急！太陽能的社會實際應用

【專家解說】：太陽能吸收式空調及供熱綜合系統(tǒng) 當前，世界各國都在加緊進行太陽能空調技術的研究。據調查，已經或正在建立太陽能空調系統(tǒng)的國家和地區(qū)有意大利、西班牙、德國、美國、日本、韓國、新加坡、香港等。這是由于發(fā)達國家的空調能耗在全年民用能耗中占有相當大的比重，利用太陽能驅動空調系統(tǒng)對節(jié)約常規(guī)能源、保護自然環(huán)境都具有十分重要的意義。 為了進一步拓寬太陽能的應用范圍，使其在節(jié)能和環(huán)保中發(fā)揮更大的作用，我國在“九五”期間開展了太陽能空調技術研究，旨在通過技術攻關和系統(tǒng)示范，解決太陽能空調中的技術難題，從而為盡早實現太陽能空調的商業(yè)化打下技術基礎。 一基本工作原理 太陽能吸收式空調系統(tǒng)主要由太陽集熱器和吸收式制冷機兩部分構成。 1吸收式制冷工作原理 吸收式制冷是利用兩種物質所組成的二元溶液作為工質來進行的。這兩種物質在同一壓強下有不同的沸點，其中高沸點的組分稱為吸收劑，低沸點的組分稱為制冷劑。常用的吸收劑—制冷劑組合有兩種：一種是溴化鋰—水，通常適用于大型中央空調；另一種是水—氨，通常適用于小型空調。 吸收式制冷機主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器組成，如圖1所示。 本文以溴化鋰吸收式制冷機為例。在制冷機運行過程中，當溴化鋰水溶液在發(fā)生器內受到熱媒水加熱后，溶液中的水不斷汽化；水蒸氣進入冷凝器，被冷卻水降溫后凝結；隨著水的不斷汽化，發(fā)生器內的溶液濃度不斷升高，進入吸收器；當冷凝器內的水通過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器時，急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收蒸發(fā)器內冷媒水的熱量，從而達到降溫制冷的目的；在此過程中，低溫水蒸氣進入吸收器，被吸收器內的濃溴化鋰溶液吸收，溶液濃度逐步降低，由溶液泵送回發(fā)生器，完成整個循環(huán)。 2太陽能吸收式空調工作原理 所謂太陽能吸收式制冷，就是利用太陽集熱器為吸收式制冷機提供其發(fā)生器所需要的熱媒水。熱媒水的溫度越高，則制冷機的性能系數(亦稱COP)越高，這樣空調系統(tǒng)的制冷效率也越高。例如，若熱媒水溫度60℃左右，則制冷機COP約0?40；若熱媒水溫度90℃左右，則制冷機COP約0?70；若熱媒水溫度120℃左右，則制冷機COP可達1?10以上。 常規(guī)的吸收式空調系統(tǒng)主要包括吸收式制冷機、空調箱(或風機盤管)、鍋爐等幾部分，而太陽能吸收式空調系統(tǒng)是在此基礎上再增加太陽集熱器、儲水箱和自動控制系統(tǒng)。太陽能吸收式空調系統(tǒng)可以實現夏季制冷、冬季采暖、全年提供生活熱水等多項功能，其工作原理如圖2所示。 制冷、供熱功率(kW) 100 空調、采暖面積(m2) 1000 熱水供應量 32 (非空調采暖季節(jié))(噸／天) 集熱器 類型 熱管式真空管 采光面積(m2) 540 平均日效率(％) 35-40(空調、采暖時) 51(提供熱水時) 制冷機 類型 熱水型單級溴化鋰 熱媒水溫度(℃) 88 冷媒水溫度(℃) 8 性能系數(COP) 0.07 在夏季，被集熱器加熱的熱水首先進入儲水箱，當熱水溫度達到一定值時，由儲水箱向制冷機提供熱媒水；從制冷機流出并已降溫的熱水流回儲水箱，再由集熱器加熱成高溫熱水；制冷機產生的冷媒水通向空調箱，以達到制冷空調的目的。當太陽能不足以提供高溫熱媒水時，可由輔助鍋爐補充熱量。 在冬季，同樣先將集熱器加熱的熱水進入儲水箱，當熱水溫度達到一定值時，由儲水箱直接向空調箱提供熱水，以達到供熱采暖的目的。當太陽能不能夠滿足要求時，也可由輔助鍋爐補充熱量。 在非空調采暖季節(jié)，只要將集熱器加熱的熱水直接通向生活用儲水箱中的熱交換器，就可將儲水箱中的冷水逐漸加熱以供使用。 二空調及供熱綜合示范系統(tǒng) 為了將太陽能吸收式空調技術付諸實際應用，根據“九五”國家科技攻關計劃任務，北京市太陽能研究所于1999年9月建成一套我國目前最大的太陽能吸收式空調及供熱綜合示范系統(tǒng)(見壓題照片)。 1安裝地點概況 太陽能空調示范系統(tǒng)建在山東省乳山市。乳山市位于山東半島的東南端，北接煙臺，西臨青島，南瀕黃海。該地區(qū)有較好的太陽能資源，年平均日太陽輻照量為17?3MJ／m2。當地夏季最高氣溫33?1℃，冬季最低氣溫－7?8℃，夏季和冬季分別有制冷和采暖的要求，因此是安裝太陽能空調系統(tǒng)的合適地點。 乳山市銀灘旅游度假區(qū)利用本地區(qū)自然條件，大力發(fā)展旅游事業(yè)，正在籌建“中國新能源科普公園”?？破展珗@計劃建造包括風能館、太陽能館等在內的8個館、廳。太陽能空調系統(tǒng)就建在科普公園內的太陽能館。 在這里人們不僅可以參觀太陽能科普展品，增長太陽能科普知識，了解最新的太陽能技術，并且在參觀和娛樂的同時可親身感受到太陽能空調和采暖所營造的舒適環(huán)境。 2主要技術性能 新建的太陽能空調系統(tǒng)由熱管式真空管集熱器、溴化鋰吸收式制冷機、儲熱水箱、儲冷水箱、生活用儲熱水箱、循環(huán)泵、冷卻塔、空調箱、輔助燃油鍋爐和自動控制系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)安裝完成后，經過冬、春、夏三季運行和測試，達到表1的主要技術性能。 3系統(tǒng)設計特點 (1)太陽能與建筑有機結合 整個太陽能館的總體設計既使建筑物造型美觀、新穎別致，又能滿足集熱器安裝的要求。依據這個原則，建筑物的南立面采用大斜屋頂結構，一則斜面的面積比平面大得多，可以布置更多的集熱器；二則在斜面上布置集熱器時無需考慮前后遮擋問題，而且造型也非常美觀。斜屋頂傾角取35°，與當地緯度接近，有利于集熱器充分發(fā)揮作用。 (2)熱管式真空管集熱器提高了制冷和采暖效率 熱管式真空管集熱器是北京市太陽能研究所的一項重大科技成果，具有效率高、耐冰凍、啟動快、保溫好、承壓高、耐熱沖擊、運行可靠等諸多優(yōu)點，是組成高性能太陽能空調系統(tǒng)的重要部件。熱管式真空管集熱器可為高效溴化鋰制冷機提供88℃的熱媒水，從而提高整個系統(tǒng)的制冷效率；這種集熱器還可在北方寒冷的冬季有效地工作，為建筑物供暖。 (3)大小兩個儲熱水箱加快了每天制冷或采暖進程 根據一天內太陽輻照度變化的固有特點，儲熱水箱不僅可以使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，還可以把太陽輻照高峰時的多余能量以熱水形式儲存起來。本系統(tǒng)與一般太陽能空調系統(tǒng)的不同之處在于設置了大、小兩個儲熱水箱。小儲熱水箱主要用于保證系統(tǒng)的快速啟動。測試結果表明，在夏季和冬季晴天的早晨，小儲熱水箱內水溫就能分別達到88℃和60℃，從而滿足制冷和供暖的要求。 (4)專設的儲冷水箱降低了系統(tǒng)的熱量損失 盡管儲熱水箱可以儲存能量，但它的能力畢竟是有限的。本系統(tǒng)專門設計了一個儲冷水箱。在白天太陽輻照充裕的情況下，可以將制冷機產生的冷媒水儲存在儲冷水箱內，其優(yōu)點在于這種情況下的系統(tǒng)熱量損失顯然要比以熱媒水形式儲存在儲熱水箱中低得多，因為夏季環(huán)境溫度與冷媒水溫度之間的溫差要明顯小于熱媒水溫度與環(huán)境溫度之間的溫差。 (5)配套的輔助鍋爐使系統(tǒng)可以全天候運行 所有太陽能系統(tǒng)的運行都不可避免地要受到氣候條件的影響。為使系統(tǒng)可以全天候發(fā)揮空調、采暖功能，輔助的常規(guī)能源是必不可少的。該太陽能空調系統(tǒng)選用了輔助燃油熱水鍋爐，在白天太陽輻照量不足以及夜間需要繼續(xù)用冷或用熱時，可隨即啟動輔助鍋爐，確保系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運行。 (6)系統(tǒng)運行及工況之間切換均能自動控制 在利用太陽能部分地替代常規(guī)能源的系統(tǒng)中，系統(tǒng)啟動、能量儲存以及太陽能與常規(guī)能源之間切換等功能的自動化都顯得尤為重要；另外，本系統(tǒng)設置了幾個儲水箱，如何在不同的工況下自動啟用不同的水箱，走不同的管路，也是系統(tǒng)正常運行的關鍵；再則，太陽能系統(tǒng)還應可靠地解決自動防過熱和防凍結的問題。因此，我們?yōu)樵撎柲芸照{系統(tǒng)設計了一套安全可靠、功能齊全的自動控制系統(tǒng)。 三推廣應用前景 實踐證明，采用熱管式真空管集熱器與溴化鋰吸收式制冷機相結合的太陽能空調技術方案是成功的，它為太陽能熱利用技術開辟了一個新的應用領域。 太陽能吸收式空調與常規(guī)空調相比，具有以下三大明顯的優(yōu)點： (1)太陽能空調的季節(jié)適應性好，也就是說，系統(tǒng)制冷能力隨著太陽輻射能的增加而增大，而這正好與夏季人們對空調的迫切要求一致； (2)傳統(tǒng)的壓縮式制冷機以氟里昂為介質，它對大氣層有極大的破壞作用，而吸收式制冷機以無毒、無害的溴化鋰為介質，它對保護環(huán)境十分有利； (3)同一套太陽能吸收式空調系統(tǒng)可以將夏季制冷、冬季采暖和其它季節(jié)提供熱水結合起來，顯著地提高了太陽能系統(tǒng)的利用率和經濟性。 誠然，凡事都要一分為二。我們在強調太陽能空調優(yōu)點的同時，也應看到它目前存在的局限性，因而在推廣應用過程中注意解決這些問題： (1)雖然太陽能空調開始進入實用化階段，希望使用太陽能空調的用戶不斷增加，但目前已經實現商品化的產品大都是大型的溴化鋰制冷機，只適用于單位的中央空調。對此，空調制冷界正在積極研究開發(fā)各種小型的溴化鋰或氨—水吸收式制冷機，以便與太陽集熱器配套逐步進入家庭； (2)雖然太陽能空調可以無償利用太陽能資源，但由于自然條件下的太陽輻照度不高，使集熱器采光面積與空調建筑面積的配比受到限制，目前只適用于層數不多的建筑。對此，我們正在加緊研制可產生水蒸氣的真空管集熱器，以便與蒸氣型吸收式制冷機結合，進一步提高集熱器與空調建筑面積的配比； (3)雖然太陽能空調可以大大減少常規(guī)能源的消耗，大幅度降低運行費用，但目前系統(tǒng)的初投資仍然偏高，只適用于有限的富裕用戶。為此，我們正在堅持不懈地降低現有真空管集熱器的成本，使越來越多的單位和家庭具有使用太陽能空調的經濟承受能力。 近年來，地球表面溫度逐年上升，人們對夏季空調的要求越來越強烈，安裝空調已成為我國大部分地區(qū)的一股消費浪潮。我們相信，太陽能吸收式空調系統(tǒng)可以發(fā)揮夏季制冷、冬季采暖、全年提供熱水的綜合優(yōu)勢，必將取得顯著的經濟、社會和環(huán)境效益，具有廣闊的推廣應用前景。