我国太阳能制冷空调研究与发展

　　O引言

　　利用太阳能制冷空调不外有两种方法，一是先实现光一电转换，再以电力推动常规的压缩式制冷机制冷；二是进行光一热转换，以热能制冷。前者系统比较简单，但以目前的价格计算，其造价约为后者的3—4倍，因此国内外的太阳能空调系统至今仍以第二种为主。这也是本文所讨论的太阳能制冷空调的主要内容。

　　太阳能光一热转换利用已经有了很大的发展，特别是在解决生活的需要方面，如生活热水、采暖、太阳房等。但这些应用在需求上其实与大自然的赐予并不完全一致：当天气越冷、人们越需要温暖的时候，太阳能量的提供往往不足。而太阳能空调的应用则正好与太阳能的供给大体上保持很好的一致性：当天气越热、太阳辐射越强的时候，空调的负荷也越大。这正是太阳能空调应用最有利的因素。

　　我国太阳能资源十分丰富，其中三分之二以上的地区利用太阳能的条件都相当好。随着经济的发展和人们生活水平的提高，空调的需求量越来越大。一般民用建筑物，如酒店、办公楼、医院等，空调耗能已占总耗能的50％以上，给能源、电力和环境造成了很大的压力。电力的发展伴随着废气排放、温室效应和酸雨等环境问题，而空调机的制冷剂（CFC8）还会对大气臭氧层造成破坏。因此不管在国外还是国内，太阳能制冷空调一直是受到重视的研究课题。

　　与光一热转换直接利用不同，太阳能制冷空调是一个光一热一冷的转换过程，实际上是太阳能的间接利用。它不象热水、干燥等低温直接利用那样容易实现，在技术上比较复杂。除了对太阳能要求较高的温度作为动力之外，还需要经过一个制冷循环的能量转换过程才能实现。因此这方面的发展需要更长的时间、投入更多的资金、更多的科研力量和完成更多的技术准备工作。

　　在我国，对太阳能空调的研究始于1975年在安阳召开全国第一次太阳能利用工作经验交流会议以后的七十年代后期。1974年中东石油危机发生以后，不少科研机构、高等院校和企业单位纷纷投入一定的人力和物力研制太阳能制冷（空调）机，其中多数是小型的氨一水吸收式制冷试验样机。由于当时还有许多技术难题没有来得及解决，再加上科研拨款制度改革，太阳能空调项目的研究经费因一时难以形成效益而被削减，研究工作的队伍和规模就大大缩小，仅存少数单位仍坚持基础性研究和样机试制，经历了一段非常困难的时期。尽管如此，20年来，经过广大科技工作者的不懈努力，我国在这一领域还是进行了不少研究工作，探索过各种各样利用太阳能降温的途径，在技术上取得一定的进展，并且在推广应用方面取得了重要成果。下面将对对国内有关太阳能制冷空调研究与应用的发展情况作简单介绍和报道。

　　1太阳能液体吸收式制冷

　　1．1氨-水吸收式制冷机

　　70年代后期，世界各国对太阳能利用的研究蓬勃开展，我国太阳能制冷空调的研究也在此期间起步，其中对太阳能驱动的氨。水吸收式制冷系统的研究最为活跃，先后有20多个单位开展过工作，积累了宝贵的经验，他们是我国太阳能制冷与空调研究的先行者。

　　天津大学1975年研制的连续式氨一水吸收式太阳能制冰机，7月首次制出冰，该装置有效集热面积1.33m2，由集热器（发生器）、冷凝器、节流阀、蒸发器、热交换器、氨液循环泵、吸收器组成，不设蒸馏器，有水平转盘，可手动调节方位角。经改进后，1979年试验结果：日产冰量可达5.4kg，制冰机总效率为6.24％。

　　北京师范学院（现首都师范大学）与北京市建筑安装工程公司等单位于1977年研制成功1.5m2平板型间歇式太阳能制冰机，利用氨一水为工质，不需外加动力，在北京地区夏季晴天每天可制冰6．8一8kg，整机效率10．5％左右。集热器采用套管结构，以便可利用多种能源。只要冷却水温不超过25°C，都可利用太阳能制冷。1979年又研制出8m2平板型自动跟踪连续式太阳能冷藏柜，利用两对光电管分别控制集热器的方位角和倾角，并考虑了采用多种能源的需要，制冷量可达5024kJ／h。

　　华中工学院（现华中理工大学）研制了采光面积为1．5m2、冰箱容积为70L，以氨。水为工质对的小型太阳能制冷装置，间歇方式制冷。集热器内的氨。水溶液经太阳能加热，氨蒸发经冷凝器冷却进入冰箱中蒸发器储存，制冷时蒸发器中的氨溶液汽化回到集热器（此时为吸收器）为稀溶液所吸收，从而使冰箱内部的温度降低。试验结果，在制冷阶段可维持冰箱0°Cl0h左右。华中理工大学的太阳能冰箱和天津大学的太阳能制冷装置曾在1979年中国太阳能学会成立大会（西安）展览会上展出。

　　原五机部第五设计院于1979年试验成功他们所研制的无泵循环氨一水吸收式太阳能制冰装置，其特点是将收集到的太阳能大部分用于制冷，一小部分用于工质的循环，取消了电动的循环泵，采用透光面积2．74m2的扁管式太阳能平板集热器。氨一水吸收式制冷装置设置两个吸收器，按一定的循环周期交替进行压送或吸收，以完成工质的连续循环。试验证明，该系统能连续循环制冷，制冰量每天13—16kg，全天COP值0.1—0．14（冷却水温度16—22℃）。在此基础上，他们又于1983年完成一台透光面积10m2的太阳能冷饮设备的研制。试验结果是：制冷量4187kI匕制冷温度6—10°C，冷却水流量约350L／h，全天实际COP值0.12一0．17。

　　1．2溴化锂-水吸收式制冷机

　　对于另一类适于太阳能利用的制冷机——由热水驱动的以溴化锂。水为工质对的吸收式制冷机，中国科学院广州能源研究所、上海交通大学、华南理工大学、浙江大学等都做过不少的研究工作。

　　上海交通大学和浙江大学考虑配合太阳能驱动运行，对无泵溴化锂吸收式空调系统，特别是对其技术关键——系统内溴化锂溶液和冷剂水循环的热虹吸泵原理的研究做过大量的工作。华南理工大学对溴化锂吸收过程和强化传热机理也作了不少研究。

　　进入90年代，溴化锂吸收式制冷机在国内已成为成熟的产品，而且形成了一个颇具规模的产业。目前全国有近百家生产溴化锂制冷机的工厂，其中热水型的溴化锂吸收式制冷机产品全都是一种单级吸收式制冷机。该产品也可以应用于太阳能系统，实现太阳能空调。由于这种制冷机要求热源热水温度在88℃以上，普通的太阳能热水器不能满足要求，需要配合真空管型集热器或高效平板型中温集热器。迄今为止，国外的太阳能空调系统通常都采用这种热水型单级吸收式澳化银制冷机。

　　该类制冷机在热源温度足够高及冷却水温度比较低的场合，性能良好：若热源温度降低而冷却水温度较高，它的效率将大大下降，甚至不能正常制冷。单级吸收式制冷机还有一个很大的缺点，就是热源的利用温差小，一般只有6一8℃。例如，如果输入制冷机的热水温度为90°C，那么经过制冷以后输出的热水仍有82°C以上。换言之，82°C的热水要送到太阳能集热器加热升温，太阳能系统的平均工作温度一直要保持在很高的水平，它的效率相应要降低。

　　为了适应低温余热和太阳能的利用，中国科学院广州能源研究所从1982年开始进行了新型热水型两级吸收式溴化锂制冷机的研制工作。1987年研制成功一台制冷能力为6kW的两级吸收式溴化锂制冷机试验装置。1990年，广州能源所与香港理工大学签订了联合开发太阳能吸收式制冷机的合作协议，由香港裘搓基金会出资资助，并于1994年制造了一台70kW两级吸收式制冷机组在广州钢铁厂投人生产运行，以焦化分厂的低温热水制取冷冻水，测试表明、机组在65一85°C范围内均能稳定运行，热水的利用温差达15一18°C，充分显示这种新型机组对太阳能利用的适应性。1993年，为北京热电总厂制造了一台350kw的两级吸收式制冷机组，利用热电厂86°C的热水制冷，供5000m2的办公大楼空调，实现了热一电一冷联供，该机组一直运行至今。1997年，又为国家“九五”科技攻关项目“太阳能空调及供热示范系统”研制了一台100kW的两级吸收式制冷机，并成功地应用于太阳能系统中，系统于1998年投入运行。这是我国第一次采用自己制造的制冷机应用于大型太阳能空调系统。

　　这种新型的两级吸收式制冷机有两个显著的特点，一是所要求的热源温度低，在65°C以上的温度范围内均能稳定地制冷，甚至低至60°C时仍可达到80％的制冷量和性能系数；二是热源的利用温差大，为12—24°C（随热源温度而变）。

　　对热源温度有较宽的适应范围，可以使制冷机在较低的太阳辐照度和比较不稳定的太阳能输入情况下，适应其引起的温度波动，实现稳定的运行。运行温度的降低可显著提高太阳能集热器系统的瞬时效率和日效率，能充分利用过去不能利用的低强度太阳辐射热来制冷。此外，较低的运行温度使得有可能采用造价较低的太阳能集热器，可以降低成本，提高经济性。

　　由于工作温度低，这种制冷机的COP值相应也要降低（0．40左右），但其热源的利用温差大的优势足以弥补这个不足。举例来说，对于同样为88°C的热水，单级吸收式制冷机的COp约为0．6，但它只利用了8℃（回水温度80°C），实际利用为4．8°C；而两级吸收式制冷机能利用24°c（回水温度64°c），以0．4的COP值计算，实际利用为9．6°C，利用的能量高出一倍。因此，单以COP值来衡量这种制冷机的性能是不全面的，还应该看它的佣效率。此外，回水温度低的特点，使得它更适合太阳能的利用，也有助于提高大阳能系统的效率。

　　2太阳能固体吸附式制冷

　　太阳能固体吸附式制冷是利用固体吸附剂（例如沸石分子筛、硅胶、活性炭、氯化钙等）对制冷剂（水、甲醇、氨等）的吸附（或化学吸收）和解吸作用实现制冷循环的。吸附剂的再生温度可在80—150℃之间，也适合干太阳能的利用。太阳能吸附式制冷系统结构简单、没有运动部件，能制作成小型装置。太阳能吸附式制冷循环为问歇性运行，多用于制冰工况。

　　国外对太阳能吸附式制冷进行了大量的研究和应用开发工作。国内开展研究的单位也很多，从理论研究到实际应用都作过全面的探索，如中国建筑科学研究院空调所、西安交通大学、西北工业大学、上海交通大学、中国科技大学、南京大学、华南理工大学、中国科学院广州能源研究所、北京航空航天大学等，取得了不少成果。“酒安交通大学研究了以沸石13X-水为工质对的制冷系统。他们采用单元管式，用烧结方法将小沸石颗粒烧结在铜管内壁上，减少了管壁与颗粒之间的热阻，提高了系统的制冷性能。另外还作了太阳能冷饮箱的研究与设计。

　　中国科学院广州能源研究所于1990年研制成功一种以活性渗甲醇为工质对的太阳能吸附式制冰机。制冰机集热面积1m2（透光面积0．92m2）。集热器与吸附器合为一体，采用带透光隔热结构的平板型太阳能中温集热器。冷凝器为气冷式，利用环境空气来冷却冷凝器。按昼夜变换周期实现间歇式制冰，其特点是没有运动部件，操作简便，不需要其它能源，也不需要冷却水，单靠太阳能便可独立制冰。1m2集热面积在太阳辐射日总量17一19MJ／m2下，日产冰量可达4—5kg，COP值达0．10—0．12。这种制冰机特别适合于昼夜温差大的地区使用。

　　华南理工大学对活性务甲醇，沸石-水为工质对的吸收式制冷系统进行了大量的研究，他们先以水蒸气为动力作试验，在此基础上试制了一台太阳能吸附制冷的样机，采光面积为1m2，活性务甲醇为工质对，冰箱有效容积为103L。实验得到一天最大制冰量为6kg。最近他们又提出了一种新的太阳能制冷热水系统，并集中该校传热节能（高分子材料、塑料机械三个博士点共同进行技术攻关。在集热器方面，采用纳米级高分子材料为吸热板，在吸附剂床层方面，采用功能性导热高分子材料将吸附剂成型，并利用导热粘胶将吸附块与换热器粘接，强化床层传热，以期使整个系统高效实用。

　　北京航空航天大学研究了一种以氯化钙一氨为工质对的化学吸附太阳能制冰机。1992年试验了一台集热面积为1.6m2的样机，在水平面太阳辐射氏总量20MJ／m2下，一天产冰量3．2kg以折合2kg／m2）。之后他们又采取了一些改进的措施：如增加吸附剂填充量为原来的1．5倍，使温度维持在反应的第一步，结果发现显热损失增加不大，但COp值和产冰量有所提高；又采用了一种低密度、各向异性及导热性良好的添加剂，强化床层传热，改进了吸附剂的加工成型，日产冰量由2kg／m2提高到3．5kg／m2。

　　上海交通大学对太阳能固体吸附式制冷的基础理论和关键技术进行了大量的研究，特别是吸附式制冷循环理论及其试验的研究，例如连续回热式循环、双效复叠式循环、对流热波循环等。除此之外，还对吸附床的强化传热及结构、各种工质对的吸附性能、最佳循环周期等关键技术问题作了深入的研究。他们的研究对于丰富太阳能吸附制冷理论、提高吸附制冷的技术水平作出了有益的贡献。