--空调的需求与太阳辐射能的提供正好一致，充分利用了夏天的太阳能。
+ y- k  e8 R- R
& ?0 F2 V; @+ C& m6 E1 x8 h/ ], {　　 ◆ 解决实用性问题--通过技术突破，利用普通的太阳能集热器实现制冷空调。
* G4 b3 s0 Q  d6 j- `2 j7 Z( h
　　 ◆ 解决市场问题--以巨大的太阳能热水器市场为依托，开辟太阳能热水器一个新的应用领域，反过来又可以促进太阳能热水器市场的进一步发展。
9 o! W! R/ p# s  o
　　 ◆ 解决环境保护问题--使用清洁能源。

- I5 }2 r& r( y8 [, Z! y* U8 {4 E　　二、太阳能空调技术现状分析
" ~& N: a! y. i1 ^' i4 H" i
　　从太阳能系统和制冷热源工作温度的高低来分，目前国内外太阳能空调系统大致可以分为三类：
" w- \# r9 v+ a5 n8 e; X　　我们简单地称之为高温型、中温型和低温型三种类型。国外实用性系统多为中温型，也有高温型的实验装置，国内目前只有后两种。从表1可以看出：

　　 ◆ 随着工作温度的升高，制冷机COP相应提高，但太阳能集热系统的日效率要降低，太阳能制冷总效率相差不大。
% L) \/ k+ f& W
3 J- }) @3 S7 F1 M  G; \$ {　　 ◆ 从适配的集热器方面看，高温型的太阳能空调系统需要聚光型或者是特定的太阳能集热器，造价很高，不利于推广和普及。中、低温型太阳能空调系统采用常规的太阳能集热器就能满足要求，有利于太阳能空调的推广应用。

　　 ◆ 从系统方面看，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：如储热问题、压力容器问题等等。后两种类型则不存在这些问题。
; N- Y7 G) Y2 J5 h8 @- S8 ^
$ z$ f6 J+ ]: V8 {( _　　总的来说，高温型太阳能空调系统，对于解决某些科学技术的问题是有意义的，但由于造价很高，在实用性和普及推广方面是不利的。中温和低温型太阳能空调系统各有长短，前者制冷系数稍高，但需要采用价格较高的热管式真空管集热器；后者能适应普通的太阳能热水器，更有利于推广应用，缺点是制冷系数相对偏低。最佳的方案是两者结合，同时能适应中、低温度范围（65-95℃），温度稍高时，制冷机单级运行，温度稍低时，制冷机两级运行。
' K# F/ b( z$ Q
　　三、创新的高效率太阳能空调系统

6 ?* [) T. l6 h0 c4 c　　l、传统的太阳能空调系统
. F  ?1 b9 x' N$ d6 s9 }* p
( D" x/ A3 R% }0 }　　前面讨论的主要是针对制冷机与集热器的匹配及其效率问题，作为一个系统，系统的总效率是一个重要的问题。传统的太阳能空调系统由太阳能集热系统附加一台吸收式制冷机组成（如图1所示），图中，Qg为输入制冷机发生器的能量（太阳能系统输出能量）；Qa为冷却水从吸收器带走的能量；Qc为冷却水从冷凝器带走的能量；Qe为蒸发器制冷能量（从环境输人能量）；Qs为太阳能集热面积上的太阳辐射能。很明显：
: j/ v5 s  S' b6 I$ x  y5 k　　ηc约为0．24-0．30，再加上有限的产热（在太阳辐射不太强的时候产生热水），系统总的效率不超过40％。大量的热通过冷却塔放回环境当中（Qa＋Qc）。冷却水的循环、冷却还要付出水泵和风扇的功耗，是十分可惜的。因此，传统的太阳能空调系统在供冷时总效率很低。
1 }/ z8 K+ G- |# G
　　2、新概念的太阳能冷-热并供系统
+ m8 W- O4 ?1 f' n+ d4 S8 R
7 l) @' Z8 \/ C( a! J2 T3 K4 W　　从图1可以看出，Qa和Qc为热损失，是影响太阳能空调系统效率的主要因素。提高系统效率，应当在不影响制冷COPc的前提下，充分利用Qa和Qc。为此，基于热泵原理，提出了太阳能制冷-产热并供系统新概念。系统如图2所示。与图1比较，最明显的区别是取消了冷却塔，冷却水变成了热水输出，制冷机也由原来的整机式变成了分体式，发生器结合于太阳能集热系统，蒸发器则相当于空调室内机，太阳能空调系统成为一个整体，而不是传统的由太阳能集热系统附加一台吸收式制冷机组成太阳能空调系统的概念。

0 `8 @. C# t$ g. e　　系统的能量平衡如下：
　　设计运行工况是这样的：当太阳能系统集热温度为90℃ ，制冷温度为9℃ ，输出热水温度为45℃ 时，COPc=0.6，COPh=1.6，ηs=0.4，所以，c=0.24,ηh=0.64,ηt=0.88，系统总效率达到88％。如果制冷温度不要求太低，例如设定为12℃ ，在同样的条件下，COPc可达0．65，系统总效率达90％
　　3、技术特点

　　◆ 新概念的太阳能冷-热并供系统利用了热泵的原理，但是需要技术上的支持才能实现。我们知道，溴化锂吸收式制冷机冷却水温度一般为31℃ 输人，36℃ 输出，36℃ 的热水对用户来说是用不上的；而对于吸收式热泵来说，低温端（冷冻水）的输入温度又不能太低。在不同的运行工况下，对应的温度和压力是不同的。为了同时实现制冷和产热，需要以热力学循环理论为基础，对溴化锂吸收式制冷机进行全面的技术改造。

/ Q3 M- _1 F( w5 q3 @, P9 K, W. L　　◆ 改变了太阳能空调系统由太阳能集热系统附加一台吸收式制冷机组成的传统概念，制冷机在结构上进行了改造，由原来的整机式变成了分体式。把发生器放在太阳能集热系统中，直接利用太阳能热水，既减少了热损失，又节省了热水泵及其功耗。蒸发器则相当于空调室内机，安装更方便、更灵活，小型的甚至可以放在室内。

5 x5 n$ ?2 j' B" F' p) {　　◆ 传统的溴化锂吸收式制冷机小型化比较困难，本方案由于技术上和结构上的创新，可以生产 小功率的太阳能制冷机。
) W4 t# l" n$ @) w
! r. U4 H! x; K; E* Z　　◆ 减少了设备及泵耗。系统省去了制冷热源水泵、冷却循环水泵和冷却塔风机及其功耗，还省去了冷却塔设备，降低了系统的造价和运行成本。
- z, d  G9 K3 }- g& k
( N2 ]# i4 P/ m. y8 s0 a8 s5 _1 l　　◆ 制冷和热水同时提供，系统总效率可高达88％。冬季单纯供热运行时，在太阳辐射较强的情况下，利用制冷机作热泵运行，可以增加产热20—30％。
; `8 z2 X; V; y1 ?2 ?1 B　　4、10kw示范系统

( h- R. E9 H. H# J　　一座10kw新型太阳能空调系统正在建造当中，主要技术指标如下：

　　◆ 高效太阳能集热器（专利技术）
　　◆ 太阳能集热面积：60m2
3 t7 l5 ^, O; n　　◆ 制冷功率：10kw
　　◆ 制冷热源温度：90℃
　　◆ 热水输出温度：45℃
4 M" V8 J% q2 s( n5 V! d
. c3 L% v. K5 q　　5、太阳能热水系统、太阳能空调系统与新型太阳能冷-热并供系统比较
, [5 g1 R6 f1 @8 k! a6 q& o! d7 ~" y& d　　四、太阳能空调与太阳能建筑
6 H/ P. W: T' D: H  B
7 ~: U9 @# ]! l) g' O. U/ e　　随着经济发展，采暖、空调和生活用热的需求越来越大，是一般民用建筑物用能的主要部分。因此，建筑节能是国民经济的一个重大问题。
; h$ Q; s% D2 L) ]5 L$ G
" Q+ x0 f" [! Y　　利用太阳能供电、供热、供冷、照明，建成太阳能综合利用建筑物，是国际太阳能学术界的热门研究课题，是太阳能利用一个新的发展方向。美国、德国、日本、意大利等国家都已建成这种全部依靠太阳能的示范建筑物。

0 |. ]. q/ C1 m' s3 g　　太阳能建筑的发展大体可分为三个阶段：第 阶段为被动式大阳房，它是一种完全通过建筑物结构、朝向、布置以及相关材料的应用进行集取、储存和分配太阳能的建筑。第二阶段为主动式太阳房，它是一种以太阳能集热器与风机、泵、散热器等组成的太阳能采暖系统或者与吸收式制冷机组成的太阳能空调及供热系统的建筑。第三阶段是加上太阳电池应用，为建筑物提供采暖、空调、照明和用电，完全能满足这些要求的）称为“零能房屋”。
. a/ c6 |7 E: F. a
/ F# z, r: l& X3 `　　我国太阳能建筑的研究和应用还停留在第一阶段。太阳能空调及供热系统的成功，为第二阶段的主动式太阳房创造了条件。随着太阳电池不断提高效率、降低成本，利用光伏技术解决建筑物用电问题是切实可行的。美国、欧洲不日本分别推出了“屋顶光伏计划”，美国计划至2010年安装1000－3000MW，日本的目标是7600MW，太阳电池与建筑结合是一个必然的趋势。

　　因此，在我国发展第三阶段的太阳能建筑时机已经成熟。中科院广州能源所依靠其本身的技术，在本所实验大楼建一座全部依靠太阳能供电、供热和供冷的示范性太阳能建筑。其中，应用全新概念的太阳能冷-热并供技术门（10KW示范系统），太阳能利用总效率高达80％以上。此外，还采用多种新型的节能功能材料及相关的技术。
基本参数：
8 F$ d0 n9 _" f" a
" S, o3 `) \6 t8 J4 ?　　◆ 太阳房建筑面积：50m2
  {3 a/ k% P' f( ^( i' l　　◆ 园林面积：400m2
) M5 F; }; }- R3 n, V7 `% g　　◆ 单晶硅太阳电池：1000W
5 }& `9 e4 k4 ^7 o) M6 L　　◆ 太阳能制冷功率：10kw
0 ^& W# ~: I5 g  d: C' t6 Z+ H　　◆ 太阳能集热面积：60m2

　　技术集成：

　　◆ 新概念的太阳能冷-热并供系统
& N4 T# K0 K; Z& U& ^　　◆ 太阳电池独立电源
　　◆ 可控变色玻璃、低发射夹层玻璃
' M. l" I) V# S( F1 x　　◆ 透明隔热材料、热反射涂层
$ q3 y( C6 H' r* X; T+ Y　　◆ 储能材料和技术
　　◆ 辐射致冷和被动降温技术
　　◆ 光伏、光热组件与建筑一体化技术
2 O7 ]" X, M- y) }　　◆ 导光、聚光材料和技术
4 P  \5 ~2 J4 V% M5 Q. l$ v8 ?
# U. w+ n3 H! ^1 p. {　　五、结语

　　“九五”太阳能空调计划取得了圆满的成功，在此基础上提出的太阳能冷-热并供系统新概念，在耦合制冷-产热热力学循环、制冷机结构及相关技术、太阳能集热器等方面均有所创新。新型的太阳能冷-热并供系统同时提供空调和热水，系统总效率可高达88％，冬季单纯供热运行时，利用制冷机作热泵运行，可以增加产热20-30％；系统减少了设备及泵耗，降低了造价和运行成本。

5 C. |, M; n' t' Q9 i0 T9 [& L　　在我国发展第三阶段的太阳能建筑时机已经成熟。中科院广州能源所依靠其本身的技术，在本所实验大楼正在建一座全部依靠太阳能供电、供热和供冷的示范性太阳能建筑，应用创新的太阳能冷一热并供系统以及采用多种新型的节能功能材料和相关的技术。

Michell

说得好，太阳能就是好哈。

jjb690415

谢谢楼主分享，学习了！