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浅析太阳能吸收式制冷/热泵空调系统山东同圆设计集团有限公司梁丽敏摘要：介绍了一种在太阳能吸收式空调中，采用燃气辅助热源及溶液蓄能技术的制冷/热泵系统，此系统可提高太阳能全年利用率，并在满足建筑物制冷、制热需求的同时，提供生活热水。在此基础上本文引入了一种以双效和单效耦合循环模式运行的太阳能吸收式制冷/热泵机组，提高了整个太阳能空调系统的热力系数。关键词：太阳能；吸收式；蓄能；单效；双效。1.引言太阳能是清洁、安全、数量巨大的可再生清洁能源，每天到达地球表面的太阳能辐射能为5.57x1018MJ,相当于190万亿吨标准煤，约为目前全世界一次能源消费总量的1.56x104倍。对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到21世纪末，太阳能将取代核能占第一位。近年来，气候变暖、化石能源的枯竭和环境污染的加剧，日益被人们所关注，全世界都在加大对可再生能源的开发力度，太阳能空调系统成为热点之一，因常规制冷/热泵空调装置大多采用对环境有害的工质，并以消耗电力等高品位能源达到制冷目的，对环境产生的压力较大，而利用丰富的太阳能资源来驱动空调设备，是将可再生能源直接转换给终端用能设备，省去了发电过程的能源转换，对减排CO2等温室气体和减轻环境污染有重大意义。不过，由于到达地面的太阳能的昼夜间断性及因多云、阴雨而造成的不稳定性，给太阳能在空调制冷技术中的利用带来了间歇性和不可靠性等问题。本文介绍的在太阳能吸收式空调制冷系统，采用燃气辅助热源，并采用溶液蓄能技术，可很好的解决上述问题并提高太阳能全年利用率。此系统可在满足建筑物制冷、制热需求的同时，提供生活热水。2.系统设计及工作过程2.1系统组成图1给出了采用燃气辅助热源的太阳能吸收式空调制冷系统（以下简称太阳能吸收式空调系统）的流程图。系统主要由太阳能平板集热器、燃气辅助加热器、热水储罐、单效吸收式制冷（热泵）机组、溶液储存罐及冷剂水储存罐等组成。图1太阳能吸收式空调系统流程图2.2工作原理2.2.1溶液蓄能溶液蓄能，即在太阳辐射能力强时，从太阳能吸收式空调系统的发生器中出来的水蒸气，在冷凝器中凝结成冷剂水，一部分直接进入蒸发器蒸发制冷，多余的冷剂水储存在冷剂水储存罐中；发生器得到的LiBr浓溶液一部分直接进入吸收器，吸收来自蒸发器的水蒸气，另一部分富裕的浓溶液储存在浓溶液储存罐中；当无热源或热源减弱时，储存的冷剂水通过蒸发器吸热生成水蒸汽，并在吸收器中被来自储存罐的浓溶液吸收而直接制冷，将生成的稀溶液存入稀溶液储存罐中。2.2.2夏季制冷循环原理：白天太阳辐射能力强时，太阳能集热器的热水出水水温能够启动吸收式制冷机，热水作为热源直接进入发生器，溴化锂稀溶液经溶液热交换器后进入发生器受热产生冷剂水蒸汽，冷剂水蒸汽在冷凝器中冷凝成冷剂水，经U形管节流后进入蒸发器蒸发吸热制备冷冻水，供空调末端设备使用。而在同一时刻，集热器收集所得的太阳能经吸收式制冷机转换得到的冷量，与此时刻建筑物所需的冷量可能不一致。当前者冷量大于后者冷量时，通过调节流量调节阀V5、V14，使在吸收器中吸收循环的浓溶液与冷剂水的流量可以制备出满足建筑物空调负荷所需的冷量，将多余的浓溶液和冷剂水储存在3、1中；反之，需要取出3中的部分溴化锂浓溶液来补充吸收过程中浓溶液的不足，同时多余的稀溶液储存在2中。当夜晚没有热源的情况下，建筑物所需的冷量，完全由3中储存的溴化锂浓溶液释放其溶液潜能来实现溶液蓄能制冷。由集热器出来的多余热水进入热水储罐，同时满足洗浴等生活用水。当集热器出水温度无法启动吸收式制冷机时，启动燃气辅助加热器，二者联合提供热量满足吸收制冷循环。2.2.3冬季制热工况原理：白天太阳能先加热热水储罐中温度较低的水，使其温度上升至发生器启动的最低温度，溶液蓄能部分开始工作，储罐2中的溴化锂稀溶液由溶液泵7泵入发生器，受热产生冷剂水蒸汽，水蒸汽在冷凝器中冷凝放热，冷凝热作为建筑供热的热源；系统产生的浓溶液全部储存在浓溶液储罐3中，冷剂水全部储存在1中。若集热器出水水温达不到要求，启动燃气辅助加热，直至热水温度能够驱动发生器工作。夜间，首先由热水储罐中温度较高的热水作为供热热源负担建筑的热负荷，当热水温度逐渐下降到设计值时，吸收器和蒸发器开始工作，释能过程开始，冷剂水在蒸发器中蒸发，吸收热水储罐中热水携带的热量，热水储罐中的水温继续下降；同时，溴化锂浓溶液在吸收器中吸收水蒸汽，吸收过程的放热量作为建筑供热的热源，吸收器产生的稀溶液全部储存在储罐2中。随着供热的进行，热水储罐中的水温逐渐降低直至溴化锂浓溶液释能过程结束，此时需启动燃气辅助加热，使整个吸收式制冷机按热泵方式继续工作，蒸发器继续吸收热水储罐热水的热量进行建筑物的供热，直至热水储罐中热水的温度降到设计的最低温度。3.系统经济性能分析和比较文献6中给出北京地区某别墅太阳能吸收式空调系统的经济评价，年总运行费用仅为0.318万元，远远低于其他形式的空调采暖系统，并且，单效吸收式制冷/热泵机组对热源温度要求不高，当热水出水温度大于80℃时即可启动，采用平板集热器即满足机组的热源要求，降低了整个系统的造价。单效吸收式制冷/热泵机组的最佳工作温度为80~100℃，在热源温度达到80℃时，COP可达0.7，但在85℃后，即使热源温度继续增加，吸收式制冷/热泵机组的COP值也不会有显著变化，因此，其可被利用的热源温度范围较小，在此引入双效吸收式制冷/热泵机组，与单效循环相比，双效循环多了一个高压发生器，一个高温溶液热交换器和一个凝水换热器。双效制冷循环的工作原理本文不再阐述，可参见文献2.图2太阳能吸收式双效/单效耦合空调系统流程图整个太阳能吸收式制冷/热泵机组以双效和单效耦合循环模式运行，流程如图2所示；当出水温度高于140℃时，机组以双效模式运行并进行蓄能，COP值显著提高，可达到1.0~1.2，当日照强度减弱，集热器出水温度降到140℃及以下时，机组切换为单效模式运行，直至80℃左右，集热器出水温度继续降低直至低于机组运行所需的最低温度时，启动燃气辅助加热器。以此耦合模式运行，吸收式制冷/热泵机组运行的温度范围扩大至80~160℃，提高了系统单位体积蓄能罐的蓄能密度，即相同容积的溶液储罐可以储存更多的能量。但双效吸收式制冷/热泵机组对热源的温度要求比单效高，此时如继续采用平板式集热器已难以达到热源温度的要求，需采用热管真空管式集热器，势必增加系统的造价。4.结论1）太阳能单效及单/双效耦合吸收式空调系统均可在满足建筑物制冷、制热需求的同时，提供生活热水；太阳能单效吸收式空调系统对热源出水温度要求低，平板式集热器即可满足，因此其系统工程造价低，但由于可利用的热源温度范围小，蓄能密度较低；2）太阳能单/双效耦合吸收式空调系统提高了可利用热源的温度范围，即提高了单位体积溶液储罐的蓄能密度，有可能实现完全依靠太阳能实现昼夜空调，降低辅助热源的消耗，但需采用热管真空管式集热器，增加了系统造价，且运行控制复杂。3）如何降低太阳能空调系统的造价，简化运行及控制模式，提高太阳能集热器的集热效率，是当今太阳能空调制冷领域的主要研究课题，攻破了这些技术难题，才能使太阳能空调系统真正的大量推广应用，获得更大的社会、经济及生态效益。参考文献：[1]陆亚俊，马最亮，姚杨.空调工程中的制冷技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社1997[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社.2008[3]崔海亭，杨锋.蓄热技术及其应用[M].北京：化学工业出版社.2004[4]张国东，孙见君.太阳能在热泵空调器开发中的应用[J].制冷与空调，2004,4：48-50[5]万忠民，舒水明，郭义明.一种新的太阳能吸收式制冷系统中的蓄能技术[N].华中科技大学学报,2002，7（30）：14-16[6]孟玲燕，徐士鸣.太阳能与常规能源复合空调/热泵系统在别墅建筑中的应用研究[N].制冷学报.2006，1（27）：15-22[7]陈亚平，康逸翁，太阳能空调综合系统在住宅小区应用的可行性探讨[J].能源研究与利用，2007,（5）