关于吸收式太阳能空调
来源：暖通吧2012-03-28
问题的提出
太阳对地球的年辐射总量为 5.4×1024 J，如果其中的万分之一能够被人类利用，折合到每人为 9×1010 J（相当于25 000kW·h），这足以满足一个人一年日常的能源需求。然而，事实上一方面我们在白白地浪费这种取之不尽、用之不竭的洁净太阳能，而另一方面，我们又在不停地燃烧有限的、具有污染的矿物质能源。显然，我们缺少的不是能源，而是能源利用技术。鉴于常规能源供给的有限性，同时基于保护环境与可持续发展的要求，世界范围内掀起了开发利用新能源的热潮。
将太阳集热器与吸收式制冷机结合起来进行制冷，这种思路由来已久，但是迄今为止，太阳能空调一直没有实用化、商业化。“九五”期间，国家在南、北方各建立了一座太阳能空调示范工程，并通过了验收。在南方的工程采用了平板式集热器，在北方的工程采用真空管式集热器。由于这两种集热器在高温下集热效率较低，因而热源品质难以得到保证，只能适配单级热水型制冷机，所以制冷效率低，没有起到应有的示范效果。目前，在吸收式太阳能空调普及中，存在以下问题：
1）太阳集热器的工质出口温度低，热源品质差，品质和效率不能同时保证。然而，对于吸收式制冷机而言，当热源进口温度低于90℃时，制冷机械的可靠性差、制冷系数低。因此，这二者之间存在矛盾。而且，太阳集热器的低性价比也阻碍其大面积的推广应用；
2）太阳能源具有分散性，单位面积的能量供给有限。中央空调需要较大的安装使用面积。然而，吸收式空调小型化一直是业界的难题。如何将太阳能集热系统与吸收式制冷机匹配起来，是这一领域亟需解决的问题；
3）消费者往往关注的是一次性初投资成本，而忽略了使用期内的运行费用。因而重视新能源的经济性，让“使用期内总成本”的观念深入人心还需要一个宣传和理解的过程；
4）国家对新能源应用的政策导向与扶持，引导社会能源消费观念的变革也需要一段时期。 最后两点已经超出了技术范畴，本文主要介绍前面的技术问题，阐述如何将太阳能中温集热技术与吸收式空调技术结合起来，使太阳能空调真正实用化、产业化。
1 聚焦集热技术
吸收式太阳能空调是利用太阳能提供的热能驱动吸收式制冷机制冷的空调系统，由集热系统和吸收式制冷机两大部分组成。制冷机机组的选择取决于热源品位的高低，如果太阳能集热系统采用平板式集热器或真空管式集热器，就目前的技术水平而言，只能产生低温的热水（温度低于100℃），适配的吸收式制冷机为单效热水型机组；如果太阳能集热系统采用聚焦式集热器，能够产生中温热水或者蒸汽（温度达到150℃以上），可以驱动双级蒸汽型制冷机。迄今为止，国内外的太阳能空调系统通常都采用热水型单效吸收式制冷机。目前，世界各国都在大力研究开发高效、廉价的中高温集热技术，这里介绍一种聚焦集热技术。
采用聚焦集热新技术，系统的整体效率比传统技术高一倍左右，优越性明显。
聚焦式太阳集热器目前在国内已开始批量生产，从实验室走向了市场。由于采用独特的太阳能跟踪技术和聚光技术，使得它具有能耗低，价廉性优等特点，达到国际领先水平。
在聚焦集热技术中，长期以来，困扰业界的问题是反射镜面的旋转移动如何妥善解决。它需要消耗大量的能源，需要利用大的减速机构，还要增加高强度的支撑设计等等，这一系列措施都会大幅度增加系统投资和复杂性、降低可靠性。在实际的实施过程中，我们将反射镜面固定，让真空管移动跟踪太阳的运动，虽然会降低一点系统效率，但是会大大简化系统，降低造价。
固定反射镜将阳光聚到集热管上，集热管在白天随太阳光的位置不同而移动。集热系统由太阳集热器、循环水泵以及相应的管道、阀门和调节测量装置等组成。集热器主要负责太阳光的能量采集。采用跟踪聚焦式集热器阵列，每个阵列由若干个集热模块构成。每个模块由反射镜面、真空集热管以及相应的连接管道、支撑支架等部件组成。
集热器阵列成东西向布置，根据当地的不同纬度，其弧面开口的法线与正南方向成一定的安装角。每个阵列都自带一个基于单片机的自动跟踪控制单元，具有自动跟踪真太阳时角的功能。由太阳光传感器和时钟控制器产生的控制信号，被送往驱动机构驱动交流电机，经减速放大机构之后，传输到真空集热管上，真空集热管按照给定的轨迹运动。
2 吸收式太阳能空调系统
此系统中制冷机采用远大设计制造的太阳能燃气制冷机，以太阳能产生的蒸汽和天然气为能源(夜间和阴雨天用天然气补热)，工作介质为溴化锂的水溶液。结构与标准的燃气直燃机基本一样，唯一区别是在高温发生器增加了一组蒸汽热交换铜管组，其结构与蒸汽制冷机高温发生器一样。其基本的工作特点为：
1）集热器产生的165℃蒸汽专用于制冷；
2）冬季太阳集热器产生高温热水通过热交换器提供采暖；
3）太阳能蒸汽与自来水进行热交换，产生的热水作公共卫生热水；
4）太阳能出力不足时，天然气补燃，自动调节；太阳能没有出力时(如夜间)，全部由直燃机提供能量；
5）全年无需专人操作，全自动运转，每年保养4次，每次1天。 其设计指标包括：
1） 总体COP值达到0.6以上；
2） 系统设计寿命20年；
3） 每平方米集热占地面积可以提供5～8m2建筑面积的制冷需要。
若年运行 2 000 h (北京为例)，1kW功率的集热器年回收热量2 000 kW·h。而获取同样的热量，需要天然气200m3 (折合400元)或者耗电 2 000 kW·h (折合880元)。太阳能空调集热系统运行费用只有初投资额的1%。集热器的初投资为2 000元/kW左右，一般在5年之内可以收回。
3 太阳能空调与电空调的比较
电驱动压缩制冷技术和热驱动吸收制冷技术已广泛使用。吸收式空调利用蒸汽、热水、废热气、化石燃料等热源作为动力，技术已成熟，并应用了100多年。 电制冷机的COP从2.5的小机组到5.8的大型水冷机不等。美国电制冷机组的平均最大COP为2.93（2002年美国能源部统计数据）。
世界上98%的并网电力为火电、水电或者核电等。每3kW·h（热）输入到电站，到终端用户的电量大约为1kW·h。其余的能量在电厂里面、输配电过程中损失了。考虑电网效率，修正后的电空调一次能源的COP为0.83～1.93，平均为0.98。利用太阳能/天然气混合能源，配合双效吸收式机组，在制冷季节，太阳能至少可以提供60%（40%的能量由天然气提供）的能量需求，那么，一次能源的COP为3.25。因此，太阳能/天然气吸收式制冷系统对一次能源的消耗只有电空调的1/3左右。
每安装一个3500kW的太阳能/燃气吸收式空调，节省电网容量1000 kW。天然气成为矿物质能源的又一来源，广泛使用太阳能/天然气空调，将大幅度缓解电网压力，降低矿物质能源的消耗。
随着空调期（制冷、采暖）的延长，其经济性更加突出。至于太阳能空调带来的减少废气排放，降低大气污染，保护自然环境等社会效益，更是电空调无法相比的。应该指出，由于受到辐射强度的影响，太阳能空调的应用还将受到地域条件的制约。
4 结论与展望
上述分析表明，太阳能空调技术上是可行的，经济上也显示出一定的效益，潜在的市场很大，应当向产业化方向发展。但要实现产业化目标，还有许多工作要做，例如开发太阳能空调系统的设计软件、中高温太阳能集热技术和吸收制冷技术，同时大力研究相变储能技术和系统的自动控制技术等等，最终实现产品的标准化、系列化、产业化。
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